田晟　李亞飛　李拾成（.華南理工大學，廣州50640；.廣州汽車集團股份有限公司，廣州5434）

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增程式電動汽車用鋰離子動力電池試驗研究*

田晟1李亞飛2李拾成2
（1.華南理工大學，廣州510640；2.廣州汽車集團股份有限公司，廣州511434）

【摘要】增程式電動汽車車載鋰離子動力電池的電性能直接影響整車的使用性能。為研究鋰離子電池單體的充放電性能、標定開路電壓曲線及不同靜置時間對極化消除的影響，以INR18650-33G電芯為例，并以某款車載鋰離子電池系統(tǒng)為試驗對象，研究了鋰離子電池系統(tǒng)的充放電特性。試驗結(jié)果表明，INR18650-33G電芯具有良好的一致性，但充、放電1 h后極化現(xiàn)象仍不能完全消除，放電極化現(xiàn)象比充電極化嚴重；單體的一致性和系統(tǒng)的散熱性能對整個動力電池系統(tǒng)的電性能有重要影響。

1　前言

增程式電動汽車（EREV）具有節(jié)油率高、不受續(xù)航里程限制等優(yōu)點，被認為是傳統(tǒng)燃油汽車與純電動汽車之間的最佳過渡產(chǎn)品。動力電池技術(shù)是電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵，對電池性能的研究與應用受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注［1～4］，國外相關(guān)研究機構(gòu)制定了車用電池的測試標準和測試方法［5～7］。

相對于國外的電池測試及管理系統(tǒng)技術(shù)，我國雖起步較晚但發(fā)展迅速［8］，如楊陽等［9］研究了電池在不同放電倍率及不同溫度條件下的充放電特性、開路電壓、溫升、內(nèi)阻與效率特性等，同時相關(guān)研究機構(gòu)也在逐步建立與完善車用鋰離子電池的行業(yè)標準［10，11］。本文結(jié)合相關(guān)標準，針對某增程式電動汽車（EREV）用鋰離子電池單體的充放電性能、標定開路電壓曲線以及不同靜置時間對極化消除的影響進行了試驗分析與研究。

2　試驗設(shè)備

2.1HT225-40A高低溫試驗箱

HT225-40A高低溫試驗箱主要用來控制電池單體的溫度，可控溫度為-40～150℃，所測試電芯質(zhì)量為5 kg，如圖1所示。

2.2HTH1920-40A高低溫濕熱試驗箱

HTH1920-40A高低溫濕熱試驗箱用來控制動力電池組的試驗溫度、濕度環(huán)境，其可控溫度范圍為-40～150℃，可控濕度范圍為25%RH～98%RH，所測試電芯質(zhì)量為250 kg，如圖2所示。

圖1　HT225-40A高低溫試驗箱及其控制程序界面

圖2　HTH1920-40A高低溫濕熱試驗箱及其控制程序界面

2.3MACCOR Series 4000電芯測試柜

MACCOR Series 4000電芯測試柜可測試鋰離子電池單體的容量特性、內(nèi)阻功率特性、循環(huán)壽命等。該設(shè)備共有16個主通道，單通道最大持續(xù)功率為250 W，充放電電流范圍為250 mA～50 A，電壓范圍為0～5 V，可采集-120～150℃范圍的溫度數(shù)據(jù)，Maccor設(shè)備及其操作軟件界面如圖3所示。

圖3　MACCOR/S4000電芯測試柜及其操作軟件界面

2.4AV900電池測試設(shè)備

AV900電池測試設(shè)備可對動力電池組/電池系統(tǒng)進行容量、功率、循環(huán)壽命等測試。其單通道最大持續(xù)功率為250 kW，充放電范圍為-500～500 A，電壓范圍為8～900 V，同時AV900的輔助通道還包括24個溫度通道（-40～150℃）和36個電壓采集通道（0～5 V），AV900電池測試設(shè)備及操作軟件界面如圖4所示。

3　電芯試驗

3.1INR18650-33G電芯試驗概述

以3只INR18650-33G電芯為試驗樣本（1#、2#、 3#），采用Maccor S4 000電池模擬器和HT225-40 A高低溫試驗箱進行充放電試驗，研究鋰離子電池電芯的充電容量與放電容量之間的關(guān)系，并對鋰離子電池的極化消除時間進行分析。INR18650-33G電芯主要性能參數(shù)如表1所列。

圖4　AV900電池測試設(shè)備及其操作軟件界面

表1　INR18650-33G電芯及主要性能參數(shù)

