HEV用动力蓄电池的最大充放电性能

作者简介:
田 硕(1981-),男,北京人,清华大学汽车安全与节能国家重点实验室博士生,研究方向:混合动力和电子控制,本文联系人;
李 哲(1985-),男,江苏人,清华大学汽车安全与节能国家重点实验室博士生,研究方向:动力电池;卢兰光(1967-),男,广西人,清华大学汽车安全与节能国家重点实验室讲师,博士,研究方向:燃料电池;
欧阳明高(1958-),男,湖北人,清华大学汽车安全与节能国家重点实验室教授,博士生导师,研究方向:混合动力汽车。

HEV 用动力蓄电池的最大充放电性能
田 硕,李 哲,卢兰光,欧阳明高
(清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京 100084)
摘要:结合动力蓄电池在混合动力汽车(H EV )上的应用特点,分析了最大充放电性能的影响因素和描述方法,并使用车辆在城市和高速道路上的运行情况统计数据设计了新的实验程序,包括长持续期(30s)和短持续期(10s)两部分。

对Opt ima D34型12V 55Ah V RLA 电池进行的实验结果表明,长短持续期的充放电性能相差很大。

对于HEV,应将长持续期和短持续期性能区分对待。

关键词:混合动力汽车(H EV ); VRL A 蓄电池; 最大充放电性能
中图分类号:T M 912 1 文献标识码:A 文章编号:1001-1579(2008)01-0027-04
The maximal ch arge d ischarge performance of power storage b attery in H EV
T IAN Shuo,LI Zhe,LU Lan guang,OU YANG M ing gao
(State K e y Labor atory of A utomotive Energy and Sa f ety ,T singhua Univer sity ,Beij ing 100084,China)
Abstract:Based on the applicatio n character istics of pow er storage battery in hybrid electric vehicle (HEV ),the influencing
factors and describing methods of the maximal charg e discharg e performance were analyzed N ew ex perimental procedures were designed by t he vehicle operation statistical data both in ur ban and highway T he procedur es included long duration (30s)test and short duration (10s)test T he ex perimental results of O ptima D34type 12V 55Ah V RLA batteries sho wed that the charge discharge performance of the long and short duration tests w as quite different T he performance of long and sho rt dur at ion should be different iated to HEV
Key words:hybrid electric vehicle (HEV ); VRL A storage battery; the maximal charge discharge performance
混合动力汽车(HEV )用蓄电池需要在充放电过程中保证电池的端电压在工作电压区间内。

工作电压区间由电池厂家给出的保障电池健康工作的电压区间和在应用中与电池直接并联的其他电气设备的最小工作电压区间决定。

为了充分利用电池的性能,通常在设计中保证后者大于前者,使电池的健康工作电压区间完全得到利用。

众多的车用蓄电池测试标准
[1-5]
,均通过功率密度的测
试来描述最大充放电性能,在功率密度的测试过程中并不对电池的端电压进行限制。

这样得到的功率密度指标不能反映电池在具体应用上的最大充放电性能。

P NG V 电池测试手册[4]中,虽考虑了工作电压区间的范围限制,但提及的最大充放电电流指标是利用电压边界条件和电阻值计算得到的,并不是实测值。

此计算方法有效的前提是电池的电流 电压响应具备线性特征。

文献[6-8]中给出的实验结果,均说明一些不具备此条件的M H/N i 电池和铅酸电池,呈现出了很强的非线性特征,计算结果和实测值存在较大误差。

鉴于上述问题,本文作者认为在系统设计和实时控制中所需的电池的最大充放电性能,并不能通过电池的测试报告直接获得,需要由电池的使用者自行获得。

除在一些设计实例和控制算法[9]中给出的测试结果外,本文作者还未发现针对电池的最大充放电性能实验方法的报道。

本文作者分析了影响电池最大充放电性能的主要因素,给出了描述方法,参考现有的测试标准,针对HEV 的应用,设计了实验方法,并对实验结果进行了分析。

第38卷 第1期2008年 2月电 池BAT T ERY BI MO NT HL Y Vol 38,No 1Feb ,2008
1 影响因素
最大充放电性能描述了电池在一定时间持续期内,端电压在一定范围内的最大连续充放电的能力,可以表示为最大充放电电流或最大充放电功率,主要在电池的设计阶段确定。

电池的最大充放电性能在使用阶段主要受电池的荷电状态(SOC)、温度(t )和健康状态(SOH)等因素影响。

I d ischg,max =f (Dur,U low ,SOC,Rest,t ,SOH)I chg,max =f (Dur,U high ,SOC,R est ,t ,SOH)(1)P d ischg,max =f (Dur,U low ,SO C,Rest,t ,SOH)P chg,max =f (Dur,U high ,SOC,R est ,t ,SOH)
(2)
式(1)和式(2)分别给出了以电流和功率为指标的描述方法,其中下标dischg 和chg 分别表示放电能力和充电能力,Dur 表示放电持续期,U low 表示电池的放电终止电压(即电池的工作电压下限),U high 表示充电截止电压(即电池的工作电压上限),Rest 表示恢复程度。

