电气技术|不同工况下，电动汽车锂离子动力电池有怎样的特性？

作者基于电动汽车实际的行驶工况，通过CAN卡总线以及运营管理平台采集不同环境条件、不同使用工况下的行车数据，对锂离子动力电池特性进行研究分析，为今后动力电池建模仿真、电池管理系统设计等应用提供了支撑。

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在全球范围，以汽车为主的交通运输行业消耗了大量石油资源。电动汽车具有高效节能、使用中零排放等显著优点，在环保和节能方面具有不可比拟的优势，发展电动汽车已成为国内外的共识。
随着电动汽车大规模推广应用，锂离子动力电池因具有储能效率高、寿命长、对环境友好等优点，成为车载动力电池的代表。目前，国内学者对动力电池特性的相关研究主要围绕发达国家的典型工况展开。
有学者提出了基于北京纯电动公交车行驶过程中功率分布情况的动态测试工况以及动力电池寿命测试行驶工况的研究。
有学者提出基于欧美典型的城市循环工况，电动汽车蓄电池组SOC的评价方法、放电测试以及循环特性的研究，然而这些研究未能较好地贴合我国的实际道路工况，且目前国内对动力电池性能的研究和评价尚处于较初级阶段。
因此，研究基于实际工况下的锂离子动力电池特性对于深入了解动力电池的实际工作特性以及完善电动汽车动力电池主要特性参数数据库与模型具有重要意义。
本文以国内某公司电动汽车的锂离子电池组为研究对象，以电池组的单体电池电压、工作电流和工作电压等特性为研究内容，考察不同环境条件、不同使用工况下动力电池特性参数的变化特性，采用CAN卡总线以及运营管理平台采集行车数据，研究分析动力电池主要特性参数，分析在不同环境条件、不同使用工况下动力蓄电池特性参数变化影响程度，为今后动力电池建模仿真、电池管理系统设计等应用提供了支撑。

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1 试验部分
1.1 试验对象与方法
本文以一款国产纯电动汽车为试验对象，锂离子动力电池组容量为180Ah ，额定电压为345V ，总储电量为34.5kW·h ，最大续航里程可达150km 。锂离子动力电池运行的特征数据的采集，不仅可以通过试验室中对锂离子动力电池进行性能测试，还可以采用CAN卡总线以及管理平台联网监控与采集行车与电池工况的数据，采集示意图如图1 。

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图1 锂离子动力电池的特征数据采集示意图
本文试验主要基于实际工况，采用CAN卡以及运营管理平台采集电动汽车剩余电量、工作总电压、工作总电流以及最高/最低单体电压数据。利用采集的数据判断电池的工作状态，绘制相应工作曲线，分析电池性能状态，掌握电动汽车动力锂离子电池的特性。
1.2 试验环境与工况
本文在市区不同道路工况下进行试验，分别为长距离工况、市区山坡工况以及高峰期堵车工况。
长距离工况试验主要在市区车流量较小的平坦路段，以匀速进行连续长距离行驶。市区山坡工况试验主要在市区山坡进行连续爬坡、下坡测试，山坡的最高海拔高度为74m左右,最高坡度为6.8% 。堵车工况试验主要选择市区上下班高峰期的时段，在市区的主要干道进行。
试验时，环境温度范围为35℃ ，湿度范围为30%～90% ，试验时间范围为45～90min 。试验人员按表1的工况驾驶车辆进行试验。

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表1 试验工况2 结果与讨论
采用CAN卡与运营管理平台采集三种不同工况下的实验数据，对电动汽车锂离子动力电池的特性进行分析。分页标题
2.1 不同工况对锂离子动力电池SOC的影响
电池组以恒流进行连续放电，其工作电压会随着放电而降低，通常电池组在放电末期都有电压显著下降的现象，而且电池模块的过放电会引起模块性能、不可逆的衰退，从而引起整个电池组性能和使用寿命的下降。
为了保护电池，厂家对同批次的单体电池基本都设定一个合理的充放电终止电压。但在实际的使用过程中电池组放电电流倍率范围宽，电压变化大，所以在动力电池使用过程中，什么时候停止放电要根据电池的剩余容量、一致性和充放电终止电压等参数综合分析。
电池荷电状态（State of Charge,SOC）描述了电池的剩余电量，是电池使用过程中的重要参数。荷电状态值是个相对量，一般用百分比的方式来表示， SOC的取值为：0~100% 。动力电池的充放电过程是个复杂的电化学变化过程， SOC受到动力电池的基本特征参数和动力电池使用特性因素的影响。
本试验根据试验车行车过程中采集的工作电压以及SOC的数据，考察不同工况下锂离子动力电池工作电压及其SOC的影响，为电池管理系统的设计(如充放电终止电压等)提供可靠依据。

