崔津滔，曾慶東，王天利（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

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鉛酸動力電池峰值功率測試方法研究

崔津滔，曾慶東，王天利
（遼寧工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

摘要：動力電池峰值功率對于電動汽車動力匹配優(yōu)化和合理設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)控制策略具有重要的理論意義。本文提出峰值功率估計(jì)-恒功率充放電驗(yàn)證的測試方法，并以鉛酸動力蓄電池為例測試常溫 25 ℃ 下電池不同 SOC 點(diǎn)的峰值功率。結(jié)果表明，恒壓充放電法得到的峰值功率估計(jì)值與最終結(jié)果相吻合，該方法可以便捷地測試不同持續(xù)時間的電池峰值功率。

關(guān)鍵詞：峰值功率；動力電池；能量管理；電動汽車；恒壓充放電；動力匹配

0 引言

在混合動力汽車系統(tǒng)中，能量管理系統(tǒng)需要知道電池在當(dāng)前操作條件下的可用功率，以便分配車輛發(fā)動機(jī)和電機(jī)的功率來獲得最佳的燃油經(jīng)濟(jì)性。在純電動汽車動力匹配設(shè)計(jì)初期，考慮到要充分發(fā)揮電池的作用，而又不影響電池的使用壽命，峰值功率對于電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和電機(jī)的選型具有重要的參考價值[1-2]。此外，峰值功率可以作為評價一款動力電池的性能指標(biāo)。

電池峰值功率測試方法主要有多段脈沖實(shí)驗(yàn)法和恒功率放電法[3]。多段脈沖實(shí)驗(yàn)法是在設(shè)定的溫度和 SOC 下，通過對電池進(jìn)行大量不同倍率的充放電脈沖實(shí)驗(yàn)，并統(tǒng)計(jì)每次脈沖放電最后 t 秒時的充放電電流和輸出電壓的規(guī)律，通過函數(shù)擬合的方法反求得到截止電壓時的放電電流即為 t 秒持續(xù)時間下的最大充放電電流，該電流與截止電壓相乘就是該狀態(tài)下的峰值功率。由此可知，該方法的準(zhǔn)確性建立在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上，且沒有直接測得功率值。恒功率法是測試設(shè)定持續(xù)時間和截止電壓下電池峰值功率最直接的方式，但測試過程為逐步逼近且具有一定的盲目性，因此該方法更適合作為預(yù)估峰值功率的驗(yàn)證手段。對電池進(jìn)行恒壓充電（電壓上限）和恒壓放電（電壓下限）可以方便快速地得到峰值功率的估計(jì)值[4]，因此，本文對電池峰值功率的測試采用峰值功率估計(jì)－恒功率充放電驗(yàn)證的測試過程來完成。

1 影響因素分析

電池峰值功率是指一定持續(xù)時間（短時間）內(nèi)，在電池工作電壓范圍內(nèi)的最大連續(xù)充放電功率。峰值功率包括輸入峰值功率和輸出峰值功率。峰值功率的大小受多種因素的影響，如持續(xù)時間，電池荷電狀態(tài)，恢復(fù)程度，溫度等。

1.1 持續(xù)時間

動力電池峰值功率的持續(xù)時間與實(shí)際應(yīng)用中極限工況的持續(xù)時間有關(guān)，如急加速、爬大坡以及緊急制動能量回收。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，急加速持續(xù)時間在城市工況和高速工況下分別為 10 s 和 25 s，緊急制動持續(xù)時間在上述兩路況中分別為 5～10 s 和33 s[5]。為了考慮動力電池的實(shí)際應(yīng)用情況，本文將測試 30 s 持續(xù)時間下的峰值功率。

1.2 電池荷電狀態(tài)

隨著放電的進(jìn)行，電池輸入峰值功率增大，輸出峰值功率降低。為了全面地測試動力電池的峰值功率性能，實(shí)驗(yàn)選取的 SOC 測試區(qū)間為 0.1～1。美國電池協(xié)會認(rèn)定的 SOC 定義為：以相同倍率電流對電池進(jìn)行放電，電池剩余容量占該條件下電池所能放出的總能量的比值[6]。因此，SOC 點(diǎn)的調(diào)節(jié)要采用相同的充放電倍率。

