本文以國(guó)內(nèi)某公司電動(dòng)汽車的鋰離子電池組為研究對(duì)象，以電池組的單體電池電壓、工作電流和工作電壓等特性為研究?jī)?nèi)容，考察不同環(huán)境條件、不同使用工況下動(dòng)力電池特性參數(shù)的變化特性，采用CAN卡總線以及運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)采集行車數(shù)據(jù)，研究分析動(dòng)力電池主要特性參數(shù)，分析在不同環(huán)境條件、不同使用工況下動(dòng)力蓄電池特性參數(shù)變化影響程度，為今后動(dòng)力電池建模仿真、電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)等應(yīng)用提供了支撐。

一、試驗(yàn)部分1.1 試驗(yàn)對(duì)象與方法本文以一款國(guó)產(chǎn)純電動(dòng)汽車為試驗(yàn)對(duì)象，鋰離子動(dòng)力電池組容量為180Ah，額定電壓為345V，總儲(chǔ)電量為34.5kW·h，最大續(xù)航里程可達(dá)150km。鋰離子動(dòng)力電池運(yùn)行的特征數(shù)據(jù)的采集，不僅可以通過(guò)試驗(yàn)室中對(duì)鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行性能測(cè)試，還可以采用CAN卡總線以及管理平臺(tái)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與采集行車與電池工況的數(shù)據(jù)，采集示意圖如圖1。

圖1 電池的特征數(shù)據(jù)采集示意圖

本文試驗(yàn)主要基于實(shí)際工況，采用CAN卡以及運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)采集電動(dòng)汽車剩余電量、工作總電壓、工作總電流以及最高/最低單體電壓數(shù)據(jù)。利用采集的數(shù)據(jù)判斷電池的工作狀態(tài)，繪制相應(yīng)工作曲線，分析電池性能狀態(tài)，掌握電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰離子電池的特性。 1.2 試驗(yàn)環(huán)境與工況本文在市區(qū)不同道路工況下進(jìn)行試驗(yàn)，分別為長(zhǎng)距離工況、市區(qū)山坡工況以及高峰期堵車工況。

長(zhǎng)距離工況試驗(yàn)主要在市區(qū)車流量較小的平坦路段，以勻速進(jìn)行連續(xù)長(zhǎng)距離行駛。市區(qū)山坡工況試驗(yàn)主要在市區(qū)山坡進(jìn)行連續(xù)爬坡、下坡測(cè)試，山坡的最高海拔高度為74m左右,最高坡度為6.8%。堵車工況試驗(yàn)主要選擇市區(qū)上下班高峰期的時(shí)段，在市區(qū)的主要干道進(jìn)行。 試驗(yàn)時(shí)，環(huán)境溫度范圍為35℃，濕度范圍為30%～90%，試驗(yàn)時(shí)間范圍為45～90min。試驗(yàn)人員按表1的工況駕駛車輛進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)工況

二、結(jié)果與討論采用CAN卡與運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)采集三種不同工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池的特性進(jìn)行分析。 2.1 不同工況對(duì)鋰離子動(dòng)力電池SOC的影響電池組以恒流進(jìn)行連續(xù)放電，其工作電壓會(huì)隨著放電而降低，通常電池組在放電末期都有電壓顯著下降的現(xiàn)象，而且電池模塊的過(guò)放電會(huì)引起模塊性能、不可逆的衰退，從而引起整個(gè)電池組性能和使用壽命的下降。

為了保護(hù)電池，廠家對(duì)同批次的單體電池基本都設(shè)定一個(gè)合理的充放電終止電壓。但在實(shí)際的使用過(guò)程中電池組放電電流倍率范圍寬，電壓變化大，所以在動(dòng)力電池使用過(guò)程中，什么時(shí)候停止放電要根據(jù)電池的剩余容量、一致性和充放電終止電壓等參數(shù)綜合分析。 電池荷電狀態(tài)（State of Charge,SOC）描述了電池的剩余電量，是電池使用過(guò)程中的重要參數(shù)。

