鋰離子電容器的工作特性及其在混合動力汽車上的應(yīng)用研究

胡 攀,郭靈聰,韋 虹,趙福成,王瑞平,2,3

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動機(jī)零部件有限公司,浙江 寧波 315336;2.浙江吉利動力總成有限公司,浙江 寧波 315800;3.寧波上中下自動變速器有限公司,浙江 寧波 315800)

0 引言

節(jié)能減排是目前社會發(fā)展的主旋律,汽車節(jié)能逐漸成為當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。混合動力汽車(hybrid electric vehicle,HEV)相比傳統(tǒng)燃油車的優(yōu)勢在于其具備電動模式,因此產(chǎn)生的汽車尾氣污染更少,而且具有省油、節(jié)能、噪聲小、易操作等特點(diǎn);與純電動汽車相比,HEV具有續(xù)航更靈活方便等優(yōu)勢,既適合城市駕駛,又適應(yīng)長途高速行駛。因此,HEV將成為新能源汽車的重要發(fā)展方向[1],并在未來一段時間內(nèi)與純電動汽車一起推廣應(yīng)用。

目前,HEV的儲能技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入一個新的階段,其中包括鋰離子電池和鎳氫電池。然而,鋰離子電池的循環(huán)壽命較短,成本較高,并且可能會帶來安全隱患。相比之下,鋰離子電容器作為一種新興的儲能技術(shù),將鋰離子電池和超級電容技術(shù)結(jié)合,具有高功率密度、適中的能量密度、高安全性和長壽命等優(yōu)點(diǎn)[2-4],鋰離子電容器的性能特性如圖1所示,與HEV對電池的需求相匹配。然而,盡管已有一些研究者開始關(guān)注鋰離子電容器的產(chǎn)品開發(fā)和市場發(fā)展,但在HEV中裝載鋰離子電容器并開展實(shí)車應(yīng)用的研究還非常有限[5]。鋰離子電容器的充放電性能及其在HEV上的工作特性,是制定整車能量管理策略的基礎(chǔ)依據(jù),具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 鋰離子電容器電器性能[6]

1 HEV問題分析

某HEV作為本次研究的整車載體,其基本參數(shù)如表1所示,當(dāng)前原車采用三元鋰電池作為儲能單元,對于三元鋰電池而言,HEV儲能單元主要面臨以下三個方面的挑戰(zhàn)[7-8]。

表1 整車基本參數(shù)

(1)在動力性方面,相同電量條件下,驅(qū)動電功率與電池功率不匹配,其表現(xiàn)為儲能單元的充放電功率低于電機(jī)的最大充放電功率,主要表現(xiàn)如圖2所示。儲能單元無法充分發(fā)揮驅(qū)動電機(jī)的功率,使得在油門開度過程中,放電功率輸出受限,難以充分發(fā)揮最大功率特性。

圖2 整車加速狀態(tài)示意圖

(2)由于三元鋰電池在-35 ℃以下不具備高功率放電能力,目前HEV車型在-35 ℃以下存在啟動困難的問題[9]。同時,在-30 ℃以下,三元鋰電池?zé)o充電能力,導(dǎo)致HEV車型出現(xiàn)低溫蠕行等問題,其表現(xiàn)形式如圖3所示。

圖3 整車低溫蠕行狀態(tài)示意圖

(3)由于HEV所使用的動力電池需要在大電流工況下進(jìn)行充放電,整個工作范圍內(nèi)可能會有長時間的大電流充放電,因此循環(huán)壽命較短[10]。

主要針對三元鋰電池在整車應(yīng)用中所面臨的問題,對鋰離子電容器工作特性展開研究,并在整車上進(jìn)行搭載驗(yàn)證。

2 鋰離子電容器工作特性研究

針對當(dāng)前HEV三元鋰電池面臨的充放電不足、低溫性能不滿足車輛-35 ℃啟動和正常行駛要求等問題,與當(dāng)前三元鋰電池工作特性進(jìn)行對比,探討鋰離子電池作為HEV車型的儲能單元的可行性。

