電動汽車用鉛酸電池的探索與實踐

陳勝洋,周龍瑞,劉孝偉,陳體銜

(1.超威新能源技術研究院,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、成本相對較低及原材料可循環(huán)利用等特點,可用作小型中低速(30～80 km/h)、短途(約120 km)電動汽車(EV)的動力能源。

人們對設計、檢測和評估EV用鉛酸電池性能進行過許多研究[1-3]。本文作者從低速EV實際城市路況運行工況的要求出發(fā),通過實測數(shù)據(jù),闡述EV對鉛酸電池的要求。

1 實驗

1.1 動力型閥控膠體密封鉛酸電池組的制備

將氣相二氧化硅(德國產(chǎn),CP)、硫酸(湖州產(chǎn),AR)、羧甲基纖維素鈉(國藥集團,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(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)線上組裝12 V/120 Ah電池,7片正極板、8片負極板,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(南京產(chǎn))灌到12 V/120 Ah電池中,每單格灌膠量為1 200 ml,補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試

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

充電限壓溫度補償試驗: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: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間;以40 A放電,對比不同溫度(θ)下的容量Cθ與25℃下的容量C25。

1.3 EV的路試檢測

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,用便攜式整車數(shù)據(jù)自動記錄儀(杭州產(chǎn))記錄實際運行的電流、電壓、功率和時間。

2 有關標準要求

QC/T 742-2006《電動汽車用鉛酸電池》[4]的重要指標有: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《電動道路車輛用鉛酸電池》[5]增加了峰值功率的指標(對于12 V電池,要求≥0.2C3kW)。

GB/T 18386-2005《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗方法》[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)過規(guī)定試驗循環(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)。該標準給出了模擬城市路況中EV實際的運行情況,電池只有在滿足該試驗條件下所取得的續(xù)駛里程,才具有實用性和可比性,滿足該試驗條件下的電池循環(huán)壽命,才更接近真實的使用壽命。

3 鉛酸電池的各項要求

3.1 能量要求

市區(qū)行駛車速的一個基本循環(huán)如圖1[6]所示。

從圖1可知,一個基本循環(huán)的耗時為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應的功率輸出,作為一個基本循環(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際。電池能量輸出可表示為恒流或恒功率放電的時間,電能輸出轉(zhuǎn)化做功后,可表示為EV的續(xù)駛里程,高能量意味著更長的續(xù)駛里程。

基于以下假設: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)行駛車速一個基本循環(huán)Fig.1 A basic cycle test at urban traffic speed

EV在vmax時,拉力F(N)與阻力f(N)相等,計算公式見式(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為即時功率(W)。

由上述公式可計算出功率隨EV速度的變化。

模擬市區(qū)工況的電池組功率輸出曲線見圖2。

圖2 模擬市區(qū)行駛車速一個基本循環(huán)的功率-時間曲線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)定時間內(nèi)達到要求的功率輸出或恒功率段持續(xù)時間達不到要求時,累計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。

實驗測得的EV的速度和電池放電電流見表1。

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

表1 EV實測運行參數(shù) Table 1 The running data of electric vehicle by experimental

EV(Ⅱ)在市區(qū)工況實際運行的電流-時間曲線見圖3。

圖 3 EV(Ⅱ)在市區(qū)工況實際運行的電流-時間曲線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)道路運行當中,每次加速都有一個峰值電流,且峰值電流在150 A以上的多達13次,平路勻速運行電流(約50 A,250-280 s的平臺)不能代表電池要承受的功率輸出。實際峰值電流比平路勻速電流大,考察電池循環(huán)壽命,應以實際或模擬實際工況的功率輸出為準。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到達峰值,然后下降,松開踏板后電流降為0 A。