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图2-4分别是试验得到的长距离工况、市区山坡工况以及高峰期堵车工况下工作电压与SOC的变化曲线。由图中可以看出，不同工况的影响下，动力电池的工作电压和SOC的变化趋势不同。
在长距离工况下，电动汽车以匀速在车流量较小的路段行驶，此时工作电压波动幅度较小， SOC下降较平缓；山坡行驶工况以及堵车工况下，多工作于加减速或刹车制动，此时工作电压波动幅度较大，且当SOC低于70%后，动力电池SOC有显著下降趋势。
因此综上可知，市区山坡工况、高峰期堵车工况对动力电池SOC的影响较长距离工况的大。此外，为延长电池的使用寿命，设置更具合理的充放电终止电压很有必要。

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图2 长距离工况下工作电压与SOC的变化曲线

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图3 山坡工况下工作电压与SOC的变化曲线

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图4 堵车工况下工作电压与SOC的变化曲线
2.2 不同工况对锂离子动力电池组端电压及其一致性的影响
尽管可以将电池组整体看作是单个高压电池，但仍需独立考虑每个单体电池的情况。这是由于，单体电池若是与其他电池发生偏差，经过长期的充放电周期后，其状态将会与其他电池产生严重偏离，从而导致电池组的故障与损坏。
因此，必须对单体电池进行监控，以确定其充放电状态，保证电池组安全有效的运行。本试验根据试验车行车过程中采集的工作电压以及单体电压的数据，考察不同工况对锂离子动力电池单体电压和工作电压的影响。
图5-7分别是试验得到的长距离工况、市区山坡工况以及高峰期堵车工况下工作电压与单体电压的变化曲线。
由图中可以看出，四种不同工况下的电池工作电压变化大体一致，工作电压的变化范围在340-360V之间。而对于单体电池应注意的是，当单体电压低于2.5V时，单体电压易继续下降损坏电池。因此要通过CAN总线实时监控单体电压，对于低于2.5V的单体电池及时进行调整或更换。
由图中可以看出，在四种工况运行过程中，单体电压的变化范围在3.2-3.4V之间，各单体电池的电压差小于0.2V ，电压浮动较小，并且各单体电压均大于2.5V 。另外，对比各图中的两个曲线，可以看出，单体电池电压的变化趋势和工作电压的变化总体一致。分页标题
有学者将电池组单体相对电压差(定义为最高电压和最低电压之差和单体标称电压的百分比)作为衡量其一致性程度的指标，进一步观察图5-7可知，长距离工况、市区山坡工况、高峰期堵车工况下电池组的单体相对电压差分别为2.9% ， 3.8% ， 3.5% ，即市区山坡工况、高峰期堵车工况对电池组单体电压(一致性)的影响较长距离工况的大。为避免电池组的故障与损坏，对单体电池的电压进行监管非常重要。

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图5 长距离工况下工作电压与单体电压的变化曲线

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图6 山坡工况下工作电压与单体电压的变化曲线

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图7 堵车工况下工作电压与单体电压的变化曲线
2.3 不同工况对锂离子动力电池工作电流的影响
由于电池存在一定的内阻，当电池长时间流过较大的电流时，电池温度会持续升高，如果不及时进行热管理，会严重影响电池的稳定性和使用寿命。
此外， Li+在正、负极的脱嵌能力有限，与之相对应的是锂离子电池最大允许充放电电流，而电流过大会导致极化电压升高，电池提到达到截止电压，影响电池的可用容量，如果电池长时间处在电流过大状态还会导致 Li+的沉积，带来安全隐患，因此需要在电池使用过程中，控制充放电电流在合理范围内。
本试验根据试验车行车过程中采集的工作电流的数据，考察不同工况对锂离子动力电池工作电流的影响。
图8-10是不同工况下工作电压与工作电流的变化曲线。电流为正值时，动力电池放电；当电流为负值时，动力电池充电。从图中可以看出，工作电流的变化与工作电压有关，当工作电压大时，工作电流低；工作电压小时，工作电流大。
此外，堵车工况下的工作电流零值与负值的比例较大，这是由于行车过程中的刹车制动回收能量所致。山坡工况下的工作电流值较长时间处在较高的水平上，这是由于此时试验车工作于加速或爬坡的工况。
而长距离工况下，由于行驶于市区车流量较小的平坦路段，工作电流正负值的变化较为均衡。综上可知，市区山坡工况、高峰期堵车工况对动力电池工作电流的影响较长距离工况的大。

