超級電容電池在鋰離子動力電池系統中的應用

呂志強，姚俊彬，江統高

(廣汽本田汽車研究開發有限公司，廣東廣州 511330)

0 引言

隨著我國汽車電動化事業的迅猛發展，市面上的電動車數量迅速增加，目前鋰離子電池在低溫環境中性能短板帶來的影響也越來越凸顯。用戶對電動車在低溫下續航里程衰減、動力衰減的抱怨聲也越發增多。

為了緩解鋰離子電池低溫時的性能短板，最直接有效的辦法就是給電池包加熱。目前常用的做法是，采用PTC加熱器為主體的液體循環加熱系統給鋰離子電池進行升溫，以提升其電池性能。然而，由于PTC加熱器能效低下，加之液體循環回路也有能量損失，使用PTC加熱器為電池包加溫，需要消耗大量能量，這將導致在低溫工況下整車續航里程驟減。

文中所描述系統，將不使用PTC加熱器為電池加溫，而是增加一組超級電容電池，使之與原電動車高壓系統構成一套混合能源系統，并通過鋰離子電池與超級電容電池相互充放電時內阻發熱來提升鋰離子電池溫度。另一方面，在車輛需求大功率驅動和能量回收時，利用超級電容電池優異的功率特性，對鋰離子電池充放電能力進行“削峰填谷”，以降低其在大功率充放電時的損耗。

1 混合能源系統構成

該混合能源系統構成原理如圖1 所示。各部件構成及其相關作用描述如下：

(1)整車主要動力源，由大容量鋰離子電池1# BAT及其電池控制系統1# BMS構成。

(2)超級電容電池裝置，由超級電容電池2# BAT及其電池控制系統2# BMS構成。

(3)電壓控制裝置，由電感L1、IGBT G1和G2、電容C1、電流傳感器CS構成。

1# BMS與2# BMS通過CAN通信進行信息交互，內容包括電池電壓、電流、溫度、SOC、SOP等。2# BMS計算并判斷鋰離子電池及超級電容電池的充放電模式的切換，并向控制電壓裝置發出電壓控制指令，以達成“自發熱”及“削峰填谷”的目的。

圖1 混合能源系統構成示意

2 技術應用

2.1 利用鋰離子電池內阻自發熱以降低加熱能耗

圖2示意了鋰離子電池內阻自發熱原理。圖中“小圓球”代表電池系統中的能量，通過電壓控制器提升“小圓球”勢能，使其克服阻力(電池內阻)來回運動。而克服阻力所產生的熱量，則用于提升電池包自身溫度。

圖2 鋰離子內阻自發熱原理

在這個過程中，電壓控制裝置起了相當大的作用。具體來說，通過反復實施以下兩個過程，實現鋰離子電池通過自身內阻發熱。

(1)能量從鋰離子電池流向超級電容電池。根據當前車輛狀態(如：車輛系統狀態、外界環境溫度、鋰離子電池包內部溫度、鋰離子電池SOC、超級電容電池SOC等等)，電壓控制裝置對鋰離子電池輸出電壓進行升壓控制，使電流從鋰離子電池流向超級電容電池。并在此過程中，電壓控制裝置實時地根據各部品狀態進行電壓調整，以保證鋰離子電池以受控的功率對超級電容電池進行充電。該過程中：

鋰離子電池內阻發熱功率為：

P1(t)=Rdischarge·I1(t)2

發熱量則為：

(2)能量從超級電容電池流向鋰離子電池。當超級電容電池SOC達到高點(當前設定值為90%)時，結束過程(1)并進入過程(2)。電壓控制裝置將根據各部品狀態對超級電容電池進行實時的動態降壓處理，以保證超級電容電池以受控的功率，對鋰離子電池進行充電。該過程中：

鋰離子電池發熱功率為：

P2(t)=Rcharge·I2(t)2

發熱量則為：

雖然鋰離子電池的電芯密封在電池包殼體內，但也不可避免地存在熱量流失(與外界低溫環境進行熱交換)，計算溫升時應將鋰離子電池的熱量損失考慮在內。因此，通過反復充放電自發熱方式最終給鋰離子電池電芯帶來的溫升為：

式中：Q損為鋰離子電池電芯的熱量損失；C為鋰離子電池電芯等效比熱容；m為鋰離子電池電芯總質量。

考慮到內阻發熱的功率較小，難以在時間內完成電芯加熱。為了使車輛在低溫環境下能快速進入行駛狀態，需要制定整車層面的加熱邏輯，其流程如圖3 所示。

圖3 內阻加熱流程示意

當鋰離子電池溫度低于T1時，車輛進入反復充放電內阻加熱流程，開始通過自發熱的方式來提升鋰離子電池溫度；當鋰離子電池溫度到達T2時，車輛退出反復充放電內阻加熱流程。其中，T1和T2的值需要根據鋰離子電池實際特性及整車控制需求來進行標定。

通過實施該策略，使鋰離子電池溫度始終保持在適宜的工作溫度，即T1到T2之間。駕駛員在下次啟動車輛時，無需等待電池加熱。

2.2 超級電容電池對鋰離子電池充放電功率進行“削峰填谷”

除了優秀的耐低溫性能外，超級電容電池擁有優秀的大電流放電能力及能量轉換效率。利用這些特性，當車輛側需求大功率能量輸出或回收時，使用超級電容電池對充放電功率進行“削峰填谷”，以此降低鋰離子電池大功率充放電時的能量損失。其示意圖如圖4 所示。