1 1 指标的选择
指标的选择直接决定了实验方法。

如果选择电流作为指标,则需要测量电池在一定时间持续期内的最大恒流充放电电流,进行恒流充放电;同样,如果选择功率作为指标,则需要进行恒功率充放电。

对于HEV 应用而言,在车辆急加速/制动过程中,电机通常工作在峰值恒功率模式,使用功率作为指标更符合实际情况。

在充放电过程中,电池的电压变化不大,因此恒功率和恒流模式的差异不大,也可以选择电流作为指标。

1 2 时间持续期
时间持续期是电池需要在最大充放电电流(或功率)下保持的时间,直接对应了车辆急加速或急制动过程需要保持的时间。

时间持续期越长,最大充放电电流(或功率)越小。

JEVS D 703-1994测试标准[1]
要求的充放电持续期均
为5s 。

P NGV 电池测试手册
[4]
依据混合动力构型进行了不
同的要求。

功率辅助构型(并联构型)的放电持续期为18s,充电持续期为2s 。

双模式构型(串联、混联构型)的放电持续期为12s,充电持续期为10s 。

国家863镍氢测试手册[5]所规定的放电持续期为10s,充电持续期为60s 。

文献[10]中建议的持续期为30s 。

从直方图(见图1)可知,急加速过程(对应电池放电)的
持续时间在城市路况中为10s 左右,但在高速路况中出现了25s 的长时间急加速过程。

制动过程(对应电池充电)的持续时间在城市路况中为5~10s,但在高速路况下出现了33s 的长时间急制动过程。

为了全面考虑车辆在城市路况和高速路况下的行驶情况,充放电实验均分别进行长期(30s)测试和短期(10s)测试。

1 3 工作电压范围
电池的实际工作电压范围是电池的健康工作电压范围和总线电压范围的交集。

工作电压范围越宽,相同时间持续
期下能达到的最大充放电电流(或功率)就越大。

图1 急加速、制动过程的持续时间统计
F ig 1 Duration statist ics o f hard acceleration and deceleration
电池厂家通常给出能够保障电池寿命的端电压区间,如文献[11]给出的O ptima 55Ah 12V V RLA 电池模块的放电终止电压U low =10V ,充电截止电压U high =15V 。

H EV 用蓄电池在大功率充放电过程中,如果电压超出此范围,应立即停止充放电,否则会减少电池的寿命,甚至对电池造成永久性损伤。

1 4 SO C
随着SOC 的减少,电池的最大放电性能降低,最大充电性能提高。

电池的性能实验需要在SOC 变化范围(通常为20%~70%)内选取多个SOC 点进行测试。

1 5 恢复程度
经过充分静置的电池和刚结束大电流充放电的电池,最大充放电性能相差很大,即随着电池的充分静置恢复,电池的最大充放电性能增强。

电池的恢复程度可以用当前的开路电压(OCV)和稳定后的OCV 之差进行描述(见图2),随着恢复时间的增加,电池的O CV 增加,直至达到稳定。

图2 电池的OCV 恢复过程
Fig 2 T he recovery pr ocess of OCV of battery 文献[4]中要求在1h 的静置恢复后开始测试,而文献[5]则要求在1C 放电6min 后直接开始测试。

在车辆行驶过程中,急加速和急减速间隔发生,在城市路况下两者间隔的时间约为30s~2min 。

实验设计应尽量使电池的恢复状态接近实际车辆运行中电池的恢复状态。

文献[10]中建议的恢复时间为1min 。

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电 池BAT T ERY BI MO NT HL Y
第38卷
1 6 温度
最大充放电过程会造成电池的温度升高。

当电池的温度较高时,温度就成为最大充放电性能的主要约束条件。

应通过电池的高温实验(表面温度约50 ),确定在高温状态下电池所允许的最大充放电电流(或功率)。

1 7 健康状态
电池由于频繁使用而老化后,充放电性能会衰退。

应对老化电池进行实验,以便了解电池的最大充放电能力的衰减程度,从而用于制定电池的老化失效准则。

2 实验的设计
根据上述影响因素,设计了下列最大充放电性能实验。

实验样本可以为电池单体、模块或模块组。

为了消除个体的差异和测量的误差,应对多个样本进行多次实验,取平均值。

实验前,需要确定下列实验参数。

a 指标:根据实验设备选择电流或功率;
b 电压工作范围[U low ,U high ]:根据电池手册和总线电压范围确定;
c SOC 测量范围[SOC low ,SOC high ]:根据电池在应用中SOC 的变化范围确定;
d 恢复时间t rest :根据车辆路况和控制算法确定,一般在30s~2min 范围内比较合适。

正式实验前需预实验,为正式实验确定实验参数。

充电性能预实验:将电池充满电后,放电,调整电池的SOC 至SOC high ;静置t rest ;恒压充电30s,控制电池的路端电压为U high ,记录电流(或功率)变化曲线;放电,调整电池的SOC 至下一个SOC 测试点;重复上述步骤,至电池的SOC 降至SO C low 。

