胡 攀,郭靈聰,韋 虹,趙福成,王瑞平,2,3

(1.寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司,浙江 寧波 315336;2.浙江吉利動(dòng)力總成有限公司,浙江 寧波 315800;3.寧波上中下自動(dòng)變速器有限公司,浙江 寧波 315800)

0 引言

節(jié)能減排是目前社會(huì)發(fā)展的主旋律,汽車節(jié)能逐漸成為當(dāng)前汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向?；旌蟿?dòng)力汽車(hybrid electric vehicle,HEV)相比傳統(tǒng)燃油車的優(yōu)勢在于其具備電動(dòng)模式,因此產(chǎn)生的汽車尾氣污染更少,而且具有省油、節(jié)能、噪聲小、易操作等特點(diǎn);與純電動(dòng)汽車相比,HEV具有續(xù)航更靈活方便等優(yōu)勢,既適合城市駕駛,又適應(yīng)長途高速行駛。因此,HEV將成為新能源汽車的重要發(fā)展方向[1],并在未來一段時(shí)間內(nèi)與純電動(dòng)汽車一起推廣應(yīng)用。

目前,HEV的儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)新的階段,其中包括鋰離子電池和鎳氫電池。然而,鋰離子電池的循環(huán)壽命較短,成本較高,并且可能會(huì)帶來安全隱患。相比之下,鋰離子電容器作為一種新興的儲(chǔ)能技術(shù),將鋰離子電池和超級(jí)電容技術(shù)結(jié)合,具有高功率密度、適中的能量密度、高安全性和長壽命等優(yōu)點(diǎn)[2-4],鋰離子電容器的性能特性如圖1所示,與HEV對(duì)電池的需求相匹配。然而,盡管已有一些研究者開始關(guān)注鋰離子電容器的產(chǎn)品開發(fā)和市場發(fā)展,但在HEV中裝載鋰離子電容器并開展實(shí)車應(yīng)用的研究還非常有限[5]。鋰離子電容器的充放電性能及其在HEV上的工作特性,是制定整車能量管理策略的基礎(chǔ)依據(jù),具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 鋰離子電容器電器性能[6]

1 HEV問題分析

某HEV作為本次研究的整車載體,其基本參數(shù)如表1所示,當(dāng)前原車采用三元鋰電池作為儲(chǔ)能單元,對(duì)于三元鋰電池而言,HEV儲(chǔ)能單元主要面臨以下三個(gè)方面的挑戰(zhàn)[7-8]。

表1 整車基本參數(shù)

(1)在動(dòng)力性方面,相同電量條件下,驅(qū)動(dòng)電功率與電池功率不匹配,其表現(xiàn)為儲(chǔ)能單元的充放電功率低于電機(jī)的最大充放電功率,主要表現(xiàn)如圖2所示。儲(chǔ)能單元無法充分發(fā)揮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率,使得在油門開度過程中,放電功率輸出受限,難以充分發(fā)揮最大功率特性。

圖2 整車加速狀態(tài)示意圖

(2)由于三元鋰電池在-35 ℃以下不具備高功率放電能力,目前HEV車型在-35 ℃以下存在啟動(dòng)困難的問題[9]。同時(shí),在-30 ℃以下,三元鋰電池?zé)o充電能力,導(dǎo)致HEV車型出現(xiàn)低溫蠕行等問題,其表現(xiàn)形式如圖3所示。

圖3 整車低溫蠕行狀態(tài)示意圖

(3)由于HEV所使用的動(dòng)力電池需要在大電流工況下進(jìn)行充放電,整個(gè)工作范圍內(nèi)可能會(huì)有長時(shí)間的大電流充放電,因此循環(huán)壽命較短[10]。

主要針對(duì)三元鋰電池在整車應(yīng)用中所面臨的問題,對(duì)鋰離子電容器工作特性展開研究,并在整車上進(jìn)行搭載驗(yàn)證。

2 鋰離子電容器工作特性研究

針對(duì)當(dāng)前HEV三元鋰電池面臨的充放電不足、低溫性能不滿足車輛-35 ℃啟動(dòng)和正常行駛要求等問題,與當(dāng)前三元鋰電池工作特性進(jìn)行對(duì)比,探討鋰離子電池作為HEV車型的儲(chǔ)能單元的可行性。

2.1 鋰離子電容器與三元鋰電池工作機(jī)理

鋰離子電容器原理如圖4所示,從圖中可以看出,鋰離子電容器的正極材料為在三元鋰電池的三元材料基礎(chǔ)上摻雜了超級(jí)電容的活性炭材質(zhì),負(fù)極采用了具有更大層間距的短臂無序硬碳材質(zhì),匹配鋰離子電容器更大的充放電性能[11-12]。鋰離子電容器的工作機(jī)理如表2所示,既具備了電池中鋰離子的脫嵌等化學(xué)反應(yīng),又具備了超級(jí)電容的多孔吸附的物理效應(yīng)。由于超級(jí)電容的物理效應(yīng)響應(yīng)快,鋰離子電容器在最初工作階段以超級(jí)電容的工作模式為主,內(nèi)阻小,溫度上升,更有利于后期以電池的工作模式進(jìn)行工作,具備更好的充放電特性[13-14]。鋰離子電容器結(jié)構(gòu)如圖5所示,為大圓柱電池,電池容量與三元鋰電池保持一致。

