陳勝洋,周龍瑞,劉孝偉,陳體銜

(1.超威新能源技術(shù)研究院,浙江湖州 313100; 2.超威電源有限公司,浙江湖州 313100)

鉛酸電池具有性能可靠、成本相對(duì)較低及原材料可循環(huán)利用等特點(diǎn),可用作小型中低速(30～80 km/h)、短途(約120 km)電動(dòng)汽車(chē)(EV)的動(dòng)力能源。

人們對(duì)設(shè)計(jì)、檢測(cè)和評(píng)估EV用鉛酸電池性能進(jìn)行過(guò)許多研究[1-3]。本文作者從低速EV實(shí)際城市路況運(yùn)行工況的要求出發(fā),通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),闡述EV對(duì)鉛酸電池的要求。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 動(dòng)力型閥控膠體密封鉛酸電池組的制備

將氣相二氧化硅(德國(guó)產(chǎn),CP)、硫酸(湖州產(chǎn),AR)、羧甲基纖維素鈉(國(guó)藥集團(tuán),CP)和去離子水(自產(chǎn))按質(zhì)量比1.50∶44.00∶0.05∶54.45 混合,用 FA25 型高速剪切機(jī)(上海產(chǎn))以10 000 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌40 min,分散混勻,配制成密度為1.320～1.340 g/ml(25℃)的膠體電解液。在超威電源有限公司生產(chǎn)線(xiàn)上組裝12 V/120 Ah電池,7片正極板、8片負(fù)極板,采用隔板厚度為0.6 mm的雙片包正極板,用VGF-62型真空灌膠機(jī)(南京產(chǎn))灌到12 V/120 Ah電池中,每單格灌膠量為1 200 ml,補(bǔ)充電后抽取多余的電解液。

1.2 鉛酸電池組的容量及充放電性能測(cè)試

用μ C-XCF型電池循環(huán)充放電測(cè)試儀(張家港產(chǎn))檢測(cè)電池的容量,用 LRH-250CB高低溫箱(上海產(chǎn))控制溫度。

充電限壓溫度補(bǔ)償試驗(yàn):在50℃、10℃、25℃、30℃、-20℃下以 20 A的電流充電12 h,記錄數(shù)據(jù)。50℃的充電限壓為 13.8 V、14.0 V、14.2 V;10～30℃的充電限壓為14.5 V、14.7 V、14.9 V;-20℃的充電限壓為 14.8 V、15.0 V、15.2 V。

放電終止電壓試驗(yàn):在-20℃、-10℃、0℃、10℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、40 ℃和50 ℃下,分別以 20 A、40 A、80 A、120 A、240 A、360 A和 540 A的電流放電,記錄不同溫度不同倍率放電的終止電壓。

在25℃下,考察不同電流放電的放電時(shí)間;以40 A放電,對(duì)比不同溫度(θ)下的容量Cθ與25℃下的容量C25。

1.3 EV的路試檢測(cè)

將72 V/120 Ah(由6只12 V/120 Ah電池串聯(lián)而成)電池組安裝到EV[Ⅰ(杭州產(chǎn),額定功率為 6.3 kW)、Ⅱ(金華產(chǎn),額定功率為5.5 kW)]上,用便攜式整車(chē)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄儀(杭州產(chǎn))記錄實(shí)際運(yùn)行的電流、電壓、功率和時(shí)間。

2 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求

QC/T 742-2006《電動(dòng)汽車(chē)用鉛酸電池》[4]的重要指標(biāo)有:3 h容量(I3放電)、高倍率放電(3I3、9I3放電)、-20 ℃低溫容量(6I3、I3放電)、循環(huán)耐久能力(1.5I3放電)、快速充電(6I3充電)等,I3為平路低速運(yùn)行電流,3I3、6I3為平路最高速度行駛和爬坡電流,6I3、9I3為起步加速和越坎電流。

