新能源汽車在高溫工況下電池性能的研究

朱紅 葉明

摘 要：純電動汽車較傳統(tǒng)汽車在使用過程中，由于鋰離子電池自身的化學(xué)特性，對溫度較為敏感。在較低或較高溫度下，可輸出功率較常溫下有所降低。且在溫度閾值之外，考慮安全等因素，嚴禁使用。這就極大的限制了純電動汽車的應(yīng)用。降低了用戶的體驗。而在產(chǎn)品設(shè)計之初，通過整車仿真模擬不同工況及需求功率，搭建臺架實驗進行摸底驗證。保證產(chǎn)品的可靠性。

關(guān)鍵詞：整車工況;快充;需求功率;溫升

1 引言

近年來，我國新能源純電動汽車發(fā)展迅速，鋰離子電池作為純電動汽車唯一動力源。其電池性能與整車性能息息相關(guān)。由于鋰離子電池在充放電過程涉及化學(xué)反應(yīng)[1，2]，不同的溫度對反應(yīng)影響巨大，外在表現(xiàn)電池系統(tǒng)輸出的功率及充電電流大小受溫度影響較大。故在不同的溫度條件下也影響著整車的動力性和可靠耐久性。本文主要從模擬用戶使用習(xí)慣，通過整車模擬仿真提供兩種極端工況，在進行產(chǎn)品設(shè)計時進行摸底驗證，為后續(xù)量產(chǎn)車滿足用戶的日常使用需求提供了有力的依據(jù)。

2 實驗設(shè)計

2.1 實驗對象

三元鋰離子電池單體、電池系統(tǒng)（1P96S）。電池單體額定容量為100Ah，充電最高電壓保護值為4.25 V，充電最低電壓保護值為2.8 V; 電池系統(tǒng)工作溫度：-20～55℃。

實驗設(shè)備：高低溫交變濕熱試驗箱（漢克），型號：ATH-F2-80;迪卡龍充放電設(shè)備，型號：EVT300-0600-80kW IGBT;直流充電樁;型號：VPS750160/15K。

2.2 實驗方法

工況一（高速1+快充+高速2）：

（1）工作模式：電池系統(tǒng)處于放電模式;（2）在25℃環(huán)境下靜置大于30min，且電池組系統(tǒng)檢測的平均溫度在25℃±2℃范圍;（3）電池系統(tǒng)按照階梯充電方式充滿;（4）在40℃環(huán)境下放置大于6h，且電池組系統(tǒng)檢測的平均溫度在40℃±2℃范圍（且各溫度點溫度在38～42℃范圍內(nèi)）;（5）以19kW恒功率放電至30%SOC;（6）連接快充樁快充電至80%SOC;（7）以19kW恒功率放電至30%SOC。

工況二（坡度3%高速）：

（1）工作模式：電池系統(tǒng)處于放電模式;（2）在25℃環(huán)境下靜置大于30min，且電池組系統(tǒng)檢測的平均溫度在25℃±2℃范圍;（3）電池系統(tǒng)按照階梯充電方式充滿;（4）在40℃環(huán)境下放置大于6h，且電池組系統(tǒng)檢測的平均溫度在40℃±2℃范圍（且各溫度點溫度在38～42℃范圍內(nèi)）;（5）以29kW恒功率放電至30%SOC。

3 結(jié)果與分析

如表1，為整車輸入的兩種極端工況。工況1為高速1+快充+高速2極端工況，模擬用戶以100km/h（整車輪轂實驗仿真需求功率為19kw）的車速由滿電行駛至充電指示燈亮，然后連接快充樁，充至80%SOC，后繼續(xù)以100km/h車速行駛至充電指示燈亮。在此連續(xù)工況放電中電池系統(tǒng)最高單體溫度需小于55℃，則表明電池系統(tǒng)可滿足整車需求。如圖1，為臺架摸底試驗中不同階段電池內(nèi)部單體溫升變化，第一階段高速1工況中，放電截止T1max=44℃;第二階段快充過程，T2max=50℃;第三階段高速2工況中，截止溫度T3max=51℃;小于電池系統(tǒng)最高溫度保護點55℃，滿足整車需求。且從圖2過程數(shù)據(jù)曲線可以看出，第二階段快充部分電流與SOC關(guān)系滿足電池快充參數(shù)及軟件策略，進一步驗證了軟件功能。

如表1中第二種工況，整車以3%坡度滿載進行持續(xù)放電至充電指示燈，通過整車輪轂實驗，仿真出需求功率為29kw。通過電池臺架實驗以29kw進行恒功率放電，如圖3，為工況2實驗結(jié)果，從曲線可以看出，在維持29kw放電至30%SOC時，電池系統(tǒng)最高溫度為47℃，滿足電池系統(tǒng)溫度閾值（≤55℃）要求。

4 結(jié)語

電池系統(tǒng)在整車高速1—快充—高速2工況下，以19kW恒功率放電至30%SOC —快充至80%SOC—19kW恒功率放電至30%SOC截止時，過程最高溫度51℃，小于電池最高溫度保護點55℃。在整車高速爬坡工況下，以29kW恒功率放電至30%SOC截止時，電池系統(tǒng)最高溫度47℃，小于電池最高溫度保護點55℃。

通過模擬兩種整車使用過程中兩種可能的極端工況來驗證電池性能，從設(shè)計之初避免因惡劣工況下的使用等原因造成的溫升，從而造成整車限功率，避免了客戶抱怨，提高整車質(zhì)量。

參考文獻：

[1] SATO N，YAGI K.Thermal behavior analysis of nickel metal hydride batteries for electric vehicles [J].JSAE Review，2000，21（2）：205-211.

[2] 李奇，楊朗，楊暉.鋰離子電池在循環(huán)過程中的產(chǎn)熱研究[J].電源技術(shù)，2008，32（9）：606-610.