基于電池內(nèi)阻特性的電動(dòng)汽車(chē)放電模式研究

許 鈾，楊 勇

(廣東技術(shù)師范學(xué)院汽車(chē)學(xué)院，廣東廣州510635)

基于電池內(nèi)阻特性的電動(dòng)汽車(chē)放電模式研究

許 鈾，楊 勇

(廣東技術(shù)師范學(xué)院汽車(chē)學(xué)院，廣東廣州510635)

電流、溫度大小會(huì)影響電動(dòng)汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池組放電的效率及電池組一致性，其本質(zhì)是電池內(nèi)阻本身固有特性所致。通過(guò)研究鋰離子動(dòng)力電池組在不同溫度、不同放電電流下的內(nèi)阻變化，建立電池內(nèi)阻變化圖譜，分析不同溫度、電流對(duì)電池輸出能量的影響。根據(jù)電池內(nèi)阻特性，結(jié)合整車(chē)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性，將電動(dòng)汽車(chē)放電策略分為可供選擇的三種模式：動(dòng)力模式、經(jīng)濟(jì)模式及限制模式。通過(guò)電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程及放電能量的對(duì)比測(cè)試，比較所提出的各種模式的優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明，根據(jù)不同路況及使用需求，采用不同的放電模式，可以保證整車(chē)動(dòng)力性，延長(zhǎng)電池壽命，提高整車(chē)?yán)m(xù)駛里程。

鋰離子動(dòng)力電池組；電池內(nèi)阻；放電電流；溫度

為擺脫石油資源依賴(lài)及減少傳統(tǒng)汽車(chē)尾氣排放污染，純電動(dòng)汽車(chē)的研究與開(kāi)發(fā)逐漸受到各國(guó)的重視。純電動(dòng)汽車(chē)由動(dòng)力電池、電機(jī)和電控系統(tǒng)三大關(guān)鍵部件組成，其中電池是電動(dòng)汽車(chē)的核心技術(shù)[1]。和燃油汽車(chē)相比，動(dòng)力電池的比容量、比功率仍然比較低，導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程受限于有限的動(dòng)力電池能源。為提高電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程，整車(chē)控制策略可以從兩大方面考慮：(1)驅(qū)動(dòng)高效化。通過(guò)提高電機(jī)運(yùn)行效率，減少傳統(tǒng)系統(tǒng)上能源損耗進(jìn)而提高驅(qū)動(dòng)效率，如文獻(xiàn)[2]利用模糊控制的方法，開(kāi)發(fā)了純電動(dòng)轎車(chē)的控制策略；文獻(xiàn)[3]開(kāi)發(fā)了加速踏板信號(hào)處理模塊、驅(qū)動(dòng)模式識(shí)別與轉(zhuǎn)換策略和各模式控制策略組成的整車(chē)驅(qū)動(dòng)控制策略；文獻(xiàn)[4]以整車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，提出了電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的匹配方法。(2)能源優(yōu)化管理及高效利用，在充電過(guò)程中能盡可能讓電池組獲得更多的能源[5-6]，在整車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，能讓電池組放出更多的能量。事實(shí)上，動(dòng)力電池組的特性與放電電流、溫度相關(guān)，在整車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，若沒(méi)有充分地考慮上述因素，整車(chē)電池電壓會(huì)迅速下降至放電截止電壓，導(dǎo)致續(xù)航里程縮短甚至影響電池壽命。

本文通過(guò)分析不同溫度、不同放電電流對(duì)電池的影響，繪制動(dòng)力電池內(nèi)阻變化圖譜，結(jié)合放電電流與內(nèi)阻關(guān)系，考慮輸出電流與油門(mén)踩踏深度之間的關(guān)系，對(duì)整車(chē)放電模式進(jìn)行優(yōu)化分類(lèi)。最后通過(guò)整車(chē)?yán)锍虒?duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證各種放電模式的有效性。