2.1 鋰離子電容器與三元鋰電池工作機(jī)理

鋰離子電容器原理如圖4所示,從圖中可以看出,鋰離子電容器的正極材料為在三元鋰電池的三元材料基礎(chǔ)上摻雜了超級電容的活性炭材質(zhì),負(fù)極采用了具有更大層間距的短臂無序硬碳材質(zhì),匹配鋰離子電容器更大的充放電性能[11-12]。鋰離子電容器的工作機(jī)理如表2所示,既具備了電池中鋰離子的脫嵌等化學(xué)反應(yīng),又具備了超級電容的多孔吸附的物理效應(yīng)。由于超級電容的物理效應(yīng)響應(yīng)快,鋰離子電容器在最初工作階段以超級電容的工作模式為主,內(nèi)阻小,溫度上升,更有利于后期以電池的工作模式進(jìn)行工作,具備更好的充放電特性[13-14]。鋰離子電容器結(jié)構(gòu)如圖5所示,為大圓柱電池,電池容量與三元鋰電池保持一致。

表2 鋰離子電容器工作機(jī)理

圖4 鋰離子電容器原理示意圖[15]

圖5 鋰離子電容器結(jié)構(gòu)圖

2.2 鋰離子電容器充放電特性的研究

2.2.1 內(nèi)阻測試結(jié)果分析

內(nèi)阻測試是衡量電池包內(nèi)部功耗的有效方法。本次測試主要對比了鋰離子電容器與三元鋰電池在常溫下10 C/10 s的內(nèi)阻,按照公式(1)計算不同電荷狀態(tài)(state of charge,SOC)下的內(nèi)阻,其測試結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出,常溫下鋰離子電容器在10 C放電狀態(tài)下10 s的內(nèi)阻均低于三元鋰電池,并且SOC越高,鋰離子電容器與三元鋰電池內(nèi)阻差異越明顯。

圖6 常溫10 C/10 s放電內(nèi)阻對比

R=(U0-U1)/I1

(1)

式中:R為內(nèi)阻,mΩ;U0為初始電壓,V;U1為放電末位電壓,V;I1為放電電流,A。

2.2.2 開路電壓測試結(jié)果分析

鋰離子電容器和三元鋰電池充放電過程中的開路電壓對比如圖7所示,從圖中可以看出SOC在40%以下階段,三元鋰電池開路電壓(open circuit voltage,OCV)高于鋰離子電容器,而當(dāng)SOC超過40%后,鋰離子電容器的開路電壓反而超過三元鋰電池,這表明SOC在40%以上時,鋰離子電容器可以更好地發(fā)揮驅(qū)動電機(jī)的動力性。

圖7 常溫10 C/10 s充放電開路電壓對比

2.2.3 充放電測試結(jié)果分析

鋰離子電容器和三元鋰電池在常溫10 s的充放電功率測試數(shù)據(jù)如圖8所示,從圖中可以看出,在常溫下鋰離子電容器的充放電功率均高于三元鋰電池70%以上。從圖9中-35 ℃下的10 s充放電特性可以看出,鋰離子電池基本沒有充放電能力,而鋰離子電容器仍然具備一定充放電能力,可以極大地改善車輛在超低溫下的啟動和運(yùn)行能力。

圖8 常溫10 s充放電功率對比

圖9 -35 ℃ 10 s充放電功率對比

2.2.4 自放電測試結(jié)果分析

從圖10鋰離子電容器電芯自放電性能曲線上可看出,28天后鋰離子電容器荷電保持率從100%降低至97.6%,滿足HEV車型對于儲能單元自放電率小于5%的設(shè)計要求。

圖10 自放電測試結(jié)果

2.2.5 冷啟動測試結(jié)果分析

鋰離子電容器整包放入低溫環(huán)境箱進(jìn)行低溫冷啟動測試,主要是為了模擬整車?yán)鋯訒r對于功率的需求,從圖11中可以看出,在設(shè)置電池包低溫放電截止電壓為180 V的條件下,電池包可以滿足8 kW的2 s脈沖功率輸出3次,滿足當(dāng)前HEV車型冷啟動功率需求,可以解決當(dāng)前三元鋰電池-35 ℃冷啟動問題。