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图8 长距离工况下工作电压与工作电流的变化曲线

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图9 山坡工况下工作电压与工作电流的变化曲线

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【电气技术|不同工况下，电动汽车锂离子动力电池有怎样的特性？】图10 堵车工况下工作电压与工作电流的变化曲线
2.4 不同工况试验研究的改进
为了对电动汽车动力电池的性能进行合理的评价以及完成电池管理系统设计等应用，建立电动汽车动力电池特性参数数据模型是必不可少的环节。电动汽车动力电池特性参数数据建模与仿真研究是通过电池测试和积累动力电池实际运行特性数据，整合关联因素而建立的。
动力电池特性参数模型可描述整车工况与电池工作特性之间的数学关系，并在特定的工况下对动力电池运行特性进行仿真，且含有运用模型分析动力电池特性参数变化规律的功能，评价电池的性能指标。分页标题
本文主要研究分析动力蓄电池主要特性参数，分析在不同环境条件、不同使用工况下动力电池特性参数变化影响程度。因此，为了全面描述动力电池工作的特性并建立电动汽车动力电池特性参数数据模型，在试验室中对动力电池进行性能测试十分必要。可以通过实验室的试验研究动力电池工作特性，包括基本充放电特性以及不同倍率、不同温度条件下的充放电特性等，从而完善建模数据。 3 结论
本文以国内某公司电动汽车的锂离子电池组为研究对象，通过选取三种常见工况，即长距离工况、市区山坡工况、高峰期堵车工况，并在这三种不同工况下对锂离子动力电池组进行试验，研究分析不同工况对动力电池组的SOC、端电压及其一致性和工作电流的影响，结果表明：
1．基于国内城市的实际工况，对电动汽车动力电池的特性进行研究分析，相较于在国外的典型行驶工况下所得的分析结果，具有较强的代表性。
2．在长距离工况下，工作电压波动幅度较小， SOC下降缓慢；在山坡行驶工况以及堵车工况下，工作电压波动幅度较大， SOC下降迅速。
SOC是防止动力电池过充和过放的主要依据，因此，需要对电池管理系统进行合理的设计，从而延长电池的使用寿命。
3．不同工况下，单体电池电压的变化趋势和工作电压的变化总体一致。同时单体电池电压的电压差较小，说明电池在三种不同工况下运行性能良好。
单体电池若是长期与其他电池发生偏差，将导致电池组的故障与损坏，并且单体电压低于2.5V的单体电池衰减迅速，因此为防止对电池造成不可逆性的伤害，可以通过CAN总线的实时监控，对于低于2.5V的单体电池及时进行调整或更换。
4．不同工况下，电池的工作电流随车辆运行情况的不同变化较大。
为防止工作电流的过大或过小给蓄电池带来损害，就必须通过CAN总线以及管理平台对工作电流进行及时的监控。
5．综合可知，市区山坡工况、高峰期堵车工况对动力电池组的SOC、端电压及其一致性以及工作电流的影响都较长距离工况的大。
这是由于长距离工况下，行驶速度规律，需求基本平稳，因此对于动力电池组的影响较小。反之，则影响较大。
6．为建立更加全面的电动汽车动力电池特性参数数据模型，不仅可通过CAN卡与运营管理平台车联网积累动力电池运行特征数据，还要通过电池试验室对动力电池进行性能测试。
本文的研究积累了运行特征数据，对实际运行中不同使用工况下动力电池特性参数的变化特性有了更深的了解，并对试验研究的进行了相应的改进，为今后动力电池建模仿真、电池管理系统设计等应用提供了支撑。
（编自《电气技术》，标题为“不同工况下的电动汽车锂离子动力电池特性研究” ，作者为徐煌、王武等。）