GB/T 18332.1-2009《電動(dòng)道路車(chē)輛用鉛酸電池》[5]增加了峰值功率的指標(biāo)(對(duì)于12 V電池,要求≥0.2C3kW)。

GB/T 18386-2005《電動(dòng)汽車(chē)能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》[6]中規(guī)定的續(xù)駛里程是指EV在電池完全充電態(tài)下,以一定的工況連續(xù)行駛的最大距離(km);能量消耗率是指EV經(jīng)過(guò)規(guī)定試驗(yàn)循環(huán)后,電池再充電需要的電網(wǎng)供電能量除以續(xù)駛里程所得的值(Wh/km)。該標(biāo)準(zhǔn)給出了模擬城市路況中EV實(shí)際的運(yùn)行情況,電池只有在滿(mǎn)足該試驗(yàn)條件下所取得的續(xù)駛里程,才具有實(shí)用性和可比性,滿(mǎn)足該試驗(yàn)條件下的電池循環(huán)壽命,才更接近真實(shí)的使用壽命。

3 鉛酸電池的各項(xiàng)要求

3.1 能量要求

市區(qū)行駛車(chē)速的一個(gè)基本循環(huán)如圖1[6]所示。

從圖1可知,一個(gè)基本循環(huán)的耗時(shí)為195 s,平均速度為18.77 km/h,行駛里程為1.017 km。電池可模擬此工況給出對(duì)應(yīng)的功率輸出,作為一個(gè)基本循環(huán),直至壽命結(jié)束,所得循環(huán)次數(shù)和總行駛里程才更接近實(shí)際。電池能量輸出可表示為恒流或恒功率放電的時(shí)間,電能輸出轉(zhuǎn)化做功后,可表示為EV的續(xù)駛里程,高能量意味著更長(zhǎng)的續(xù)駛里程。

基于以下假設(shè):EV的額定功率Pnor=6 300 W,總質(zhì)量m=1 000 kg,最大速度vmax=13.89 m/s(50 km/h)。

圖1 市區(qū)行駛車(chē)速一個(gè)基本循環(huán)Fig.1 A basic cycle test at urban traffic speed

EV在vmax時(shí),拉力F(N)與阻力f(N)相等,計(jì)算公式見(jiàn)式(1):

若不考慮f隨速度v(m/s)的變化,則有式(2)、(3):

式(2)、(3)中:a為加速度(m/s2),P為即時(shí)功率(W)。

由上述公式可計(jì)算出功率隨EV速度的變化。

模擬市區(qū)工況的電池組功率輸出曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 模擬市區(qū)行駛車(chē)速一個(gè)基本循環(huán)的功率-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.2 The P-t curve in a basic cycle test simulating urban traffic speed

電池組可根據(jù)圖2的數(shù)據(jù)進(jìn)行多階段變功率放電循環(huán),持續(xù)基本循環(huán)至不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到要求的功率輸出或恒功率段持續(xù)時(shí)間達(dá)不到要求時(shí),累計(jì)的行駛里程即為單次充電續(xù)駛里程。電池充電后再持續(xù)基本循環(huán)至單次充電行駛里程低于初始值的70%,總的行駛里程即為電池壽命。

3.2 功率要求

電池功率代表了速度、加速性能、爬坡能力,高功率意味著加速性能好、爬坡能力強(qiáng)。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的EV的速度和電池放電電流見(jiàn)表1。

從表 1可知,EV平路行駛,勻速時(shí)的電流比I3稍大,但起步和越坎電流均在6I3以上。

表1 EV實(shí)測(cè)運(yùn)行參數(shù) Table 1 The running data of electric vehicle by experimental

EV(Ⅱ)在市區(qū)工況實(shí)際運(yùn)行的電流-時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。

圖 3 EV(Ⅱ)在市區(qū)工況實(shí)際運(yùn)行的電流-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.3 The I-t curves of EV(Ⅱ)practical operated under urban traffic