荷電狀態(tài)值是個(gè)相對(duì)量，一般用百分比的方式來(lái)表示，SOC的取值為：0~100%。動(dòng)力電池的充放電過(guò)程是個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)變化過(guò)程，SOC受到動(dòng)力電池的基本特征參數(shù)和動(dòng)力電池使用特性因素的影響。 本試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)車行車過(guò)程中采集的工作電壓以及SOC的數(shù)據(jù)，考察不同工況下鋰離子動(dòng)力電池工作電壓及其SOC的影響，為電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(如充放電終止電壓等)提供可靠依據(jù)。圖2-4分別是試驗(yàn)得到的長(zhǎng)距離工況、市區(qū)山坡工況以及高峰期堵車工況下工作電壓與SOC的變化曲線。由圖中可以看出，不同工況的影響下，動(dòng)力電池的工作電壓和SOC的變化趨勢(shì)不同。

圖2 長(zhǎng)距離工況下工作電壓與SOC的變化

圖3 山坡工況下工作電壓與SOC的變化

圖4 堵車工況下工作電壓與SOC的變化 在長(zhǎng)距離工況下，電動(dòng)汽車以勻速在車流量較小的路段行駛，此時(shí)工作電壓波動(dòng)幅度較小，SOC下降較平緩；山坡行駛工況以及堵車工況下，多工作于加減速或剎車制動(dòng)，此時(shí)工作電壓波動(dòng)幅度較大，且當(dāng)SOC低于70%后，動(dòng)力電池SOC有顯著下降趨勢(shì)。 因此綜上可知，市區(qū)山坡工況、高峰期堵車工況對(duì)動(dòng)力電池SOC的影響較長(zhǎng)距離工況的大。

此外，為延長(zhǎng)電池的使用壽命，設(shè)置更具合理的充放電終止電壓很有必要。

2.2 不同工況對(duì)鋰離子動(dòng)力電池組端電壓及其一致性的影響盡管可以將電池組整體看作是單個(gè)高壓電池，但仍需獨(dú)立考慮每個(gè)單體電池的情況。這是由于，單體電池若是與其他電池發(fā)生偏差，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的充放電周期后，其狀態(tài)將會(huì)與其他電池產(chǎn)生嚴(yán)重偏離，從而導(dǎo)致電池組的故障與損壞。

因此，必須對(duì)單體電池進(jìn)行監(jiān)控，以確定其充放電狀態(tài)，保證電池組安全有效的運(yùn)行。本試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)車行車過(guò)程中采集的工作電壓以及單體電壓的數(shù)據(jù)，考察不同工況對(duì)鋰離子動(dòng)力電池單體電壓和工作電壓的影響。 圖5-7分別是試驗(yàn)得到的長(zhǎng)距離工況、市區(qū)山坡工況以及高峰期堵車工況下工作電壓與單體電壓的變化曲線。

圖5 長(zhǎng)距離工況下電壓與單體電壓變化

圖6 山坡工況下電壓與單體電壓的變化

圖7 堵車工況下電壓與單體電壓的變化 由圖中可以看出，四種不同工況下的電池工作電壓變化大體一致，工作電壓的變化范圍在340-360V之間。而對(duì)于單體電池應(yīng)注意的是，當(dāng)單體電壓低于2.5V時(shí)，單體電壓易繼續(xù)下降損壞電池。因此要通過(guò)CAN總線實(shí)時(shí)監(jiān)控單體電壓，對(duì)于低于2.5V的單體電池及時(shí)進(jìn)行調(diào)整或更換。

