在全球范圍，以汽車為主的交通運(yùn)輸行業(yè)消耗了大量石油資源。電動(dòng)汽車具有高效節(jié)能、使用中零排放等顯著優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)保和節(jié)能方面具有不可比擬的優(yōu)勢，發(fā)展電動(dòng)汽車已成為國內(nèi)外的共識(shí)。

隨著電動(dòng)汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用，鋰離子動(dòng)力電池因具有儲(chǔ)能效率高、壽命長、對環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，成為車載動(dòng)力電池的代表。目前，國內(nèi)學(xué)者對動(dòng)力電池特性的相關(guān)研究主要圍繞發(fā)達(dá)國家的典型工況展開。

有學(xué)者提出了基于北京純電動(dòng)公交車行駛過程中功率分布情況的動(dòng)態(tài)測試工況以及動(dòng)力電池壽命測試行駛工況的研究。

有學(xué)者提出基于歐美典型的城市循環(huán)工況，電動(dòng)汽車蓄電池組SOC的評價(jià)方法、放電測試以及循環(huán)特性的研究，然而這些研究未能較好地貼合我國的實(shí)際道路工況，且目前國內(nèi)對動(dòng)力電池性能的研究和評價(jià)尚處于較初級階段。

因此，研究基于實(shí)際工況下的鋰離子動(dòng)力電池特性對于深入了解動(dòng)力電池的實(shí)際工作特性以及完善電動(dòng)汽車動(dòng)力電池主要特性參數(shù)數(shù)據(jù)庫與模型具有重要意義。

本文以國內(nèi)某公司電動(dòng)汽車的鋰離子電池組為研究對象，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內(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。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)對象與方法

本文以一款國產(chǎn)純電動(dòng)汽車為試驗(yàn)對象，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，不僅可以通過試驗(yàn)室中對鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行性能測試，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 鋰離子動(dòng)力電池的特征數(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)，分別為長距離工況、市區(qū)山坡工況以及高峰期堵車工況。

長距離工況試驗(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

2 結(jié)果與討論

采用CAN卡與運(yùn)營管理平臺(tái)采集三種不同工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對電動(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，是電池使用過程中的重要參數(shù)。荷電狀態(tài)值是個(gè)相對量，一般用百分比的方式來表示，SOC的取值為：0~100%。動(dòng)力電池的充放電過程是個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)變化過程，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的變化趨勢不同。

在長距離工況下，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。

因此綜上可知，市區(qū)山坡工況、高峰期堵車工況對動(dòng)力電池SOC的影響較長距離工況的大。此外，為延長電池的使用壽命，設(shè)置更具合理的充放電終止電壓很有必要。

圖2 長距離工況下工作電壓與SOC的變化曲線

圖3 山坡工況下工作電壓與SOC的變化曲線

圖4 堵車工況下工作電壓與SOC的變化曲線

2.2 不同工況對鋰離子動(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)過長期的充放電周期后，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。

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CAN總線實(shí)時(shí)監(jiān)控單體電壓，對于低于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和工作電壓的變化總體一致。

有學(xué)者將電池組單體相對電壓差(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、高峰期堵車工況對電池組單體電壓(一致性)的影響較長距離工況的大。為避免電池組的故障與損壞，對單體電池的電壓進(jìn)行監(jiān)管非常重要。

圖5 長距離工況下工作電壓與單體電壓的變化曲線

圖6 山坡工況下工作電壓與單體電壓的變化曲線

圖7 堵車工況下工作電壓與單體電壓的變化曲線

2.3 不同工況對鋰離子動(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)電池長時(shí)間流過較大的電流時(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，與之相對應(yīng)的是鋰離子電池最大允許充放電電流，而電流過大會(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，如果電池長時(shí)間處在電流過大狀態(tài)還會(huì)導(dǎo)致 Li+的沉積，帶來安全隱患，因此需要在電池使用過程中，控制充放電電流在合理范圍內(nèi)。

本試驗(yàn)根據(jù)試驗(yàn)車行車過程中采集的工作電流的數(shù)據(jù)，考察不同工況對鋰離子動(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。

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、高峰期堵車工況對動(dòng)力電池工作電流的影響較長距離工況的大。

圖8 長距離工況下工作電壓與工作電流的變化曲線

圖9 山坡工況下工作電壓與工作電流的變化曲線

圖10 堵車工況下工作電壓與工作電流的變化曲線

2.4 不同工況試驗(yàn)研究的改進(jìn)

為了對電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的性能進(jìn)行合理的評價(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電池測試和積累動(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)室中對動(dòng)力電池進(jìn)行性能測試十分必要。可以通過實(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)。

3 結(jié)論

本文以國內(nèi)某公司電動(dòng)汽車的鋰離子電池組為研究對象，通過選取三種常見工況，即長距離工況、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鋰離子動(dòng)力電池組進(jìn)行試驗(yàn)，研究分析不同工況對動(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．基于國內(nèi)城市的實(shí)際工況，對電動(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)力電池過充和過放的主要依據(jù)，因此，需要對電池管理系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，從而延長電池的使用壽命。

3．不同工況下，單體電池電壓的變化趨勢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，因此為防止對電池造成不可逆性的傷害，可以通過CAN總線的實(shí)時(shí)監(jiān)控，對于低于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大或過小給蓄電池帶來損害，就必須通過CAN總線以及管理平臺(tái)對工作電流進(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距離工況的大。

這是由于長距離工況下，行駛速度規(guī)律，需求基本平穩(wěn)，因此對于動(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CAN卡與運(yùn)營管理平臺(tái)車聯(lián)網(wǎng)積累動(dòng)力電池運(yùn)行特征數(shù)據(jù)，還要通過電池試驗(yàn)室對動(dòng)力電池進(jìn)行性能測試。

本文的研究積累了運(yùn)行特征數(shù)據(jù)，對實(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。

（編自《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。）