3.2試驗內(nèi)容

a.標準充放電試驗。在（25±2）℃的環(huán)境溫度下，以0.3 C恒流將試驗樣本電壓充至4.2 V，然后轉(zhuǎn)恒壓充電，至試驗樣本電流降至0.02 C時完成充電。將完成充電后的試驗樣本靜置30 min以恢復電平衡，再以0.05 C恒流放電至截止電壓為2.5 V，靜置30 min后重復此方式充滿電，記錄充、放電容量。

b.充電OCV試驗。將充滿電的試驗樣本以0.5 C恒流放電至2.5 V，以標準充電方式充入5%的容量（約10 min），靜置1 h并記錄此過程中電壓等參數(shù)的變化。按此循環(huán)20次至充滿電，以0.3 C恒流補電30 min。

c.放電OCV試驗。以標準充電方式將試驗樣本充滿電，以0.5C的恒流電流放電，放出容量的5%（約10 min），靜置1 h并記錄此過程中電壓等參數(shù)的變化。按此循環(huán)操作20次，至樣本電壓達到2.5 V時停止放電。

3.3試驗結(jié)果與分析

3.3.1.INR18650-33G電芯充/放電容量

試驗中3只試驗樣本的充、放電容量如表2所列。

表2　INR18650-33G電芯充放電容量　A·h

QC/T743—2006中規(guī)定的單體鋰離子電池放電容量標準差δ及標準差系數(shù)Cδ的計算方法分別為：

式中，Ci為第i個電池的放出容量；Cˉ為n個電池單體的平均容量。

根據(jù)式（1）和式（2）可計算出該電芯的容量標準差為0.006 4 A·h，容量標準差系數(shù)為0.002 1，說明樣本具有較好的一致性。

3.3.2.INR18650-33G電芯的OCV曲線

圖5為靜置1 h后1#、2#、3#試驗樣本的充、放電OCV曲線。由圖5可看出，OCV曲線不是單一的線性關(guān)系，在SOC為5%～70%范圍內(nèi)，充、放電OCV曲線未重合，說明靜置1 h后極化尚未完全消除。

圖5　靜置1 h后試驗樣本的充、放電OCV曲線

圖6為1#樣本在不同靜置時間的放電電壓回彈曲線，由圖6可看出，在放電首端0～5%SOC段電壓回彈曲線差異較大，放電靜置30 s后電芯極化消除約65%，放電靜置5 min后極化能消除約90%。

圖6　1#試驗樣本不同靜置時間的放電電壓回彈曲線

圖7為1#樣本不同靜置時間的充電電壓回彈曲線，可看出在充電末端90%～100%SOC時差異較大；電芯充電靜置30 s后極化消除約60%，充電靜置5 min后極化可消除約80%。

圖7　1#試驗樣本不同靜置時間的充電電壓回彈曲線

4　EREV車載鋰離子電池系統(tǒng)試驗

4.1試驗對象

試驗對象為增程式電動汽車用G-RE鋰離子動力電池，如圖8所示，根據(jù)空間布置分為電池A包和B包，系統(tǒng)額定電壓為345.6 V，額定容量為38 A·h，工作電壓為280.8～399.6 V，主要參數(shù)如表3所列。

圖8　增程式電動汽車用G-RE鋰離子動力電池

表3　G-RE鋰離子動力電池主要參數(shù)

4.2試驗內(nèi)容

參考鋰離子動力電池試驗的相關(guān)標準，對EREV車用鋰離子動力電池系統(tǒng)進行了7項試驗，包括1C容量標定、13 kW能量標定、15 kW恒功率充電（0%SOC開始至充電截止）、53 kW恒功率放電（100%SOC開始至放電截止）、40 kW峰值功率充電（90%SOC）、67 kW峰值功率放電（20%SOC）、87 kW峰值功率放電（20%SOC）。試驗主要設(shè)備包括電池模擬器、CANalyzer、計算機、絕緣檢測儀等，試驗臺框架如圖9所示。

圖9　EREV車載鋰離子動力電池系統(tǒng)試驗臺框架示意

4.3試驗結(jié)果和分析

4.3.11C容量標定試驗及結(jié)果分析

1C容量標定試驗包括以下步驟：

a.絕緣檢測；

b.恒流放空，以38 A恒流放電至電池組總電壓≤250 V，靜置30 min；

c.以38 A電流和387 V的電壓，對電池組進行恒流恒壓充電，電流≤3 A時充電截止，靜置30 min；

d.以38 A進行恒流放電，至總電壓≤250 V時截止，靜置30 min；

e.以38 A的恒定電流對電池系統(tǒng)進行補電，當SOC≥35%時截止。

此項試驗初始狀態(tài)為：SOC=9.7%，總電壓為341 V，單體電壓為2.73～3.2 V，溫度為26～27℃。單體電壓最大值達到3.7 V時充電截止。終止狀態(tài)為：SOC=96.8%，總電壓為387 V、單體電壓為3.46～3.7 V，溫度為31～34℃。試驗共用時47.55 min，充入能量為30.149 A·h。

