超級(jí)電容電池在鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)中的應(yīng)用

呂志強(qiáng)，姚俊彬，江統(tǒng)高

(廣汽本田汽車(chē)研究開(kāi)發(fā)有限公司，廣東廣州 511330)

0 引言

隨著我國(guó)汽車(chē)電動(dòng)化事業(yè)的迅猛發(fā)展，市面上的電動(dòng)車(chē)數(shù)量迅速增加，目前鋰離子電池在低溫環(huán)境中性能短板帶來(lái)的影響也越來(lái)越凸顯。用戶(hù)對(duì)電動(dòng)車(chē)在低溫下續(xù)航里程衰減、動(dòng)力衰減的抱怨聲也越發(fā)增多。

為了緩解鋰離子電池低溫時(shí)的性能短板，最直接有效的辦法就是給電池包加熱。目前常用的做法是，采用PTC加熱器為主體的液體循環(huán)加熱系統(tǒng)給鋰離子電池進(jìn)行升溫，以提升其電池性能。然而，由于PTC加熱器能效低下，加之液體循環(huán)回路也有能量損失，使用PTC加熱器為電池包加溫，需要消耗大量能量，這將導(dǎo)致在低溫工況下整車(chē)?yán)m(xù)航里程驟減。

文中所描述系統(tǒng)，將不使用PTC加熱器為電池加溫，而是增加一組超級(jí)電容電池，使之與原電動(dòng)車(chē)高壓系統(tǒng)構(gòu)成一套混合能源系統(tǒng)，并通過(guò)鋰離子電池與超級(jí)電容電池相互充放電時(shí)內(nèi)阻發(fā)熱來(lái)提升鋰離子電池溫度。另一方面，在車(chē)輛需求大功率驅(qū)動(dòng)和能量回收時(shí)，利用超級(jí)電容電池優(yōu)異的功率特性，對(duì)鋰離子電池充放電能力進(jìn)行“削峰填谷”，以降低其在大功率充放電時(shí)的損耗。

1 混合能源系統(tǒng)構(gòu)成

該混合能源系統(tǒng)構(gòu)成原理如圖1 所示。各部件構(gòu)成及其相關(guān)作用描述如下：

(1)整車(chē)主要?jiǎng)恿υ矗纱笕萘夸囯x子電池1# BAT及其電池控制系統(tǒng)1# BMS構(gòu)成。

(2)超級(jí)電容電池裝置，由超級(jí)電容電池2# BAT及其電池控制系統(tǒng)2# BMS構(gòu)成。

(3)電壓控制裝置，由電感L1、IGBT G1和G2、電容C1、電流傳感器CS構(gòu)成。

1# BMS與2# BMS通過(guò)CAN通信進(jìn)行信息交互，內(nèi)容包括電池電壓、電流、溫度、SOC、SOP等。2# BMS計(jì)算并判斷鋰離子電池及超級(jí)電容電池的充放電模式的切換，并向控制電壓裝置發(fā)出電壓控制指令，以達(dá)成“自發(fā)熱”及“削峰填谷”的目的。

圖1 混合能源系統(tǒng)構(gòu)成示意

2 技術(shù)應(yīng)用

2.1 利用鋰離子電池內(nèi)阻自發(fā)熱以降低加熱能耗

圖2示意了鋰離子電池內(nèi)阻自發(fā)熱原理。圖中“小圓球”代表電池系統(tǒng)中的能量，通過(guò)電壓控制器提升“小圓球”勢(shì)能，使其克服阻力(電池內(nèi)阻)來(lái)回運(yùn)動(dòng)。而克服阻力所產(chǎn)生的熱量，則用于提升電池包自身溫度。

圖2 鋰離子內(nèi)阻自發(fā)熱原理

在這個(gè)過(guò)程中，電壓控制裝置起了相當(dāng)大的作用。具體來(lái)說(shuō)，通過(guò)反復(fù)實(shí)施以下兩個(gè)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)鋰離子電池通過(guò)自身內(nèi)阻發(fā)熱。

