电动轿车锰酸锂电池寿数的研讨

前言

作为混合动力车辆的车载能源，锂离子电池的性能是车辆重要的参数之一。混合动力城市客车关于电池的要求很高，因其起停和加减速工况占总工况的很大一部分，电池工作电流区间跨度大，且电流改动率也十分大，这无疑会缩短电池寿数;而混合动力城市客车行进特性则要求电池具有良好的寿数，以保证其经济效益。所以，关于车用电池运用寿数的研讨很有现实意义。国内外学者关于混合动力车用电池寿数的研讨主要在两个方面:一是锂离子电池循环寿数测验，包含剖析影响电池寿数的要素等［1－4］;二是电池寿数猜测模型的树立［5－6］。研讨成果显示，锂离子电池在55℃的环境下存储之后容量衰减加剧，表明高温下的工况测验对电池寿数的影响更大［7］。目前对锂离子电池的研讨更多的是围绕单体电池进行的，而对单体电池成组之后的寿数研讨较少。但电池成组对电池寿数有必定的影响，比方本来能够充溢的单体电池成组后只能充入单体电池容量的95%［8］。本文中根据北京市混合动力城市客车的实践运行数据提取出一个电池充放电循环，作为电池运用寿数实验研讨的工况，然后进行电池循环寿数实验，评价了锰酸锂电池的寿数;剖析了影响电池运用寿数的要素，提出了合理的电池运行工况。经过电池寿数强化实验，可得到不同应力水平下电池寿数衰减的联系，给出了在大的应力水平下进行电池寿数实验和缩短实验时刻的办法。

1车用锰酸锂电池寿数实验的介绍

1.1电池寿数实验研讨渠道电池运用寿数实验研讨渠道包含电池实验台、主控计算机体系和动力电池等，如图1所示。研讨目标为某型号车用锰酸锂电池组，其主要参数见表1。电池组中各单体电池摆放次序见图2。电池实验台是美国Arbin公司出产的专业电池测验仪器，该仪器可对电池以恒流、恒压或许恒功率等手段充放电，并可进行工况测验。电池运行时的各种数据由电池管理体系收集，经过CAN总线和主控计算机实现通信，以监控实验状况，并记载数据。

1.2电池寿数的实验办法

1.2.1电池充放电工况循环的拟定实验用的同型号电池搭载在混合动力客车上，在北京的某线路上进行了4000km的测验。剖析实验进程数据可知，电池在运行进程中重要的3个参数:电压和SOC改动不大;电流的改动十分剧烈。最大充电电流到达120A，最大放电电流到达150A。所以，车辆关于电池体系的实践功率需求是随电流改动而改动的，在拟定电池充放电工况循环时，可默许电压被约束在某一个固定值邻近，而电流值的改动则对应了电池功率的改动。工况的时长是5min，如图3所示。工况提取的操作如下。(1)将充电电流从0到最大值等分成10个区间，计算落在各个区间的电流均匀值和电流持续时刻占总时刻的份额。(2)将放电电流从0到最大值等分成10个区间，计算落在各个区间的电流均匀值和电流持续时刻占总时刻的份额。(3)计算电流为0的持续时刻占总时刻的份额。(4)工况各脉冲电流值便是步骤(1)和(2)中的均匀值，电流持续时刻份额保持不变。(5)选用充电、静止和放电循环的步骤构成脉冲序列，充放电电流顺次增大。因为工况参数都是混合动力客车运行时实测数据的均匀值，该工况循环在很大程度上能模仿真实道路上电池的工作状况。

1.2.2实验办法工况循环实验共进行了5000个循环的测验，每个循环时长5min。每1000个循环之后进行1次电池全容量充放电，丈量电池的容量。丈量电池容量时参照轿车行业标准《电动轿车用锂离子蓄电池(QC/T743—2006)》，测定电池容量的流程见图4(电压判别标准是均匀单体电池电压到达极值，I3=5.33A)。