放电性能预实验:将电池放空,充电,调整SO C 至SOC low ;静置t rest ;恒压放电30s,控制路端电压为U low ,记录电流(或功率)变化曲线;充电,调整电池的SO C 至下一个SOC 测试点;重复上述步骤,至电池的SOC 升至SOC high 。

根据测得的恒压充放电曲线(见图3),估测电池在此SOC 下的10s 和30s 最大充放电电流(或功率)。

图3 预充电实验曲线 Fig 3 T he precharge test curve 常温实验:在室温(20~30 )下进行实验。

高温实验:将电池放置在恒温环境下进行测试,温度设定根据电池手册或应用情况确定。

实验步骤与常温实验基本相同,应保证电池的表面温度不超过最高允许值,否则需减少充放电电流(或功率),重新进行实验,直至温度满足条件。

老化电池实验:选择一些已经老化的电池进行实验,步骤与常温实验的相同。

2 1 最大充电性能实验2 1 1 10s 充电性能实验
将电池充满电后,放电,调整电池SOC 至SO C high ;!静置t rest ;
∀根据预充电得到的I chg,max 为10s,SOC 进行恒流(或恒功率)充电,如果充电过程中的电压超过U high ,或充电时间超过15s,则立即停止充电,记录充电时间;如果充电时间在5~15s 内,则认为结果有效;如果充电时间>15s,则在此SOC 点的下次实验时提高充电电流(或功率);如果充电时间<5s,则应减小电流(或功率);
#放电,调整电池的SOC 至下一个SOC 测试点,重复步骤!~#,至电池的SOC 降至SOC low ;
∃重复步骤 ~#,至所有SOC 点的结果有效。

2 1 2 30s 充电性能实验
步骤同10s 充电性能实验,将其中的5s 、10s 和15s 分别替换为25s 、30s 和40s 。

2 2 最大放电性能实验2 2 1 10s 放电性能实验
将电池放空后,充电,调整电池的SOC 至SO C low ;!静置t rest ;
∀根据预放电得到的I d ischg,max 为10s,SOC 进行恒流(或恒功率)放电,如果放电过程中的电压低于U low ,或放电时间超过15s,则立即停止放电,记录放电时间;如果放电时间在5~15s 内,则认为结果有效;如果放电时间>15s,则在此SOC 点的下次实验时提高放电电流(或功率);如果放电时间<5s,则应减小电流(或功率);
#充电,调整电池的SOC 至下一个SOC 测试点,重复步骤!~#,至电池的SOC 升至SOC high ;
∃重复步骤 ~#,至所有的SOC 点结果有效。

2 2 2 30s 放电性能实验
步骤同10s 放电性能实验,将其中的5s 、10s 和15s 分别替换为25s 、30s 和40s 。

3 结果与讨论
采用以上设计的实验过程,对1只Optima D34型12V 55Ah V RLA 电池模块(美国产)进行了最大充放电性能实验。

实验设备为:放电采用T EG 电子负载(湖南产),最大电流250A;充电采用DCDC 变换器(北京产),最大电流150A ;数据采集采用Dewetron 5000数据采集仪(奥地利产),采样周期0 05s 。

实验参数为:[U low ,U high ]=[10V ,15V ];
[SO C low ,SOC high ]=[20%,80%];t r est =1min 。

由于实验条件的限制,只进行了常温实验。

最大充放电性能实验的结果如图4所示。

受实验设备所限,本次实验结果的最大放电电流只能测量到250A,最大充电电流只能测量到150A,曲线不能完全覆盖SO C 范围。

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第1期
田 硕,等:HEV 用动力蓄电池的最大充放电性能
图4 Optima D34型55A h V RLA 电池充放电实验的结果F ig 4 T he charge discharge test results of O ptima D34type
55Ah V RLA batter y
从结果可以看出,在所测量的OCV 范围内,随着电池的O CV (或SOC)增大,电池的最大放电能力呈线性增强,最大充电能力呈线性减弱。

30s 持续期的放电电流比10s 持续期的放电电流减小50A 左右,充电电流相比减小30A 左右。

HEV 控制算法对长时间(30s)和短时间(10s)的急加速(或急制动)过程应参考不同的性能曲线,如果简单地将两者等同,会带来较大误差。

4 结论
从混合动力汽车(HEV)的设计和控制过程中对蓄电池的最大充放电性能特性曲线的需求出发,综述了现有测试标准的实验方法和不足,在详细分析了最大充放电能力的影响因素和描述方法的基础上,结合车辆在城市和高速路况下的运行状态,设计了实验方法,通过对Opt ima D3455A h VRL A 电池进行实验,对此方法进行了检验,得出下列结论:
a 在使用中,电池的最大充放电性能主要受SOC 、温度、SOH 等因素影响;
b 为了全面反映车辆在城市和高速路况下电池的使用
情况,应分别进行短持续期(10s)和长持续期(30s)两项测试,还应进行高温实验,针对已经老化的电池进行实验,以全面了解电池的衰减情况;
c 长持续期(30s)的充放电性能与短持续期(10s)的相差很大。

对于HEV,简单地将两者等同,会给系统设计和控制带来较大的误差。

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收稿日期:2007-10-20
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