(1)能量從鋰離子電池流向超級(jí)電容電池。根據(jù)當(dāng)前車(chē)輛狀態(tài)(如：車(chē)輛系統(tǒng)狀態(tài)、外界環(huán)境溫度、鋰離子電池包內(nèi)部溫度、鋰離子電池SOC、超級(jí)電容電池SOC等等)，電壓控制裝置對(duì)鋰離子電池輸出電壓進(jìn)行升壓控制，使電流從鋰離子電池流向超級(jí)電容電池。并在此過(guò)程中，電壓控制裝置實(shí)時(shí)地根據(jù)各部品狀態(tài)進(jìn)行電壓調(diào)整，以保證鋰離子電池以受控的功率對(duì)超級(jí)電容電池進(jìn)行充電。該過(guò)程中：

鋰離子電池內(nèi)阻發(fā)熱功率為：

P1(t)=Rdischarge·I1(t)2

發(fā)熱量則為：

(2)能量從超級(jí)電容電池流向鋰離子電池。當(dāng)超級(jí)電容電池SOC達(dá)到高點(diǎn)(當(dāng)前設(shè)定值為90%)時(shí)，結(jié)束過(guò)程(1)并進(jìn)入過(guò)程(2)。電壓控制裝置將根據(jù)各部品狀態(tài)對(duì)超級(jí)電容電池進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)降壓處理，以保證超級(jí)電容電池以受控的功率，對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電。該過(guò)程中：

鋰離子電池發(fā)熱功率為：

P2(t)=Rcharge·I2(t)2

發(fā)熱量則為：

雖然鋰離子電池的電芯密封在電池包殼體內(nèi)，但也不可避免地存在熱量流失(與外界低溫環(huán)境進(jìn)行熱交換)，計(jì)算溫升時(shí)應(yīng)將鋰離子電池的熱量損失考慮在內(nèi)。因此，通過(guò)反復(fù)充放電自發(fā)熱方式最終給鋰離子電池電芯帶來(lái)的溫升為：

式中：Q損為鋰離子電池電芯的熱量損失；C為鋰離子電池電芯等效比熱容；m為鋰離子電池電芯總質(zhì)量。

考慮到內(nèi)阻發(fā)熱的功率較小，難以在時(shí)間內(nèi)完成電芯加熱。為了使車(chē)輛在低溫環(huán)境下能快速進(jìn)入行駛狀態(tài)，需要制定整車(chē)層面的加熱邏輯，其流程如圖3 所示。

圖3 內(nèi)阻加熱流程示意

當(dāng)鋰離子電池溫度低于T1時(shí)，車(chē)輛進(jìn)入反復(fù)充放電內(nèi)阻加熱流程，開(kāi)始通過(guò)自發(fā)熱的方式來(lái)提升鋰離子電池溫度；當(dāng)鋰離子電池溫度到達(dá)T2時(shí)，車(chē)輛退出反復(fù)充放電內(nèi)阻加熱流程。其中，T1和T2的值需要根據(jù)鋰離子電池實(shí)際特性及整車(chē)控制需求來(lái)進(jìn)行標(biāo)定。

通過(guò)實(shí)施該策略，使鋰離子電池溫度始終保持在適宜的工作溫度，即T1到T2之間。駕駛員在下次啟動(dòng)車(chē)輛時(shí)，無(wú)需等待電池加熱。

2.2 超級(jí)電容電池對(duì)鋰離子電池充放電功率進(jìn)行“削峰填谷”

除了優(yōu)秀的耐低溫性能外，超級(jí)電容電池?fù)碛袃?yōu)秀的大電流放電能力及能量轉(zhuǎn)換效率。利用這些特性，當(dāng)車(chē)輛側(cè)需求大功率能量輸出或回收時(shí)，使用超級(jí)電容電池對(duì)充放電功率進(jìn)行“削峰填谷”，以此降低鋰離子電池大功率充放電時(shí)的能量損失。其示意圖如圖4 所示。