1.3 恢復(fù)程度

電池的恢復(fù)程度可用當(dāng)前的開路電壓與經(jīng)過充分靜置后的電池穩(wěn)定電壓的差值來衡量，差值越小說明恢復(fù)得越充分。車輛運(yùn)行過程中，相鄰的兩次大功率充放電之間的時間間隔約為 30 s～1.5 min。圖 1 為實(shí)驗(yàn)電池恒壓放電脈沖之后開路電壓的恢復(fù)曲線。由圖可以看出，放電結(jié)束后大約 60 s 就已經(jīng)接近穩(wěn)定電壓，因此，每個 SOC 測試點(diǎn)開始測試前需靜置 1 min。

圖 1 電池 OCV 恢復(fù)過程

1.4 電池狀態(tài)

電池老化后充放電能力將會下降，實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)對電池進(jìn)行多次充放電循環(huán)活化實(shí)驗(yàn)，并在標(biāo)準(zhǔn)放電倍率下驗(yàn)證能否放出標(biāo)稱容量，以此來確定電池的健康程度。

1.5 溫度

溫度對于電池的峰值功率性能影響明顯，這是由于電池的內(nèi)阻與溫度成反比。本文只是探討測試峰值功率的方法，因此，以常溫 25 ℃ 為例來進(jìn)行峰值功率的測試。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)對象及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)對象為 6EVF-120 鉛酸動力電池，該電池充電上限為 14.8 V，充電下限為 10.0 V，3 小時率放電容量為 120 Ah。實(shí)驗(yàn)過程中 SOC 測試點(diǎn)都是由上一個 SOC 測試點(diǎn)以 40 A 充放電 12 Ah 得到，數(shù)據(jù)采樣時間為 0.05 s。出于保護(hù)電池的目的，測試過程中電池截止電壓 U1（充電上限）為 14.5 V，U2（放電下限 ）為 10.5 V。實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度的恒溫箱 GDW-800 以及 AeroVironment公司產(chǎn) ABC-150/DCU 電池測試試驗(yàn)臺。

2.2 峰值功率估計(jì)

先將電池充滿電（充電峰值功率為放空電量），然后放入恒溫箱中靜置 1 h ，再接入ABC-150/DCU 試驗(yàn)臺。首先設(shè)置使電池以 U2恒壓放電 30 s 并記錄功率數(shù)據(jù)（測試充電峰值功率時，電池設(shè)置為以 U1恒壓充電 30 s）；接著，調(diào)整至下個 SOC 測試點(diǎn)，靜置 1 min 后重復(fù)上述步驟。圖 2 為各個 SOC 測試點(diǎn)下的恒壓放電功率曲線，恒壓充電功率曲線與此相似。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，電池的峰值功率在經(jīng)過大約 2 s 達(dá)到一個峰值后逐漸下降，在 10 s 之后變化速度逐漸放緩幾乎為一條直線。由于采樣時間為 0.05 s，采樣數(shù)據(jù)足夠密集。在每個 SOC 測試點(diǎn)采集的離散數(shù)據(jù)中，以最接近 30 s 的時間點(diǎn)對應(yīng)的功率值為在該 SOC 點(diǎn)下30 s 的峰值功率估計(jì)值，所以由于是估計(jì)值允許有一定的誤差。表 1 為按上述方法三次實(shí)驗(yàn)得到的電池峰值功率的平均估計(jì)值。

圖 2 各個 SOC 測試點(diǎn)的恒壓放電功率曲線

表 1 充放電峰值功率估計(jì)值

2.3 峰值功率驗(yàn)證

將電池充滿電后（充電峰值功率為放空電量）放入恒溫箱 1 h 接入 ABC-150/DCU 試驗(yàn)臺。 圖 3 為 25 ℃ 下 0.5SOC 時恒功率放電測試結(jié)果曲線，呈二次多項(xiàng)式趨勢。