EV(Ⅱ)在市區(qū)工況實際運行的功率-時間曲線見圖4。

圖 4 EV(Ⅱ)在市區(qū)工況實際運行的功率-時間曲線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)道路運行當中,超過10 kW的運行輸出峰值功率多達13次,壽命試驗需模擬實際功率輸出,才能正確評估電池的壽命,電池設計應充分考慮峰值功率。圖2模擬得出的峰值功率比EV(Ⅱ)實際測試的稍小,目前一般EV整車廠設計的峰值功率為額定功率的2倍,電池測試時可適當嚴格,如用1.2倍的保險系數(shù)。

12 V/120 Ah電池的電流-時間關系曲線見圖5。

圖5 12 V/120 Ah電池的電流-時間關系曲線(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,說明電池對放電電流的敏感性強;peukert系數(shù)小,說明電池大電流放電能力強,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,即放電程度較深,不利于電池的循環(huán)性能,因此,電池設計中需重點考慮合適的peukert系數(shù)。針對高功率放電的要求,可考慮設計匯流排直連結(jié)構(gòu)、銅端子內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)。與超級電容器聯(lián)合使用,以提高電池組的功率特性、能量效率及壽命,也是較好的技術路線。

3.3 環(huán)境溫度的適應性和耐老化性能

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系見圖6。

圖6 12 V/120 Ah電池容量與溫度的關系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進行模擬變功率放電試驗。

對于電池耐老化的要求,一般來說電池容量降低到標稱容量的80%就算壽命結(jié)束;在市區(qū)工況下試驗,應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[5]關于電池循環(huán)壽命的試驗方法,難以正確反映電池的實際使用壽命,因為市區(qū)工況下電池實際輸出電流的倍率及頻率,遠遠超出標準的要求。應找出與市區(qū)工況更為接近的放電循環(huán)模式來評估電池的使用壽命。

電池的循環(huán)壽命除了與電池的鉛膏配方、裝配設計及制造工藝等有關外,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,應加強對膠體電解液的應用研究。

EV用鉛酸電池多為閥控密封鉛酸電池,正確的充電方法對延長電池的使用壽命很重要。正確的充電應是飽而不過,容量變、溫度變,相應的充電方法也應該改變。如何準確地判斷容量、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償模式是有必要的。對電池組進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系見圖7,對電池組進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定及放電電流和溫度的關系見表3。

圖7 電池組充電限制電壓與溫度的關系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、溫度的關系Table 3 The relations between discharge limit voltage and discharge current,temperature

一般來說,放電終止電壓與放電電流、溫度有關,并直接影響電池的放電深度,對電池使用壽命有很大的影響,因此要加以嚴格控制。如有意識地將限制電壓設置提高,對防止因單體電池不一致而導致的電池組失效,會大有好處。

目前,EV電池組多為72 V系統(tǒng),單體電池相對較多,需開發(fā)電池管理系統(tǒng)(BMS)。BMS要對每只單體電池的荷電狀態(tài)(SOC)、健康狀態(tài)(SOH)進行實時監(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致的電池組循環(huán)壽命過早結(jié)束。

4 結(jié)束語

根據(jù)EV市區(qū)行駛車速一個基本循環(huán),推導計算出對應的電池一個基本循環(huán)的功率輸出,使得測試更符合實際情況。EV路試實驗測得實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)境適應性、較長循環(huán)壽命等性能,電池技術工作者應圍繞這些方面進行深入研究,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本研究項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。

[1]LIU Lei(劉磊).電動汽車蓄電池性能仿真與試驗[D].Wuhan(武漢):Wuhan University of Technology(武漢理工大學),2005.

[2]GUI Chang-qing(桂長清).電動車用鉛酸蓄電池[J].Battery Bimonthly(電池),1999,29(1):31-33.

[3]GONG Xue-geng(宮學庚),QI Bo-jin(齊鉑金).電動車電池的均衡控制的建模與分析[J].Battery Bimonthly(電池),2005,35(1):37-38.

[4]QC/T 742-2006,電動汽車用鉛酸電池[S].

[5]GB/T 18332.1-2009,電動道路車輛用鉛酸電池[S].

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