圖11 -35 ℃下8 kW脈沖放電

2.2.6 循環(huán)耐久測試結(jié)果分析

鋰離子電容器在45 ℃下的循環(huán)耐久測試曲線如圖12所示,可以看出,在前0～0.1×104次循環(huán),電池健康狀態(tài)(state of health,SOH)下降較快,初步判斷是由于正極摻雜了活性炭、負(fù)極采用硬碳等無序碳,相比于鋰電池比表面積更大,形成SEI膜的面積更大,相同條件下成形時間更長,從而消耗更多的鋰離子,使得前期容量降低較快;從當(dāng)前1.9×104次循環(huán)的結(jié)果看,鋰離子電容器達(dá)到80% SOH的循環(huán)次數(shù)有望超出3.0×104次,滿足當(dāng)前設(shè)計的要求(不小于1.5×104次循環(huán))。

圖12 45 ℃循環(huán)耐久測試

3 整車仿真預(yù)測

3.1 阻力的計算

車輛在平坦的道路上行駛時,會受到空氣阻力、滾動阻力和加速阻力的影響。這些因素會對車輛的性能產(chǎn)生重大影響。因此,根據(jù)車輛在這些力的作用下的行為,可以得出公式(2)[16]。

F=Ff+Fw+Fj

(2)

式中:F為車輛的驅(qū)動力,Nm;Ff為滾動阻力,Nm;Fw為空氣阻力,Nm;Fj為加速阻力,Nm。

3.1.1 滾動阻力計算

車輛在行駛中,輪胎與路面之間的接觸受切向力和法向力的作用,由于輪胎是橡膠材料,易變形,其與路面的接觸面會出現(xiàn)受力不均勻,輪胎受力情況如圖13所示。彈性變形會產(chǎn)生受力不均的情況,導(dǎo)致車輪出現(xiàn)遲滯損耗,表現(xiàn)形式為滾動阻力偶,如式(3)所示。

圖13 輪胎受力圖

Tf=Fza

(3)

式中:Tf是輪胎彈性變形產(chǎn)生的滾動阻力偶;Fz是輪胎變形產(chǎn)生的法向力;a是輪胎變形產(chǎn)生法向力的力臂。

為了保證車輛的正常行駛,平衡車輪遲滯導(dǎo)致的滾動阻力矩需要在車輪中心施加反方向的力偶矩Fp,如式(4)所示,而這時整車在平坦路面上的滾動阻力如式(5)所示,這時的Fz與重力G形成一對平衡力,而滾動阻力系數(shù)可以根據(jù)公式(6)計算獲得。

(4)

式中:r是整車車輪的半徑;Tr是滾動阻力矩;f為車輪的滾動阻力系數(shù)。

(5)

式中:G是整車重力。

(6)

式中:ua為整車車速;f0、f1、f4為相關(guān)系數(shù)。

3.1.2 空氣阻力計算

汽車在行駛中必然受到空氣的阻礙,其主要表現(xiàn)形式包括壓力和摩擦阻力,空氣阻力可由式(7)計算獲得,其中汽車迎風(fēng)面積可以由式(8)計算獲得。

(7)

A=B1H

(8)

式中:CD表示空氣阻力系數(shù),轎車取0.4～0.6;A為車輛的迎風(fēng)面積;ua為整車車速;B1為汽車前輪距;H為汽車高度。

3.1.3 加速阻力計算

加速阻力是汽車在正常行駛中因慣性作用產(chǎn)生的阻力,可由式(9)計算獲得,其中車輪旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)可由式(10)計算獲得。

(9)

(10)

式中:m是車輛質(zhì)量,kg;δ是車輪的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù);Iw是車輪的轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;If是電機(jī)和飛輪的轉(zhuǎn)動慣量,kg·m2;ig為變速器的速比;i0為減速器的速比;μT為汽車的傳動系的機(jī)械效率;r為車輪的滾動半徑。

3.2 整車加速時間的計算

當(dāng)前對HEV車型加速時間的分析主要針對車輛從車速為零開始原地起步到車速達(dá)到100 km/h的加速時間。本次以車輛從停止?fàn)顟B(tài)到全油門加速到某一車速v1的加速時間進(jìn)行計算。當(dāng)車輛在整車行駛狀態(tài)下,其驅(qū)動力與阻力之間的關(guān)系式如式(4)～式(10)所示,通過式(11)可以換算得到加速時間,見式(12)。

(11)

(12)