1 電動(dòng)汽車(chē)電池放電特性及電池內(nèi)阻圖譜評(píng)測(cè)方法

電動(dòng)汽車(chē)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池放電過(guò)程實(shí)際上是Li+從石墨電極脫離，透過(guò)隔膜進(jìn)入LiFeO4中，電子則經(jīng)過(guò)集電體和外圍電路到達(dá)正極。在討論電動(dòng)汽車(chē)電池放電特性之前，先對(duì)幾個(gè)概念進(jìn)行定義：

(1)電池平衡電動(dòng)勢(shì)，指的是電池體系處于未充放電狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)相對(duì)靜止的電動(dòng)勢(shì)；

(2)工作電壓，指的是電池在充放電或者靜止過(guò)程中，其正負(fù)極兩端的電壓值；

(3)SOC值，指的是電池的剩余電量相對(duì)電池所能放出最大電量的百分比值。

磷酸鐵鋰電池在放電之后，其電池兩端電壓變化有如下特性：在放電后短時(shí)間內(nèi)(通常是5min以?xún)?nèi))，電池電壓急劇上升，然后在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，電池電壓才慢慢恢復(fù)到電池的平衡電勢(shì)上。這種現(xiàn)象稱(chēng)為電池極化，實(shí)際是電池材料及內(nèi)部極化等原因所導(dǎo)致，對(duì)外表現(xiàn)為電池的等效內(nèi)阻。

通常，電池內(nèi)阻與電池的工作電壓與平衡電動(dòng)勢(shì)之間的壓差、放電電流大小存在一定的關(guān)系。文獻(xiàn)[7]通過(guò)測(cè)試表明在低溫下，電池的充放電性能顯著下降，充放電內(nèi)阻顯著增大，電池一致性變差。因此，電池內(nèi)阻在整個(gè)放電過(guò)程中并不是一個(gè)穩(wěn)定量，而是與SOC值、放電電流、溫度相關(guān)的變量。研究放電過(guò)程中的內(nèi)阻特性，有利于電動(dòng)汽車(chē)使用過(guò)程中能量輸出規(guī)律的獲得，進(jìn)而為整車(chē)放電策略提供指導(dǎo)。

1.1 電池內(nèi)阻計(jì)算方法

建立電池等效內(nèi)阻方程：

1.2 相同溫度不同放電電流下電池內(nèi)阻特性

磷酸鐵鋰電池在不同放電電流下的內(nèi)阻有如下的變化特性：在放電末期，大電流下電池內(nèi)阻升高較小電流要快，大電流放電放出的電量比小電流放出的少。由于電流輸出與油門(mén)踩踏、實(shí)際路況相關(guān)，這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致駕駛員不同駕駛習(xí)慣下整車(chē)的續(xù)駛里程有所不同，特別是在末期過(guò)程下，大電流放電還可能使電池受損。

對(duì)內(nèi)阻進(jìn)行檢測(cè)，可以采用如下步驟：

(1)將電池放入有一定溫度的溫箱中，靜置一段時(shí)間保證電池極柱溫度同溫箱溫度相當(dāng)；

(4)保持靜置狀態(tài)90min；根據(jù)式(1)計(jì)算電池等效內(nèi)阻，繪制曲線，同時(shí)記錄不同放電電流下電池放出的電量。

測(cè)試過(guò)程調(diào)整放電電流，獲得不同電流下電池內(nèi)阻變化曲線及放電電量。

1.3 相同放電電流不同溫度下電池內(nèi)阻特性

電池特性也受溫度影響，為檢測(cè)其特性，對(duì)110 Ah單體電池放置于溫箱中，進(jìn)行如下步驟測(cè)試：

(2)執(zhí)行1.2節(jié)測(cè)試步驟(2)～(4)，放電電流選擇0.5。

測(cè)試過(guò)程溫度分別設(shè)置為40、30、20、10、0、-10、-20℃，可得相同電流不同溫度下電池內(nèi)阻變化曲線及放電電量，如圖1和圖2所示。可見(jiàn)，溫度越低放出的電量越少，這種情況會(huì)導(dǎo)致在低溫情況下，若不對(duì)電池進(jìn)行加溫措施，整車(chē)?yán)m(xù)駛里程會(huì)受到很?chē)?yán)重的影響。