系統(tǒng)初始放電狀態(tài)為：SOC=92.5%，總電壓為367 V，單體電壓為3.35～3.41 V，溫度為30～33℃，當單體電壓最小值達2.6 V時放電截止。終止狀態(tài)為：SOC=9.7%，總電壓為331 V，單體電壓為2.5～3.12 V，溫度為32～36℃。放電過程共用時47.58 min，放出容量為30.106 A·h。

4.3.213 kW能量標定試驗及結(jié)果分析

13 kW能量標定試驗步驟如下：

a.絕緣檢測；

b.恒流放空，38 A恒流放電至總電壓≤250 V截止，靜置30 min；

c.以38 A電流和387 V的電壓對電池組進行恒流恒壓充電，電流≤3 A時充電截止，靜置30 min；

d.以13 kW的恒定功率放電至總電壓≤250 V，靜置30 min；

e.以38 A恒流充電對電池系統(tǒng)進行補電，當SOC≥35%時截止。

此項試驗初始狀態(tài)為：SOC=93%，總電壓為369 V，單體電壓為3.35～3.45 V，溫度為31～38℃，當單體電壓達到最小值2.6 V時放電截止。終止狀態(tài)為：SOC= 9.5%，總電壓為332 V，單體電壓為2.5～3.12 V、溫度為33～40℃，放電共用時49.53 min。試驗過程中總放電能量為10 674.6 W·h。

4.3.315 kW恒功率充電試驗及結(jié)果分析

15 kW恒功率充電試驗步驟如下：

a.絕緣檢測；

b.恒流放空，38 A恒流放電至總電壓≤250 V截止，靜置30 min；

c.以15 kW的恒定功率進行充電，至總電壓≥387 V時截止；

d.靜置30 min，完成試驗。

此項試驗初始狀態(tài)為：SOC=9.7%、總電壓為342 V、單體電壓為2.67～3.21 V、溫度為26～26℃，當系統(tǒng)總電壓達到387 V時充電截止。終止狀態(tài)為：SOC= 96.9%、總電壓為387 V、單體電壓為3.47～3.67 V、溫度為31～33℃。試驗共用時44.77 min，電池系統(tǒng)充電容量為30.471 A·h，充電能量為11 177.9 W·h。

4.3.453 kW恒功率放電試驗及結(jié)果分析

53 kW恒功率放電試驗步驟如下：

a.絕緣檢測；

b.恒流恒壓充滿，以38 A電流和387 V電壓充電至電流≤3 A，靜置30 min；

c.恒功率放空，以53 kW放電至總電壓≤250 V，靜置30 min；

d.以38 A恒流充電對電池系統(tǒng)進行補電，當SOC≥35%時截止。

此項試驗用時11.53 min，初始狀態(tài)為：SOC=93%，總電壓為371 V，單體電壓為3.36～3.48 V，溫度為30～33℃，當單體電壓最小值達到2.6 V時放電截止。放電終止狀態(tài)為：SOC=19.5%，總電壓為312 V，單體電壓為2.43～2.97 V，溫度為42～58℃。試驗過程中電池系統(tǒng)的放電容量為30.623 A·h，放電能量為10 156.2 W·h。

4.3.540 kW峰值功率充電試驗及結(jié)果分析

40 kW峰值功率充電試驗步驟如下：

a.絕緣檢測；

b.恒流恒壓充滿，以38 A電流和387 V電壓充電至電流≤3 A，靜置30 min；

c.以38A恒流放電6 min，調(diào)整至90%SOC，靜置30 min；

d.恒功率充滿，以40 kW的恒定功率充至總電壓≥387 V；

e.靜置30 min，完成試驗。

此項試驗用時1.98 min，初始狀態(tài)為：SOC=83%，總電壓為362 V，單體電壓為3.31～3.34 V，溫度為30～39℃，總電壓達387 V時充電截止。終止狀態(tài)為：SOC=92.9%，總電壓387 V，單體3.5～3.67 V，溫度為32～41℃。試驗過程中充電容量為3.473A·h，充電能量為1 316.8 W·h。