由圖中可以看出，在四種工況運(yùn)行過(guò)程中，單體電壓的變化范圍在3.2-3.4V之間，各單體電池的電壓差小于0.2V，電壓浮動(dòng)較小，并且各單體電壓均大于2.5V。另外，對(duì)比各圖中的兩個(gè)曲線，可以看出，單體電池電壓的變化趨勢(shì)和工作電壓的變化總體一致。 有學(xué)者將電池組單體相對(duì)電壓差(定義為最高電壓和最低電壓之差和單體標(biāo)稱電壓的百分比)作為衡量其一致性程度的指標(biāo)，進(jìn)一步觀察圖5-7可知，長(zhǎng)距離工況、市區(qū)山坡工況、高峰期堵車工況下電池組的單體相對(duì)電壓差分別為2.9%，3.8%，3.5%，即市區(qū)山坡工況、高峰期堵車工況對(duì)電池組單體電壓(一致性)的影響較長(zhǎng)距離工況的大。為避免電池組的故障與損壞，對(duì)單體電池的電壓進(jìn)行監(jiān)管非常重要。

2.3 不同工況對(duì)鋰離子動(dòng)力電池工作電流的影響由于電池存在一定的內(nèi)阻，當(dāng)電池長(zhǎng)時(shí)間流過(guò)較大的電流時(shí)，電池溫度會(huì)持續(xù)升高，如果不及時(shí)進(jìn)行熱管理，會(huì)嚴(yán)重影響電池的穩(wěn)定性和使用壽命。 此外，Li+在正、負(fù)極的脫嵌能力有限，與之相對(duì)應(yīng)的是鋰離子電池最大允許充放電電流，而電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致極化電壓升高，電池提到達(dá)到截止電壓，影響電池的可用容量，如果電池長(zhǎng)時(shí)間處在電流過(guò)大狀態(tài)還會(huì)導(dǎo)致 Li+的沉積，帶來(lái)安全隱患，因此需要在電池使用過(guò)程中，控制充放電電流在合理范圍內(nèi)。 本試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)車行車過(guò)程中采集的工作電流的數(shù)據(jù)，考察不同工況對(duì)鋰離子動(dòng)力電池工作電流的影響。 圖8-10是不同工況下工作電壓與工作電流的變化曲線。電流為正值時(shí)，動(dòng)力電池放電；當(dāng)電流為負(fù)值時(shí)，動(dòng)力電池充電。從圖中可以看出，工作電流的變化與工作電壓有關(guān)，當(dāng)工作電壓大時(shí)，工作電流低；工作電壓小時(shí)，工作電流大。

圖8 長(zhǎng)距離工況下電壓與電流的變化

圖9 山坡工況下電壓與電流的變化

圖10 堵車下工作電壓與工作電流變化 此外，堵車工況下的工作電流零值與負(fù)值的比例較大，這是由于行車過(guò)程中的剎車制動(dòng)回收能量所致。山坡工況下的工作電流值較長(zhǎng)時(shí)間處在較高的水平上，這是由于此時(shí)試驗(yàn)車工作于加速或爬坡的工況。 而長(zhǎng)距離工況下，由于行駛于市區(qū)車流量較小的平坦路段，工作電流正負(fù)值的變化較為均衡。

綜上可知，市區(qū)山坡工況、高峰期堵車工況對(duì)動(dòng)力電池工作電流的影響較長(zhǎng)距離工況的大。 2.4 不同工況試驗(yàn)研究的改進(jìn)為了對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的性能進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)以及完成電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)等應(yīng)用，建立電動(dòng)汽車動(dòng)力電池特性參數(shù)數(shù)據(jù)模型是必不可少的環(huán)節(jié)。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池特性參數(shù)數(shù)據(jù)建模與仿真研究是通過(guò)電池測(cè)試和積累動(dòng)力電池實(shí)際運(yùn)行特性數(shù)據(jù)，整合關(guān)聯(lián)因素而建立的。