圖1 不同溫度下內(nèi)阻-SOC曲線

圖2 不同溫度下放出電量對(duì)比

1.4 電池內(nèi)阻圖譜描述方法

結(jié)合上述，可通過(guò)圖譜的方式描述電池組內(nèi)阻特性，其方法及步驟如下：

(1)考慮電池一般性，需采用某一同類(lèi)型、安時(shí)數(shù)相同、相同批次的個(gè)全新電池，分別對(duì)其充滿電，并將其串聯(lián)放置于恒定溫度環(huán)境下，靜置一段時(shí)間保證電池內(nèi)部溫度同溫度相當(dāng)；

(4)保持靜置狀態(tài)90min；為描述電池內(nèi)阻一般性，將放電過(guò)程電池組平均內(nèi)阻作為整組電池內(nèi)阻的代表，繪制曲線；

2 基于內(nèi)阻特性的整車(chē)放電模式

根據(jù)電池內(nèi)阻受溫度、電流影響的變化規(guī)律，可以建立一套放電模式，以達(dá)到保證整車(chē)動(dòng)力性，增加電池輸出電量，提高整車(chē)?yán)m(xù)駛里程及延長(zhǎng)電池壽命的目的。

2.1 可持續(xù)最大理想放電電流

根據(jù)本文1.2節(jié)可知，放電電流越大，內(nèi)阻升高的拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的SOC值越大，電池電壓會(huì)越快到達(dá)截止電壓而使電源停止供電。根據(jù)這種規(guī)律，對(duì)可持續(xù)最大理想放電電流進(jìn)行定義：在特定的SOC值范圍內(nèi)，保證電池內(nèi)阻不會(huì)大幅度增大時(shí)電池所能接受的最大放電電流。因此可建立電池可持續(xù)最大理想放電電流表達(dá)式：

電池內(nèi)阻大幅度升高位置，可以通過(guò)斜率最大值方法求得：

利用不同電流下內(nèi)阻變化規(guī)律圖譜，可以擬合可持續(xù)最大理想放電電流變化曲線，如圖3所示。根據(jù)圖3可知，若將放電電流限制在最大理想放電電流曲線以下，則可以減緩電池內(nèi)阻增大，提高電池放電能量及整車(chē)?yán)m(xù)駛里程。

圖3 基于內(nèi)阻特性的最大理想放電電流范圍

2.2 油門(mén)踩踏深度與放電電流的關(guān)系

由于整車(chē)動(dòng)力性與放電電流存在一定的關(guān)系，過(guò)分地對(duì)電流進(jìn)行限制，會(huì)直接影響整車(chē)的動(dòng)力性。電流的輸出情況，必須充分地考慮整車(chē)行駛路況以及載荷的情況。一般情況下，由于整車(chē)其他用電器的功率相對(duì)電機(jī)來(lái)說(shuō)小了很多，可以近似地認(rèn)為油門(mén)踩踏深度δ與放電電流大小存在正比的線性關(guān)系：

2.3 基于內(nèi)阻特性的放電模式研究

鑒于整車(chē)的動(dòng)力性以及電池可持續(xù)最大理想放電電流情況，對(duì)油門(mén)踩踏深度與放電電流關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，可將電動(dòng)汽車(chē)放電策略分為三種模式。

(1)動(dòng)力模式：不考慮放電電流對(duì)電池內(nèi)阻的影響，油門(mén)踩踏深度與放電電流關(guān)系與式(6)相近似。

(2)經(jīng)濟(jì)模式：考慮放電電流對(duì)電池內(nèi)阻的影響，在一定油門(mén)踩踏深度下將輸出電流控制在最大理想放電電流內(nèi)，而當(dāng)踩踏深度超過(guò)限制范圍時(shí)，輸出電流會(huì)隨著踩踏深度增大而增大，保證整車(chē)動(dòng)力性。

(3)限制模式：考慮最大理想放電電流隨SOC值而變化，在不同的SOC值下，將輸出電流限制在最大理想放電電流內(nèi)。

上述三種模式下，其油門(mén)踩踏深度與放電電流的關(guān)系如圖4所示。其中，動(dòng)力模式下油門(mén)踩踏深度和輸出電流關(guān)系式如式(6)所示；經(jīng)濟(jì)模式下油門(mén)踩踏深度和輸出電流關(guān)系式如式(4)所示；限制模式下油門(mén)踩踏深度和輸出電流關(guān)系式如式(8)所示。