從圖3a可知,在11 min(660 s)的市區(qū)道路運(yùn)行當(dāng)中,每次加速都有一個(gè)峰值電流,且峰值電流在150 A以上的多達(dá)13次,平路勻速運(yùn)行電流(約50 A,250-280 s的平臺(tái))不能代表電池要承受的功率輸出。實(shí)際峰值電流比平路勻速電流大,考察電池循環(huán)壽命,應(yīng)以實(shí)際或模擬實(shí)際工況的功率輸出為準(zhǔn)。從圖3b可知,踩下加速踏板后電池輸出電流很快增加,約6 s到達(dá)峰值,然后下降,松開(kāi)踏板后電流降為0 A。

EV(Ⅱ)在市區(qū)工況實(shí)際運(yùn)行的功率-時(shí)間曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖 4 EV(Ⅱ)在市區(qū)工況實(shí)際運(yùn)行的功率-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.4 The P-t curve of EV(Ⅱ)practicaloperated under urban traffic

從圖4可知,在11 min(660 s)的市區(qū)道路運(yùn)行當(dāng)中,超過(guò)10 kW的運(yùn)行輸出峰值功率多達(dá)13次,壽命試驗(yàn)需模擬實(shí)際功率輸出,才能正確評(píng)估電池的壽命,電池設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮峰值功率。圖2模擬得出的峰值功率比EV(Ⅱ)實(shí)際測(cè)試的稍小,目前一般EV整車(chē)廠(chǎng)設(shè)計(jì)的峰值功率為額定功率的2倍,電池測(cè)試時(shí)可適當(dāng)嚴(yán)格,如用1.2倍的保險(xiǎn)系數(shù)。

12 V/120 Ah電池的電流-時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖5 12 V/120 Ah電池的電流-時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)(25℃)Fig.5 The I-t relation curve of 12 V/120 Ah battery(25℃)

圖5中,I3～3I3范圍內(nèi)的斜率(即peukert系數(shù))較小,3I3～9I3范圍內(nèi)的peukert系數(shù)較大。peukert系數(shù)大,說(shuō)明電池對(duì)放電電流的敏感性強(qiáng);peukert系數(shù)小,說(shuō)明電池大電流放電能力強(qiáng),輸出功率大。在市區(qū)工況基本循環(huán)中,循環(huán)次數(shù)較多,電池一次充電續(xù)駛里程遠(yuǎn),即放電程度較深,不利于電池的循環(huán)性能,因此,電池設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮合適的peukert系數(shù)。針對(duì)高功率放電的要求,可考慮設(shè)計(jì)匯流排直連結(jié)構(gòu)、銅端子內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)。與超級(jí)電容器聯(lián)合使用,以提高電池組的功率特性、能量效率及壽命,也是較好的技術(shù)路線(xiàn)。

3.3 環(huán)境溫度的適應(yīng)性和耐老化性能

提高電池的低溫放電性能也是研究EV用鉛酸電池的重要課題。12 V/120 Ah電池容量與溫度的關(guān)系見(jiàn)圖6。

圖6 12 V/120 Ah電池容量與溫度的關(guān)系Fig.6 The relation between capacity and temperature of 12 V/120 Ah battery

膠體電解液可提高電池的低溫放電容量。能否提高低溫環(huán)境下電池的續(xù)駛里程,還需研究低溫下的高倍率放電性能,最好能在低溫下按圖2進(jìn)行模擬變功率放電試驗(yàn)。

對(duì)于電池耐老化的要求,一般來(lái)說(shuō)電池容量降低到標(biāo)稱(chēng)容量的80%就算壽命結(jié)束;在市區(qū)工況下試驗(yàn),應(yīng)維持電池一次充電行駛里程不低于新電池的70%為好。