2锂离子电池寿数的初步评价

一般以为当电池容量衰减至额外容量的80%以下时［1］，电池不再适合动力体系或整车的需求，实验参阅QC/T743—2006国家标准，也以电池容量衰减为额外容量的80%作为电池寿数终结的标志。电池寿数一般都是经过强化实验来缩短实验时刻，可是强化实验须知道各种应力水平下的电池寿数实验成果的联系，这十分复杂。而如果给电池施加的电流应力水平是其工作时的水平，实验将会持续十分长的时刻，相同不行取。在本文中，电池寿数实验采取了实验加模仿的办法，经过部分实验得到电池容量的衰减状况，模仿出电池容量衰减曲线，然后计算出电池的寿数值。电池每1000个循环后的容量丈量成果见表2。从表2中第3栏的数据可见，与前面的4个1000循环比较，第5个1000循环的电池容量衰减率显着添加，显示出必定异常。在监测电池单体电压的进程中发现，4000个循环之后，电池组中24号单体电池出现电压显着下降的问题，并且跟着实验的进行，它与其他电池的电压差距越来越大，因而断定是因为24号单体电池过度亏电导致电池组衰减速率加快。图5为5000个循环之后全容量放电时，24号单体电池与其他单体的电压曲线对比。为消除因24号单体电池原因构成电池组容量衰减速率的加快，在进行数值拟合时，舍去了5000循环后的数据，别离进行1阶以及2阶的拟合，并将其外推，来猜测电池寿数，成果如图6所示。电池失效时的容量为标称容量的80%，即12.8A•h，按1阶拟合成果，电池能够运用21450个循环，折合时刻为1787.5h。以混合动力客车实车数据计算得到的客车均匀速度为18km/h计算，在电池失效前，车辆可行进3.22万km;按2阶拟合成果，电池可运用15410个循环，折合1284.2h，行进路程为2.31万km。对比这两种拟合办法，2阶拟合成果更挨近跟着电池运用时刻延伸容量衰减率加快的实践状况。

3温度和单体电池的一致性对电池寿数的影响

3.1温度对电池寿数的影响电池在工作时会伴跟着电极和电解液的分化，锂离子也会在电极上沉积构成氧化物，这些反响导致了电池容量的减小。而温度和反响速率存在如下联系［9］。式中:K为电极衰减反响速率，mol/s;Ea为反响的活化能，kJ/mol;R为气体常数，R=8.31451J/kmol;T为温度，K;B为频率因子，A/(mol•s)。可见温度关于电池寿数有很重要的影响，表3为单体电池最高温度和容量衰减率之间的联系。从表3可知，在实验的不同阶段，操控实验中的单体电池最高温度略有不同，则电池的容量衰减率也不一样。跟着单体最高温度的升高。容量衰减率也呈上升趋势。

3.2单体电池一致性对电池寿数的影响因为出产流程和工艺等方面的原因，单体电池间容量等参数会出现细微的不同，但运用环境会加大这种不一致性。因电池风道规划的缺点，电池中的某些单体电池一直要比其他单体电池的温度高很多。这种温度的不一致性主要经过内阻的不一致来影响电池寿数。因为不同的单体电池温度会导致其内阻不一样，这样单体电池的电压也就不同。在整个实验进程(包含工况循环实验及下文所述的强化实验和容量弥补实验)中，一共进行了17次充放电，依照时刻先后次序标明为实验1～17号。对电池进行容量测验时的开始放电和开始充电电压数据进行剖析，发现它们跟着实验的进行呈现出必定的规则，如图7和图8所示。从图7和图8可见，跟着实验的进行，电池的开始充电电压越来越大，开始放电电压越来越小，说明每次电池在全容量充放电的进程中，充入的电量变少，且放出的电量更少，即电池的容量在逐步减小。剖析实验中电池充放电电压规模变小的原因可知，在充电进程中，某些单体电池的电压高于其他单体电池，当其电压到达4.2V时，很多单体电池的电压仍未到达4.2V，这导致后续放电电压下降;在放电进程中，某些单体电池的电压远低于其他单体电池，当其电压降至3.0V时，仍有很多单体电池的电压大于3.0V，这导致后续充电电压升高。跟着实验的进行，单体电池的电压差距在增大，充放电电压规模就逐步减小了。所以在电池工作时要保证每个单体电池不过充过放，每个单体最大电压不超越4.2V，最小电压不小于3.0V。单体电池的电压不一致还会构成充放电进程中的部分单体电池过充和过放，损坏单体电池。在实验中，24号单体电池因为过度放电导致其电压下降，进而影响了整个电池组的寿数。