圖4 各模式下油門(mén)踩踏深度與放電電流關(guān)系

通過(guò)上述放電模式，可為用戶不同的駕駛需求提供選擇，一方面保證整車(chē)動(dòng)力性，同時(shí)也能保證整車(chē)經(jīng)濟(jì)性，提高續(xù)駛里程。

2.4 經(jīng)濟(jì)模式下電流輸出控制

經(jīng)濟(jì)模式下，由于油門(mén)踩踏深度與電流輸出為以δ0為臨界點(diǎn)的分段函數(shù)，當(dāng)油門(mén)踩踏深度在δ0變化時(shí)，輸出電流波動(dòng)可能很大，這會(huì)影響安全舒適性。

實(shí)際運(yùn)行中，電流的輸出并不是立即與油門(mén)踩踏深度相對(duì)應(yīng)，而是在短時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)一定的延遲，如圖5(a)所示。本文采用以下方式對(duì)電流響應(yīng)因子進(jìn)行改進(jìn)：

通過(guò)改進(jìn)電流響應(yīng)因子，將電流輸出改為緩慢變化的方式，如圖5(b)所示，延長(zhǎng)電流輸出響應(yīng)時(shí)間，提高駕駛舒適性和平穩(wěn)性。

圖5 電流輸出控制

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文方法的可靠性，依托東莞中山大學(xué)研究院研發(fā)的FDG6601純電動(dòng)中巴車(chē)(圖6)進(jìn)行了測(cè)試。

圖6 FDG6601純電動(dòng)中巴

該中巴上安裝了上述所測(cè)試的110 Ah、100串磷酸鐵鋰電池包，根據(jù)本文1.4節(jié)所述方法繪制內(nèi)阻圖譜。其中，放電電流為1、0.7、0.5、0.4、0.3，溫度為-20、-10、0、10、20、30、40℃。通過(guò)測(cè)試，獲得電池內(nèi)阻圖譜，如圖7所示。

根據(jù)內(nèi)阻圖譜，繪制可持續(xù)最大理想放電電流，如圖8所示。

圖7 電池內(nèi)阻圖譜

圖8 整車(chē)可持續(xù)最大放電電流

對(duì)整車(chē)進(jìn)行續(xù)駛里程對(duì)比測(cè)試，步驟如下：

(1)對(duì)整車(chē)進(jìn)行充電，將電池充滿；

(2)按照實(shí)際路況，在動(dòng)力模式下對(duì)整車(chē)進(jìn)行行駛測(cè)試，將整車(chē)電量用完，記錄跑完所用的能量以及整車(chē)的續(xù)駛里程；

(3)再次對(duì)整車(chē)進(jìn)行充電，將電池充滿；

(4)根據(jù)圖8，分別采用本文所提出的經(jīng)濟(jì)模式和限制模式修改整車(chē)放電控制策略，按照實(shí)際路況，對(duì)整車(chē)進(jìn)行行駛測(cè)試，將整車(chē)電量用完，記錄跑完所用的能量以及整車(chē)的續(xù)駛里程；

(5)重復(fù)步驟(1)～(4)10次，比較三種模式的優(yōu)越性。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)后，本文所提出的三種放電模式在測(cè)試過(guò)程中的放電能量及整車(chē)?yán)m(xù)駛里程對(duì)比如圖9、圖10所示。