3.3 整車仿真模型搭建與計算分析

使用GT-suite軟件中的GT-Drive模塊,建立整車仿真模型來模擬實(shí)際的汽車行駛。這個模型主要基于某款HEV車型的基本參數(shù),并對其動力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了模擬計算。具體流程如圖14所示。

圖14 整車仿真流程

3.3.1 整車模型搭建

基于整車架構(gòu)參數(shù)搭建了圖15所示的整車仿真模型,可以模擬整車在百千米加速測試中的能量分配、加速時間以及循環(huán)油耗等參數(shù)。

圖15 整車仿真模型

3.3.2 能量分配策略

HEV的工作工況如圖16所示,可以看出百千米加速工況下,整車主要的工作模式為低速純電模式、中低速串聯(lián)模式、大油門加速并聯(lián)模式以及高速直驅(qū)模式,在整個百千米加速工況下,電池包只要有足夠的電量,就處于工作狀態(tài),從而使得P3電機(jī)工作助力整車加速。相比于三元鋰電池的模型設(shè)置,主要變動為將原三元鋰電池10 s持續(xù)放電功率65 kW調(diào)整至110 kW,其余策略保持不變。

圖16 HEV工作工況示意圖

3.3.3 仿真結(jié)果分析

整車百千米加速的仿真計算結(jié)果如圖17所示,該仿真結(jié)果主要是基于電池包在常溫下的充放電特性得出的。滑行阻力需要通過原車實(shí)測進(jìn)行標(biāo)定,從原車的仿真與實(shí)測結(jié)果的對比可以看出,在不同SOC下,原車百千米加速仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相近,最大差異在0.5 s以內(nèi),由此判斷仿真計算模型較為準(zhǔn)確。

圖17 百千米加速仿真結(jié)果

在同一計算模型的基礎(chǔ)上,將儲能單元的充放電特性曲線由原三元鋰電池更換為鋰離子電容器,進(jìn)行仿真對比分析。從三元鋰電池與鋰離子電容器對于整車不同SOC下的百千米加速仿真對比結(jié)果來看,由于鋰離子電容器充放電的特性明顯優(yōu)于三元鋰電池,鋰離子電容器在常溫10 s的最大放電功率比三元鋰電池提升了70%,可以明顯提升整車的加速性能,并且SOC越低,其動力性提升越明顯,同時在SOC為40%時,可以縮短百千米加速時間超1 s以上。從圖18的整車WLTC和NEDC循環(huán)油耗仿真結(jié)果中可以看出,鋰離子電池在內(nèi)阻上的優(yōu)勢體現(xiàn)在整車油耗上的差異不明顯,主要是由于電池本身內(nèi)阻低,其內(nèi)阻測試的差異對于油耗來說影響很小,從目前的結(jié)果來看很難通過試驗(yàn)來驗(yàn)證其差異性。

圖18 循環(huán)油耗仿真結(jié)果

4 實(shí)車驗(yàn)證分析

鋰離子電容器在整車上的布置形式如圖19所示。由于鋰離子電容器在整車布置和整包重量上的差異會對動力性測試產(chǎn)生影響,為了排除這一影響,動力性測試主要在整車轉(zhuǎn)轂臺架上進(jìn)行,在試驗(yàn)前對整車進(jìn)行配重,使兩種電池包車輛保持一致的重量和姿態(tài)后再進(jìn)行測試。在轉(zhuǎn)轂臺架上測試之前,先將原車進(jìn)行滑行阻力的路試,將獲得的整車滑行阻力系數(shù)作為轉(zhuǎn)轂臺架的參數(shù)輸入。

圖19 鋰離子電容器整車布置

4.1 實(shí)車動力性驗(yàn)證

4.1.1 滑行阻力測試

在這項實(shí)驗(yàn)中,使用了常用的滑行測試方法來測量滑行阻力。研究表明,在整車滑行過程中,由于傳動機(jī)構(gòu)的損耗、車輪的滾動和空氣阻力的作用,路面阻力會發(fā)生變化。通過對這些因素的分析,可以計算出路面阻力的大小。整車滑行阻力曲線如圖20所示。通過測量阻力系數(shù),可以確定整車轉(zhuǎn)轂臺架的性能,如式(13)所示。