4.3.667 kW峰值功率放電試驗及結(jié)果分析

67 kW峰值功率放電試驗步驟如下：

a.絕緣檢測；

b.恒流放空，38 A恒流放電至總電壓≤250 V截止，靜置30 min；

c.以38 A電流恒流充電12 min，調(diào)至20%SOC，靜置30 min；

d.恒功率放空，以67 kW的恒定功率放電至總電壓≤250 V，靜置30 min；

e.以38 A恒流充電對電池系統(tǒng)進行補電，當SOC≥35%時截止。

此項試驗用時2.06 min，初始狀態(tài)為：SOC=28.7%，總電壓為356 V，單體電壓為3.25～3.3 V，溫度為31～33℃，當單體電壓最小值達到2.6 V時放電截止。放電的終止狀態(tài)為：SOC=13.6%，總電壓為295 V，單體電壓為2.36～2.82 V，溫度為35～45℃。試驗過程中電池系統(tǒng)的放電容量為7.312 A·h，放電能量為2 307.4 W·h。

4.3.787 kW峰值功率放電試驗及結(jié)果分析

87 kW峰值功率放電試驗步驟如下：

a.絕緣檢測；

b.恒流放空，38 A恒流放電至總電壓≤250 V截止，靜置30 min；

c.以38 A恒定電流充電12 min，至20%SOC，靜置30 min；

d.恒功率放空，以87 kW的恒定功率放電至總電壓≤250 V時截止。

此項試驗共用1.72 min，放電截止時單體電壓最小值達到2.3 V。放電初始狀態(tài)為：SOC=23%，總電壓為356 V，單體電壓為3.24～3.3 V，溫度為25～28℃。放電終止狀態(tài)為：SOC=2.7%，總電壓為283 V，單體電壓1.55～2.74 V，溫度為32～40℃。試驗過程中電池系統(tǒng)放電容量為7.471 A·h，放電能量為2 302.58 W·h。

4.3.8試驗結(jié)果分析

將EREV車用鋰離子動力電池系統(tǒng)的7項試驗結(jié)果與目標值進行了對比，如表4所列。由表4可知，因鋰離子電池動力系統(tǒng)單體的壓差較大，在試驗沒達到截止條件時卻因單體電池的閥值提前到達而導致提前終止；由于鋰離子電池系統(tǒng)的散熱條件較差，電池組最高溫度達到58℃，電池系統(tǒng)較高的溫度對各試驗結(jié)果有較大影響，電池系統(tǒng)的散熱能力直接影響其電性能和壽命。

表4　試驗結(jié)果與目標值對比

5　結(jié)束語

通過對EREV車載鋰離子電池系統(tǒng)試驗結(jié)果的分析可知，以INR18 650-33G電芯為代表的單體鋰離子電池具有良好的一致性，充、放電靜置30 s后充、放電極化約消除60%，靜置1 min后充、放電極化能夠消除約80%，放電極化現(xiàn)象比充電極化嚴重，該研究為動力電池系統(tǒng)的電壓、SOC等參數(shù)的準確采樣提供了參考，有助于設(shè)計科學的采樣時間以減小數(shù)據(jù)誤差。EREV車用鋰離子電池系統(tǒng)的充、放電過程因單體電池的電壓提前達到閥值而提前結(jié)束，試驗過程中電池系統(tǒng)的溫度較高對電池性能產(chǎn)生不利影響，說明單體的一致性和系統(tǒng)的散熱性能對整個動力電池系統(tǒng)的充放電性能有重要影響。

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11QC/T 743—2006電動汽車用鋰離子蓄電池.北京：國家發(fā)展和改革委員會，2006.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2016年2月2日。

主題詞：增程式電動汽車鋰離子動力電池充放電一致性電池極化

Experimental Research on Lithium-ion Power Battery for Extended Range Electric Vehicle

Tian Sheng1，Li Yafei2，Li Shicheng2
（1.South China University of Technology，Guangzhou 510640；2.Guangzhou Automobile Group Co Ltd，Guangzhou 511434）

【Abstract】Electrical properties of lithium-ion battery for extended range electric vehicle（EREV）directly affect vehicle performance.In order to study the impact of charge and discharge performance of lithium-ion battery cells，calibration OCV（open circuit voltage）curve and different standing time on the elimination of polarization，we take INR18650-33G battery cell as the example and an on-board lithium-ion battery system as research object to investigate the charge and discharge characteristic of the lithium-ion battery system.The results show that：INR18650-33G batteries have good consistency，whereas the polarization phenomenon can not be eliminated completely after 1h of charge and discharge，and the discharge polarization is more serious than the charge polarization；monomer consistency and heat dissipation of the system affect electrical performance of the battery power system significantly.

Key words:Extended range electric vehicle，Lithium-ion power battery，Charge-discharge，Consistency，Cell polarization

中圖分類號：U469.72

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）05-0042-05

*基金項目：廣東省科技計劃項目（2015A080803001）。