3.4 電池組的使用壽命

文獻(xiàn)[5]關(guān)于電池循環(huán)壽命的試驗(yàn)方法,難以正確反映電池的實(shí)際使用壽命,因?yàn)槭袇^(qū)工況下電池實(shí)際輸出電流的倍率及頻率,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)的要求。應(yīng)找出與市區(qū)工況更為接近的放電循環(huán)模式來(lái)評(píng)估電池的使用壽命。

電池的循環(huán)壽命除了與電池的鉛膏配方、裝配設(shè)計(jì)及制造工藝等有關(guān)外,電池組(低速、短途EV一般為72 V電池組)由較多的單體電池串聯(lián)而成,單體電池的一致性也很重要。分析電池單體之間的一致性并采取有效措施來(lái)提高一致性,也是一大難題。膠體電解液的正確使用,可提高單體電池的一致性,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)膠體電解液的應(yīng)用研究。

EV用鉛酸電池多為閥控密封鉛酸電池,正確的充電方法對(duì)延長(zhǎng)電池的使用壽命很重要。正確的充電應(yīng)是飽而不過(guò),容量變、溫度變,相應(yīng)的充電方法也應(yīng)該改變。如何準(zhǔn)確地判斷容量、溫度的改變,從而采用不同的充電模式,是值得研究的課題。在目前的條件下,充電限制電壓及溫度補(bǔ)償模式是有必要的。對(duì)電池組進(jìn)行不同溫度和不同充電電壓下充電效率的研究,得出電池組的充電限制電壓與溫度的關(guān)系見(jiàn)圖7,對(duì)電池組進(jìn)行不同溫度下不同放電倍率的研究,得出放電限制電壓的設(shè)定及放電電流和溫度的關(guān)系見(jiàn)表3。

圖7 電池組充電限制電壓與溫度的關(guān)系Fig.7 The relation between charge limit voltage and temperature of batteries

表3 單體電池放電限制電壓及與放電電流、溫度的關(guān)系Table 3 The relations between discharge limit voltage and discharge current,temperature

一般來(lái)說(shuō),放電終止電壓與放電電流、溫度有關(guān),并直接影響電池的放電深度,對(duì)電池使用壽命有很大的影響,因此要加以嚴(yán)格控制。如有意識(shí)地將限制電壓設(shè)置提高,對(duì)防止因單體電池不一致而導(dǎo)致的電池組失效,會(huì)大有好處。

目前,EV電池組多為72 V系統(tǒng),單體電池相對(duì)較多,需開(kāi)發(fā)電池管理系統(tǒng)(BMS)。BMS要對(duì)每只單體電池的荷電狀態(tài)(SOC)、健康狀態(tài)(SOH)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及管理,并采用不同的充放電模式,盡量保持各單體電池最佳的性能狀態(tài),從而避免單體電池不一致導(dǎo)致的電池組循環(huán)壽命過(guò)早結(jié)束。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)EV市區(qū)行駛車(chē)速一個(gè)基本循環(huán),推導(dǎo)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的電池一個(gè)基本循環(huán)的功率輸出,使得測(cè)試更符合實(shí)際情況。EV路試實(shí)驗(yàn)測(cè)得實(shí)際輸出峰功率一般為額定功率的3倍以上。EV要求電池組具有高功率、高能量、良好的環(huán)境適應(yīng)性、較長(zhǎng)循環(huán)壽命等性能,電池技術(shù)工作者應(yīng)圍繞這些方面進(jìn)行深入研究,以提供適用的EV用鉛酸電池。

致謝:感謝超威公司總裁周明明對(duì)本研究項(xiàng)目的大力支持和新能源研究院馬永泉工程師、徐偉良工程師、蔣林林工程師、沈浩宇工程師及陳建山助理工程師的幫助。

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[4]QC/T 742-2006,電動(dòng)汽車(chē)用鉛酸電池[S].

[5]GB/T 18332.1-2009,電動(dòng)道路車(chē)輛用鉛酸電池[S].

[6]GB/T 18386-2005,電動(dòng)汽車(chē)能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法[S].