從圖9和圖10可知，動(dòng)力模式放電能量較少，整車(chē)?yán)m(xù)駛里程較短，但是動(dòng)力性較好；限制模式放電能量較多，整車(chē)?yán)m(xù)駛里程較長(zhǎng)，但動(dòng)力性能最差；而經(jīng)濟(jì)模式則在介于動(dòng)力模式和限制模式之間，一方面既能保證整車(chē)動(dòng)力性，另一方面也能在一定程度上控制輸出電流，提高續(xù)駛里程。實(shí)際使用過(guò)程中，對(duì)于載荷加大、路況較復(fù)雜等情況下，駕駛員采用動(dòng)力模式，可以保證整車(chē)的有效動(dòng)力；在載荷不大、路況稍微簡(jiǎn)單些的情況下，駕駛員采用經(jīng)濟(jì)模式，在上坡、起步等情形可以保證整車(chē)動(dòng)力性，一般過(guò)程下則保證了電流輸出符合可持續(xù)最大理想放電電流，提高整車(chē)?yán)m(xù)駛里程；在載荷小、路況良好的情況下，選擇限制模式，可以保證電流輸出始終符合可持續(xù)最大理想放電電流，最大限度地保證電池能量輸出，做到整車(chē)?yán)m(xù)駛里程最大化。

圖9 放電能量對(duì)比

圖10 續(xù)駛里程對(duì)比

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析電動(dòng)汽車(chē)鋰離子動(dòng)力電池內(nèi)阻與放電電流、溫度的關(guān)系，提出電動(dòng)汽車(chē)電池內(nèi)阻圖譜描述方法。考慮電池內(nèi)阻與放電電流、SOC的關(guān)系，總結(jié)出電池可持續(xù)最大理想放電電流曲線，結(jié)合油門(mén)踩踏深度與放電電流關(guān)系，將整車(chē)放電策略分為三種模式。通過(guò)不同模式下的續(xù)駛里程及放電能量的對(duì)比測(cè)試，驗(yàn)證了本文方法的有效性。該方法給駕駛員提供了電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的放電模式選擇，兼顧了整車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，增加了放電能量，提高了整車(chē)?yán)m(xù)駛里程，可為電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)控制策略提供一種新方法，具有一定的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

[1]莊幸,姜克雋.我國(guó)純電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展路線圖研究[J].汽車(chē)工程,2012, 34(2):91-97.

[2]王佳,楊建中,蔡志標(biāo),等.基于模糊控制的純電動(dòng)轎車(chē)整車(chē)優(yōu)化控制策略[J].汽車(chē)工程,2009,31(4):362-365.

[3]黃萬(wàn)友,程勇,紀(jì)少波,等.基于最優(yōu)效率的純電動(dòng)汽車(chē)驅(qū)動(dòng)控制策略開(kāi)發(fā)[J].汽車(chē)工程,2013,35(12):1062-1067.

[4]胡明輝，謝紅軍,秦大同.電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)匹配方法的研究[J].汽車(chē)工程,2013,35(12):1068-1073.

[5]徐智威,胡澤春,宋永華,等.充電站內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)有序充電策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,36(11):38-43.

[6]CHEN L R.A design of an optimal battery pulse charge system by frequency-varied technique[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2007,54(1):398-404.

[7]雷治國(guó),張承寧,李軍求,等.電動(dòng)車(chē)用鋰離子電池低溫性能研究[J].汽車(chē)工程,2013,35(10):927-933.

Study on discharging modes of electric vehicle based on lithium-ion battery resistance performance

The discharging efficiency and consistency of electric vehicle lithium-ion battery can be affected by the current and temperature, and the reason for the phenomenon is that the resistance of battery is affected by the current and temperature.The changing of resistance at different current and temperature was studied,and the battery resistance map was established,and the battery output energy at different current and temperature was analyzed.According to the dynamic characteristic and economy,the discharging strategies of electric vehicle were divided into three modes:dynamic mode,economic mode and limit mode.The electric vehicle driving tests were carried out and the different modes were compared in the experiments.The results show that the proposed method can improve the dynamic characteristic,energy efficiency and extend the battery life.

lithium-ion battery;resistance;discharging current;temperature

TM 912

A

1002-087 X(2016)06-1180-05

2015-12-16

廣東省教育廳青年創(chuàng)新人才培育項(xiàng)目(基于內(nèi)阻特性的電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池組一致性評(píng)價(jià)及充放電策略研究)；廣東省自然科學(xué)基金 (8151063301000004)；廣東省科技廳重大專(zhuān)項(xiàng)(2015B010135006)

許鈾(1983—)，男，廣東省人，博士，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池使用及維護(hù)。