圖20 整車滑行阻力曲線

FRL=A+BV+CV2

(13)

式中:A、B、C為阻力系數(shù);FRL為路面阻力;V為車速。

4.1.2 百千米加速測試

百千米加速試驗(yàn)主要驗(yàn)證鋰離子電容器搭載HEV車型相比于三元鋰電池在動力性能上的提升效果,圖21和圖22分別是常溫下38% SOC、70% SOC的百千米加速曲線,可以看出鋰離子電容器車輛動力性均有提升,在80 km/h之后仍然保持較為強(qiáng)勁的動力。同時,鋰離子電容器的SOC越低,對動力性提升優(yōu)勢越明顯,可保證在工作SOC范圍內(nèi)持續(xù)強(qiáng)動力輸出。

圖21 常溫38% SOC時百千米加速對比

圖22 常溫70% SOC時百千米加速對比

4.1.3 低溫運(yùn)行測試

低溫運(yùn)行測試主要是為了驗(yàn)證鋰離子電容器能否滿足在-35 ℃下整車啟動以及加速行駛的要求。對于當(dāng)前搭載三元鋰電池的HEV車型存在-35 ℃難以啟動以及蠕行的問題,要解決這一問題,需要儲能單元具備在超低溫環(huán)境下至少2 s 3次7 kW的脈沖放電功率以及1 kW的充電能力,從前期鋰離子電容器在低溫下的測試結(jié)果來看,其在-35 ℃具備8 kW的脈沖放電能力和1～2 kW的充電能力。整車的搭載驗(yàn)證結(jié)果如圖23所示,可以看出,更換鋰離子電容器后,可在-35 ℃啟動,并且解決了車輛低溫蠕行的問題。

圖23 整車低溫運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

4.2 實(shí)車經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證

通過對比鋰離子電容器和三元鋰電池在不同SOC下的內(nèi)阻,發(fā)現(xiàn)在50% SOC下,鋰離子電容器的內(nèi)阻比三元鋰電池低9%,而且隨著SOC的升高,這種優(yōu)勢更加明顯。因此,通過WLTC循環(huán)油耗測試來驗(yàn)證內(nèi)阻降低對油耗的影響。圖24顯示了不同電池包溫度下的油耗測試結(jié)果。可以看出,不同電池包溫度下WLTC油耗測試的結(jié)果相似,差異幾乎可以忽略。因此,鋰離子電容器和三元鋰電池內(nèi)阻的差異對油耗的影響很小。

圖24 整車經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

通過對鋰離子電容器的工作特性進(jìn)行研究及搭載整車試驗(yàn),結(jié)果表明,鋰離子電容器具備應(yīng)用于HEV儲能單元的可行性,其主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)同等總能量下,鋰離子電容器包常溫功率性能提升70%以上,滿足當(dāng)前電驅(qū)的功率需求,可解決當(dāng)前電池包充放電功率不足的問題,提升整車的動力性。

(2)鋰離子電容器包在-35 ℃下仍具備8 kW脈沖放電能力,能保證整車正常啟動,并且具備超低溫充電能力,可解決當(dāng)前整車在-30 ℃以下環(huán)境中的蠕行問題。

(3)鋰離子電容器具備更低的內(nèi)阻,但在整車油耗實(shí)驗(yàn)中由于儲能單元內(nèi)阻造成的油耗低,油耗收益不明顯。

(4)從鋰離子電容器的自放電性能來看,28天自放電仍可以控制在3%以內(nèi),滿足HEV對于自放電性能的要求(5%以內(nèi))。

(5)從當(dāng)前的循環(huán)耐久情況來看,采用10 C/10 s的充放電進(jìn)行45 ℃循環(huán)壽命測試,當(dāng)前已運(yùn)行了1.9×104次循環(huán),仍然保持88% SOH,滿足整車≥1.5×104次循環(huán)的使用要求。

所以鋰離子電容器滿足HEV車型對于儲能單元充放電性能、低溫冷啟動性能、安全性能以及循環(huán)耐久性能的提升需求,雖然鋰離子電容器能量密度較低,但其仍然滿足HEV車型的設(shè)計要求,由此鋰離子電容器具備應(yīng)用于HEV車型的可行性,且可有效解決HEV車型當(dāng)前所面臨的問題。