4电池寿数强化实验

4.1电池寿数强化实验办法电池的强化实验就是对电池选用一些比较严苛的实验条件，比方大电流、宽SOC规模充放电和电池处在较高的温度劣等。这些极点的状况，会导致电池容量衰减加快，然后缩短电池寿数实验的时刻。通常状况下，还须寻找这些极点状况实验和一般工况实验之间的联系，及二者关于电池影响之间的换算系数，然后可由强化实验的成果推导出电池在一般工况实验下的成果。把各种参数简化为对电池的作用应力值，电池强化实验的基本思路就是利用高应力水平下的寿数特征去推导出正常应力水平下的寿数特征，所以应先研讨应力值和容量衰减率之间的联系。此次实验选取了电池充放电电流和电池SOC规模两个应力条件。首先，别离计算了实车实验数据中充电和放电电流的均匀值，充电电流为40.71A，放电电流为35.43A。为考查两个要素对电池寿数的影响，选用操控变量法进行实验。选定两种不同电流应力水平，第一种是以80A电流充电，70A电流放电;第二种是以120A电流充电，105A电流放电。考虑到SOC在实验仪器中不行操控，以电压规模替代SOC规模，第一种是从320～400V;第二种是从340～380V。用操控变量法一共要进行4组实验，见表4。实验时每一应力水平下，进行屡次充放电循环，之后进行一次全容量放电，测定该时刻的电池放电容量，计算这一循环进程的容量衰减率。为提高实验精度，选用了屡次丈量取均匀值的办法。

4.2实验的成果剖析将电池容量衰减状况列于表5中。可求得不同组其他容量衰减率:第1组为2.52×10－2A•h/h;第2组为0.108A•h/h;第3组为2.06×10－2A•h/h;第4组为0.114A•h/h。强化实验之前的工况循环实验按其均匀容量衰减率为0.16A•h/103cycle计算，每个循环时刻为5min，容量衰减速率换算为1.92×10－3A•h/h。剖析实验成果，可得到的规则如下。(1)关于相同的电压改动规模，大电流强度容量衰减率远大于小电流强度。(2)关于相同的电流强度，不同电压规模应该是电压规模越大，容量衰减率越大。可是实验成果没有看出显着的规则。工况循环的电压改动规模一般在350～390V，从之前得到的数据来看，电压规模改动对容量衰减率改动的影响远不及电流强度改动的影响，因而本文中只考虑电流强度的影响。如果别离设工况循环电流强度和容量衰减率为x和y，则第1、3组强化实验电流强度应力水平为2x，第2、4组强化实验电流强度应力水平为3x;第1、3组强化实验容量衰减率为11.93y;第2、4组强化实验容量衰减率为57.81y。令P为强化实验电池电流强度和工况循环电流强度之比，C为强化实验电池容量衰减率和工况循环下电池容量衰减率之比。在P=1时，lnC=0的约束条件下进行2阶拟合，得到图9的曲线。拟合方程式为lnC=－0.4505P2+3.8305P－3.38(2)这样若得知电流强度为I2的强化实验条件下的容量衰减率为ΔC2时，则可按下式求得电流强度为I1的正常工况循环下的容量衰减率ΔC1。ln(ΔC2/ΔC1)=－0.4505(I2/I1)2+3.8308(I2/I1)－3.38(3)温度关于容量衰减的影响是不能忽略的，可是因为短少相关的实验设备，温度部分的工作暂时未能进行，因而上述有关强化实验的定论有待今后进一步完善。

5定论

(1)所选用的工况循环测验办法能更真实地体现电池的实践工作状况，实验测得的电池循环寿数更加挨近电池在实车环境中的寿数。(2)温度升高虽然会使容量有所上升，可是容量衰减率大大添加，导致了电池寿数的缩短。(3)单体电池不一致性导致容量测验时，开始充电电压增大，开始放电电压减小，然后导致电池能够释放的电量削减，使电池寿数缩短。(4)电池强化实验表明，电流强度是影响电池寿数的主要要素，由大的电流强度下的实验成果可推导出小的电流强度下的实验成果，为缩短电池寿数实验时刻提供了依据。