動(dòng)力電池特性參數(shù)模型可描述整車工況與電池工作特性之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并在特定的工況下對(duì)動(dòng)力電池運(yùn)行特性進(jìn)行仿真，且含有運(yùn)用模型分析動(dòng)力電池特性參數(shù)變化規(guī)律的功能，評(píng)價(jià)電池的性能指標(biāo)。 本文主要研究分析動(dòng)力蓄電池主要特性參數(shù)，分析在不同環(huán)境條件、不同使用工況下動(dòng)力電池特性參數(shù)變化影響程度。因此，為了全面描述動(dòng)力電池工作的特性并建立電動(dòng)汽車動(dòng)力電池特性參數(shù)數(shù)據(jù)模型，在試驗(yàn)室中對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行性能測(cè)試十分必要?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)研究動(dòng)力電池工作特性，包括基本充放電特性以及不同倍率、不同溫度條件下的充放電特性等，從而完善建模數(shù)據(jù)。

三、結(jié)論本文以國(guó)內(nèi)某公司電動(dòng)汽車的鋰離子電池組為研究對(duì)象，通過(guò)選取三種常見(jiàn)工況，即長(zhǎng)距離工況、市區(qū)山坡工況、高峰期堵車工況，并在這三種不同工況下對(duì)鋰離子動(dòng)力電池組進(jìn)行試驗(yàn)，研究分析不同工況對(duì)動(dòng)力電池組的SOC、端電壓及其一致性和工作電流的影響，結(jié)果表明： 1．基于國(guó)內(nèi)城市的實(shí)際工況，對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的特性進(jìn)行研究分析，相較于在國(guó)外的典型行駛工況下所得的分析結(jié)果，具有較強(qiáng)的代表性。

2．在長(zhǎng)距離工況下，工作電壓波動(dòng)幅度較小，SOC下降緩慢；在山坡行駛工況以及堵車工況下，工作電壓波動(dòng)幅度較大，SOC下降迅速。SOC是防止動(dòng)力電池過(guò)充和過(guò)放的主要依據(jù)，因此，需要對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，從而延長(zhǎng)電池的使用壽命。

3．不同工況下，單體電池電壓的變化趨勢(shì)和工作電壓的變化總體一致。同時(shí)單體電池電壓的電壓差較小，說(shuō)明電池在三種不同工況下運(yùn)行性能良好。單體電池若是長(zhǎng)期與其他電池發(fā)生偏差，將導(dǎo)致電池組的故障與損壞，并且單體電壓低于2.5V的單體電池衰減迅速，因此為防止對(duì)電池造成不可逆性的傷害，可以通過(guò)CAN總線的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)于低于2.5V的單體電池及時(shí)進(jìn)行調(diào)整或更換。

4．不同工況下，電池的工作電流隨車輛運(yùn)行情況的不同變化較大。為防止工作電流的過(guò)大或過(guò)小給蓄電池帶來(lái)?yè)p害，就必須通過(guò)CAN總線以及管理平臺(tái)對(duì)工作電流進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控。 5．綜合可知，市區(qū)山坡工況、高峰期堵車工況對(duì)動(dòng)力電池組的SOC、端電壓及其一致性以及工作電流的影響都較長(zhǎng)距離工況的大。這是由于長(zhǎng)距離工況下，行駛速度規(guī)律，需求基本平穩(wěn)，因此對(duì)于動(dòng)力電池組的影響較小。反之，則影響較大。

6．為建立更加全面的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池特性參數(shù)數(shù)據(jù)模型，不僅可通過(guò)CAN卡與運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)車聯(lián)網(wǎng)積累動(dòng)力電池運(yùn)行特征數(shù)據(jù)，還要通過(guò)電池試驗(yàn)室對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行性能測(cè)試。 本文的研究積累了運(yùn)行特征數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)際運(yùn)行中不同使用工況下動(dòng)力電池特性參數(shù)的變化特性有了更深的了解，并對(duì)試驗(yàn)研究的進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，為今后動(dòng)力電池建模仿真、電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)等應(yīng)用提供了支撐。

參考：《電氣技術(shù)》，標(biāo)題為“不同工況下的電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池特性研究”，作者為徐煌、王武等。

原文標(biāo)題：不同工況下，電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池有怎樣的特性？

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