圖4 “削峰填谷”示意

同樣地，將對(duì)“削峰”和“填谷”分成兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行描述：

(1)“削峰”階段：一般情況下，鋰離子電池為車(chē)輛提供全部的動(dòng)力輸出，但當(dāng)車(chē)輛側(cè)需求大功率行駛時(shí)，電池管理系統(tǒng)將根據(jù)鋰離子電池及超級(jí)電容電池狀態(tài)，對(duì)該需求功率進(jìn)行分配。鋰離子電池將保持以較穩(wěn)定功率進(jìn)行放電，剩余的功率需求由超級(jí)電容電池進(jìn)行補(bǔ)充。電壓控制裝置將根據(jù)功率分配，實(shí)時(shí)地對(duì)鋰離子電池及超級(jí)電容電池進(jìn)行電壓控制。

(2)“填谷”階段：當(dāng)車(chē)輛側(cè)需求能量回收時(shí)，電池管理系統(tǒng)將根據(jù)鋰離子電池及超級(jí)電容電池狀態(tài)對(duì)該需求功率進(jìn)行分配。車(chē)輛側(cè)再生的能量，通過(guò)電壓控制裝置對(duì)母線(xiàn)電壓進(jìn)行電壓控制后，輸送給鋰離子電池和超級(jí)電容電池。再生能量?jī)?yōu)先對(duì)超級(jí)電容電池進(jìn)行充電，當(dāng)超級(jí)電容電池SOC達(dá)到高水平時(shí)，剩余回收能量則由鋰離子電池吸收。

3 效果確認(rèn)

3.1 發(fā)熱效果確認(rèn)

在低溫環(huán)境中，傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)往往需要使用PTC加熱器或類(lèi)似手段對(duì)鋰離子電池進(jìn)行外部加熱，使其達(dá)到適宜工作溫度，以提升其充放電能力。當(dāng)駕駛員試圖在低溫環(huán)境中進(jìn)行車(chē)輛行駛時(shí)，PTC加熱器會(huì)先行以大功率對(duì)電池包進(jìn)行加熱，直到電池包達(dá)到適宜工作溫度。以某純電動(dòng)汽車(chē)為例，測(cè)得其PTC加熱器在低溫環(huán)境中加熱電池包的電量消耗情況，如圖5 所示。

圖5 實(shí)車(chē)電池PTC加熱實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

該測(cè)試數(shù)據(jù)呈現(xiàn)了車(chē)輛在-25 ℃低溫環(huán)境中進(jìn)行啟動(dòng)時(shí)，PTC加熱器以大于4 500 W的功率對(duì)鋰離子電池進(jìn)行加熱，使鋰離子電池溫度提升到-15 ℃@50%SOC，能耗約1 600 Wh。

作為能耗對(duì)比，將通過(guò)仿真方式模擬出內(nèi)阻發(fā)熱所帶來(lái)的效果。在-25 ℃環(huán)境下，鋰離子電池工作發(fā)熱主要體現(xiàn)為焦耳熱[1](即內(nèi)阻發(fā)熱)。因此，使用Matlab/Simulink建立其內(nèi)阻發(fā)熱仿真模型。根據(jù)前文所述，鋰離子電池的溫升計(jì)算式為：

至此，還需要得到鋰離子電池電芯的熱量損失參數(shù)，才能計(jì)算出鋰離子電池電芯的溫升?？紤]到鋰離子電池材料及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其熱仿真是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。為了簡(jiǎn)化仿真建模過(guò)程，并提升仿真精度，使用了某純電動(dòng)汽車(chē)搭載的動(dòng)力電池包進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，加載到Matlab/Simulink模型中進(jìn)行曲線(xiàn)擬合，對(duì)鋰離子電池電芯的熱量損失參數(shù)進(jìn)行估算。另外，鋰離子電池充放電內(nèi)阻會(huì)隨不同溫度、SOC而變化，尤其在低溫或低SOC下，內(nèi)阻會(huì)陡然增大，為得到更高精度的仿真結(jié)果，需要從電池廠(chǎng)家獲取溫度-電芯內(nèi)阻特性曲線(xiàn)以及SOC-電芯內(nèi)阻的動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)，并將動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)加載到Matlab/Simulink模型中，對(duì)電芯內(nèi)阻進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。最后，在綜合考慮以上所述各種因素后，建立鋰離子電池內(nèi)阻發(fā)熱溫升模型，如圖6 所示。

