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  • 頭條不同工況下,電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池有怎樣的特性?
    2021-06-22 作者:徐煌、王武 等  |  來源:《電氣技術(shù)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語作者基于電動(dòng)汽車實(shí)際的行駛工況,通過CAN卡總線以及運(yùn)營管理平臺(tái)采集不同環(huán)境條件、不同使用工況下的行車數(shù)據(jù),對鋰離子動(dòng)力電池特性進(jìn)行研究分析,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。

    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。

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

    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)。

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

    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。

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

    圖2 長距離工況下工作電壓與SOC的變化曲線

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

    圖3 山坡工況下工作電壓與SOC的變化曲線

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

    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。

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

    圖5 長距離工況下工作電壓與單體電壓的變化曲線

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

    圖6 山坡工況下工作電壓與單體電壓的變化曲線

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

    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。

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

    圖8 長距離工況下工作電壓與工作電流的變化曲線

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

    圖9 山坡工況下工作電壓與工作電流的變化曲線

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

    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。)

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