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

        2021-07-29 07:11:52呂志強(qiáng)姚俊彬江統(tǒng)高
        汽車零部件 2021年7期

        呂志強(qiáng),姚俊彬,江統(tǒng)高

        (廣汽本田汽車研究開發(fā)有限公司,廣東廣州 511330)

        0 引言

        隨著我國(guó)汽車電動(dòng)化事業(yè)的迅猛發(fā)展,市面上的電動(dòng)車數(shù)量迅速增加,目前鋰離子電池在低溫環(huán)境中性能短板帶來的影響也越來越凸顯。用戶對(duì)電動(dòng)車在低溫下續(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?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)車高壓系統(tǒng)構(gòu)成一套混合能源系統(tǒng),并通過鋰離子電池與超級(jí)電容電池相互充放電時(shí)內(nèi)阻發(fā)熱來提升鋰離子電池溫度。另一方面,在車輛需求大功率驅(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)整車主要?jiǎng)恿υ?,由大容量鋰離子電池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)過程中,電壓控制裝置起了相當(dāng)大的作用。具體來說,通過反復(fù)實(shí)施以下兩個(gè)過程,實(shí)現(xiàn)鋰離子電池通過自身內(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)前車輛狀態(tài)(如:車輛系統(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)束過程(1)并進(jìn)入過程(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,通過反復(fù)充放電自發(fā)熱方式最終給鋰離子電池電芯帶來的溫升為:

        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),車輛進(jìn)入反復(fù)充放電內(nèi)阻加熱流程,開始通過自發(fā)熱的方式來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)際特性及整車控制需求來進(jìn)行標(biāo)定。

        通過實(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)車輛時(shí),無需等待電池加熱。

        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)過程進(jìn)行描述:

        (1)“削峰”階段:一般情況下,鋰離子電池為車輛提供全部的動(dòng)力輸出,但當(dāng)車輛側(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。車輛側(cè)再生的能量,通過電壓控制裝置對(duì)母線電壓進(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)汽車往往需要使用PTC加熱器或類似手段對(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,將通過仿真方式模擬出內(nèi)阻發(fā)熱所帶來的效果。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)化仿真建模過程,并提升仿真精度,使用了某純電動(dòng)汽車搭載的動(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,需要從電池廠家獲取溫度-電芯內(nèi)阻特性曲線以及SOC-電芯內(nèi)阻的動(dòng)態(tài)曲線,并將動(dòng)態(tài)曲線加載到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

        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,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 所示曲線模擬用戶車輛需求功率。仿真結(jié)果如圖9 所示,曲線1為車輛側(cè)需求功率,曲線2為鋰離子電池輸出功率,曲線3為超級(jí)電容電池輸出功率。

        圖9 功率分配仿真曲線

        由圖可知,當(dāng)車輛側(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,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)來看,該系統(tǒng)方案與傳統(tǒng)電動(dòng)車方案相比,優(yōu)勢(shì)在于:

        (1)通過電池內(nèi)阻自發(fā)熱無需傳統(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。

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