圖 3 恒功率放電功率與持續(xù)時間關(guān)系曲線

由圖 3 可知，該電池各個 SOC 點(diǎn)在 20～35 s持續(xù)時間的峰值功率變化幅度較小，因此猜想峰值功率估計(jì)值與真實(shí)值誤差不會很大。恒功率驗(yàn)證時，由于不可能找到一個充放電持續(xù)時間恰為 30 s的功率值，所以在每個 SOC 點(diǎn)除對峰值功率估計(jì)值進(jìn)行測試外，另增加估計(jì)值 ±0.05 kW 兩點(diǎn)進(jìn)行恒功率充放電測試，并記錄達(dá)到截止電壓時的充放電持續(xù)時間。以充放電功率為橫坐標(biāo)，持續(xù)時間為縱坐標(biāo)進(jìn)行描點(diǎn)，采用數(shù)值分析的方法對得到的離散點(diǎn)進(jìn)行分析并得到數(shù)據(jù)的函數(shù)規(guī)律。對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到擬合函數(shù)式 t=0.0003P2+0.0145P+0.678，以持續(xù)時間 t=30 s 帶入式中，即可得到持續(xù)時間30 s 的峰值功率為 0.833 kW， 結(jié)果與估計(jì)值基本吻合。調(diào)整 SOC 至下一個測試點(diǎn)重復(fù)上述步驟得到各個 SOC 點(diǎn)的充放電峰值功率，如圖 4 所示。隨著 SOC 的增大，該電池最大放電性能近乎線性增大，而最大充電性能總體是下降的趨勢，但前半段下降趨勢較后半段平緩。

圖 4 6EVF-120 型鉛酸動力電池峰值功率

3 結(jié)論

采用峰值功率估計(jì)－恒功率充放電驗(yàn)證的測試方法可以有效地測試動力電池峰值功率。測試結(jié)果

表明，恒壓充放電法可以較為準(zhǔn)確地對峰值功率進(jìn)行預(yù)測，在恒功率驗(yàn)證階段可以快速地找到峰值功率所在區(qū)間，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。在不需要準(zhǔn)確地知道電池峰值功率的情況下，單獨(dú)使用恒壓充放電法即可得到較為精確的電池峰值功率值。本文采用的峰值功率測試方法同樣適用于其他類型的動力電池峰值功率測試。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉偉. 混合動力汽車系統(tǒng)建模與控制[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2014: 123.

[2] 張彩萍, 張承宇, 李軍求. 動力電池組峰值功率估計(jì)算法研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2010(6): 1524-1527.

[3] 李方, 林毅夫, 楊麗華. HEV 用蓄電池輸出功率的測試方法研究[J]. 電源技術(shù), 2009(3): 210-212.

[4] 田碩, 李哲, 盧蘭光, 等. HEV 用動力蓄電池的最大充放電性能[J]. 電池, 2008(1): 27-30.

[5] 胡宇. 電動車動力電池功率狀態(tài)預(yù)測研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱理工大學(xué), 2012.

[6] 李彬, 程為彬, 李杰, 等. 電池的等效模型仿真應(yīng)用研究[J]. 蓄電池, 2015(2): 65-67.

Research on peak power test for lead-acid traction battery

CUI Jintao, ZENG Qingdong, WANG Tianli
(Automobile and Traffi c Engineering College, Liaoning University of Technology, Jinzhou Liaoning 121001, China)

Abstract:It is very important to study peak power of power battery for the optimization of matched dynamic parameter of EV and the reasonable design of battery manage system. A method of peak power estimation-constant power charging and discharging verification is present in this paper. The peak power of lead-acid in different SOC under the normal temperature (25 ℃) is tested as an example. The result shows that the estimation value of peak power from constant voltage test is consistent with the fi nal result, so this test method is effective and convenient.

Key words:peak power; power battery; energy manage; EV; constant voltage charging and discharging; power matching

收稿日期：2015–08–26

中圖分類號：TM 912.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-0847(2016)01-15-03