圖6 鋰離子電池內(nèi)阻發(fā)熱溫升模型

Matlab/Simulink模型仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 內(nèi)阻發(fā)熱溫升及能耗曲線(xiàn)

由圖7可知，在-25 ℃環(huán)境下，鋰離子電池與超級(jí)電容電池以20 kW功率進(jìn)行反復(fù)充放電，通過(guò)鋰離子電池內(nèi)阻發(fā)熱，使鋰離子電池溫度提升到-15 ℃@50%SOC，耗費(fèi)電量約900 Wh。對(duì)比傳統(tǒng)PTC加熱方式，其能耗降低約44%。由此可見(jiàn)，內(nèi)阻發(fā)熱相較傳統(tǒng)加熱方式在能耗方面確實(shí)具有較大優(yōu)勢(shì)。

3.2 “削峰填谷”效果確認(rèn)

為了確認(rèn)“削峰填谷”效果，根據(jù)該混合能源系統(tǒng)的電氣架構(gòu)，使用Matlab/Simulink建立起該系統(tǒng)的功率分配仿真模型，如圖8所示。

圖8 混合能源系統(tǒng)仿真模型

該仿真模型主要由高壓鋰離子電池、超級(jí)電容器以及電壓控制裝置組成，以模擬該混合能源系統(tǒng)在車(chē)輛行駛時(shí)各能量源的功率分配。將鋰離子電池額定電壓設(shè)定為350 V，超級(jí)電容電池額定電壓為600 V，車(chē)輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)額定電壓平臺(tái)設(shè)定為500 V。并參照?qǐng)D4 所示曲線(xiàn)模擬用戶(hù)車(chē)輛需求功率。仿真結(jié)果如圖9 所示，曲線(xiàn)1為車(chē)輛側(cè)需求功率，曲線(xiàn)2為鋰離子電池輸出功率，曲線(xiàn)3為超級(jí)電容電池輸出功率。

圖9 功率分配仿真曲線(xiàn)

由圖可知，當(dāng)車(chē)輛側(cè)需求功率瞬間增大時(shí)，鋰離子電池平衡提升輸出功率，剩余部分由超級(jí)電容電池補(bǔ)充；當(dāng)車(chē)輛側(cè)持續(xù)需求大功率功率時(shí)，鋰離子電池保持恒定輸出，剩余部分由超級(jí)電容電池補(bǔ)充；車(chē)輛側(cè)進(jìn)行能量再生時(shí)，對(duì)超級(jí)電容電池進(jìn)行充電。

從仿真結(jié)果可見(jiàn)，該混合能源系統(tǒng)可有效地將鋰離子電池輸出功率控制在限定范圍，避免其出現(xiàn)大功率充放電，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”效果。

4 結(jié)論

從效果確認(rèn)來(lái)看，該系統(tǒng)方案與傳統(tǒng)電動(dòng)車(chē)方案相比，優(yōu)勢(shì)在于：

(1)通過(guò)電池內(nèi)阻自發(fā)熱無(wú)需傳統(tǒng)熱管理液體循環(huán)回路，可以有效降低熱交換損失，從而降低加熱能耗。同時(shí)，在電芯一致性保持良好的情況下，各電芯發(fā)熱功率一致，加熱均衡性好。

(2)避免鋰離子電池大功率充放電，可以有效緩解車(chē)輛續(xù)航里程的衰減。

另一方面，該方案還處于早期研究階段，尚有很多需要解決的課題。如，該系統(tǒng)與整車(chē)控制策略如何協(xié)調(diào)，實(shí)物搭載效果以及系統(tǒng)可靠性還有待確認(rèn)，等等。期待在接下來(lái)的研究中，克服現(xiàn)有課題的不足，爭(zhēng)取將該方案投入實(shí)際應(yīng)用。