圖4 “削峰填谷”示意

同樣地，將對“削峰”和“填谷”分成兩個過程進行描述：

(1)“削峰”階段：一般情況下，鋰離子電池為車輛提供全部的動力輸出，但當車輛側需求大功率行駛時，電池管理系統將根據鋰離子電池及超級電容電池狀態，對該需求功率進行分配。鋰離子電池將保持以較穩定功率進行放電，剩余的功率需求由超級電容電池進行補充。電壓控制裝置將根據功率分配，實時地對鋰離子電池及超級電容電池進行電壓控制。

(2)“填谷”階段：當車輛側需求能量回收時，電池管理系統將根據鋰離子電池及超級電容電池狀態對該需求功率進行分配。車輛側再生的能量，通過電壓控制裝置對母線電壓進行電壓控制后，輸送給鋰離子電池和超級電容電池。再生能量優先對超級電容電池進行充電，當超級電容電池SOC達到高水平時，剩余回收能量則由鋰離子電池吸收。

3 效果確認

3.1 發熱效果確認

在低溫環境中，傳統電動汽車往往需要使用PTC加熱器或類似手段對鋰離子電池進行外部加熱，使其達到適宜工作溫度，以提升其充放電能力。當駕駛員試圖在低溫環境中進行車輛行駛時，PTC加熱器會先行以大功率對電池包進行加熱，直到電池包達到適宜工作溫度。以某純電動汽車為例，測得其PTC加熱器在低溫環境中加熱電池包的電量消耗情況，如圖5 所示。

圖5 實車電池PTC加熱實測數據

該測試數據呈現了車輛在-25 ℃低溫環境中進行啟動時，PTC加熱器以大于4 500 W的功率對鋰離子電池進行加熱，使鋰離子電池溫度提升到-15 ℃@50%SOC，能耗約1 600 Wh。

作為能耗對比，將通過仿真方式模擬出內阻發熱所帶來的效果。在-25 ℃環境下，鋰離子電池工作發熱主要體現為焦耳熱[1](即內阻發熱)。因此，使用Matlab/Simulink建立其內阻發熱仿真模型。根據前文所述，鋰離子電池的溫升計算式為：

至此，還需要得到鋰離子電池電芯的熱量損失參數，才能計算出鋰離子電池電芯的溫升。考慮到鋰離子電池材料及結構的復雜性，其熱仿真是個相當復雜的系統工程。為了簡化仿真建模過程，并提升仿真精度，使用了某純電動汽車搭載的動力電池包進行實驗，并將實際測試數據，加載到Matlab/Simulink模型中進行曲線擬合，對鋰離子電池電芯的熱量損失參數進行估算。另外，鋰離子電池充放電內阻會隨不同溫度、SOC而變化，尤其在低溫或低SOC下，內阻會陡然增大，為得到更高精度的仿真結果，需要從電池廠家獲取溫度-電芯內阻特性曲線以及SOC-電芯內阻的動態曲線，并將動態曲線加載到Matlab/Simulink模型中，對電芯內阻進行動態修正。最后，在綜合考慮以上所述各種因素后，建立鋰離子電池內阻發熱溫升模型，如圖6 所示。

圖6 鋰離子電池內阻發熱溫升模型

Matlab/Simulink模型仿真結果如圖7所示。

圖7 內阻發熱溫升及能耗曲線

由圖7可知，在-25 ℃環境下，鋰離子電池與超級電容電池以20 kW功率進行反復充放電，通過鋰離子電池內阻發熱，使鋰離子電池溫度提升到-15 ℃@50%SOC，耗費電量約900 Wh。對比傳統PTC加熱方式，其能耗降低約44%。由此可見，內阻發熱相較傳統加熱方式在能耗方面確實具有較大優勢。

3.2 “削峰填谷”效果確認

為了確認“削峰填谷”效果，根據該混合能源系統的電氣架構，使用Matlab/Simulink建立起該系統的功率分配仿真模型，如圖8所示。

圖8 混合能源系統仿真模型

該仿真模型主要由高壓鋰離子電池、超級電容器以及電壓控制裝置組成，以模擬該混合能源系統在車輛行駛時各能量源的功率分配。將鋰離子電池額定電壓設定為350 V，超級電容電池額定電壓為600 V，車輛驅動系統額定電壓平臺設定為500 V。并參照圖4 所示曲線模擬用戶車輛需求功率。仿真結果如圖9 所示，曲線1為車輛側需求功率，曲線2為鋰離子電池輸出功率，曲線3為超級電容電池輸出功率。

圖9 功率分配仿真曲線

由圖可知，當車輛側需求功率瞬間增大時，鋰離子電池平衡提升輸出功率，剩余部分由超級電容電池補充；當車輛側持續需求大功率功率時，鋰離子電池保持恒定輸出，剩余部分由超級電容電池補充；車輛側進行能量再生時，對超級電容電池進行充電。

從仿真結果可見，該混合能源系統可有效地將鋰離子電池輸出功率控制在限定范圍，避免其出現大功率充放電，實現“削峰填谷”效果。

4 結論

從效果確認來看，該系統方案與傳統電動車方案相比，優勢在于：

(1)通過電池內阻自發熱無需傳統熱管理液體循環回路，可以有效降低熱交換損失，從而降低加熱能耗。同時，在電芯一致性保持良好的情況下，各電芯發熱功率一致，加熱均衡性好。

(2)避免鋰離子電池大功率充放電，可以有效緩解車輛續航里程的衰減。

另一方面，該方案還處于早期研究階段，尚有很多需要解決的課題。如，該系統與整車控制策略如何協調，實物搭載效果以及系統可靠性還有待確認，等等。期待在接下來的研究中，克服現有課題的不足，爭取將該方案投入實際應用。