表2 鋰離子電容器工作機(jī)理

圖4 鋰離子電容器原理示意圖[15]

圖5 鋰離子電容器結(jié)構(gòu)圖

2.2 鋰離子電容器充放電特性的研究

2.2.1 內(nèi)阻測試結(jié)果分析

內(nèi)阻測試是衡量電池包內(nèi)部功耗的有效方法。本次測試主要對(duì)比了鋰離子電容器與三元鋰電池在常溫下10 C/10 s的內(nèi)阻,按照公式(1)計(jì)算不同電荷狀態(tài)(state of charge,SOC)下的內(nèi)阻,其測試結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出,常溫下鋰離子電容器在10 C放電狀態(tài)下10 s的內(nèi)阻均低于三元鋰電池,并且SOC越高,鋰離子電容器與三元鋰電池內(nèi)阻差異越明顯。

圖6 常溫10 C/10 s放電內(nèi)阻對(duì)比

R=(U0-U1)/I1

(1)

式中:R為內(nèi)阻,mΩ;U0為初始電壓,V;U1為放電末位電壓,V;I1為放電電流,A。

2.2.2 開路電壓測試結(jié)果分析

鋰離子電容器和三元鋰電池充放電過程中的開路電壓對(duì)比如圖7所示,從圖中可以看出SOC在40%以下階段,三元鋰電池開路電壓(open circuit voltage,OCV)高于鋰離子電容器,而當(dāng)SOC超過40%后,鋰離子電容器的開路電壓反而超過三元鋰電池,這表明SOC在40%以上時(shí),鋰離子電容器可以更好地發(fā)揮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力性。

圖7 常溫10 C/10 s充放電開路電壓對(duì)比

2.2.3 充放電測試結(jié)果分析

鋰離子電容器和三元鋰電池在常溫10 s的充放電功率測試數(shù)據(jù)如圖8所示,從圖中可以看出,在常溫下鋰離子電容器的充放電功率均高于三元鋰電池70%以上。從圖9中-35 ℃下的10 s充放電特性可以看出,鋰離子電池基本沒有充放電能力,而鋰離子電容器仍然具備一定充放電能力,可以極大地改善車輛在超低溫下的啟動(dòng)和運(yùn)行能力。

圖8 常溫10 s充放電功率對(duì)比

圖9 -35 ℃ 10 s充放電功率對(duì)比

2.2.4 自放電測試結(jié)果分析

從圖10鋰離子電容器電芯自放電性能曲線上可看出,28天后鋰離子電容器荷電保持率從100%降低至97.6%,滿足HEV車型對(duì)于儲(chǔ)能單元自放電率小于5%的設(shè)計(jì)要求。

圖10 自放電測試結(jié)果

2.2.5 冷啟動(dòng)測試結(jié)果分析

鋰離子電容器整包放入低溫環(huán)境箱進(jìn)行低溫冷啟動(dòng)測試,主要是為了模擬整車?yán)鋯?dòng)時(shí)對(duì)于功率的需求,從圖11中可以看出,在設(shè)置電池包低溫放電截止電壓為180 V的條件下,電池包可以滿足8 kW的2 s脈沖功率輸出3次,滿足當(dāng)前HEV車型冷啟動(dòng)功率需求,可以解決當(dāng)前三元鋰電池-35 ℃冷啟動(dòng)問題。

圖11 -35 ℃下8 kW脈沖放電

2.2.6 循環(huán)耐久測試結(jié)果分析

鋰離子電容器在45 ℃下的循環(huán)耐久測試曲線如圖12所示,可以看出,在前0～0.1×104次循環(huán),電池健康狀態(tài)(state of health,SOH)下降較快,初步判斷是由于正極摻雜了活性炭、負(fù)極采用硬碳等無序碳,相比于鋰電池比表面積更大,形成SEI膜的面積更大,相同條件下成形時(shí)間更長,從而消耗更多的鋰離子,使得前期容量降低較快;從當(dāng)前1.9×104次循環(huán)的結(jié)果看,鋰離子電容器達(dá)到80% SOH的循環(huán)次數(shù)有望超出3.0×104次,滿足當(dāng)前設(shè)計(jì)的要求(不小于1.5×104次循環(huán))。

圖12 45 ℃循環(huán)耐久測試

3 整車仿真預(yù)測

3.1 阻力的計(jì)算

車輛在平坦的道路上行駛時(shí),會(huì)受到空氣阻力、滾動(dòng)阻力和加速阻力的影響。這些因素會(huì)對(duì)車輛的性能產(chǎn)生重大影響。因此,根據(jù)車輛在這些力的作用下的行為,可以得出公式(2)[16]。

F=Ff+Fw+Fj

(2)

式中:F為車輛的驅(qū)動(dòng)力,Nm;Ff為滾動(dòng)阻力,Nm;Fw為空氣阻力,Nm;Fj為加速阻力,Nm。

3.1.1 滾動(dòng)阻力計(jì)算

車輛在行駛中,輪胎與路面之間的接觸受切向力和法向力的作用,由于輪胎是橡膠材料,易變形,其與路面的接觸面會(huì)出現(xiàn)受力不均勻,輪胎受力情況如圖13所示。彈性變形會(huì)產(chǎn)生受力不均的情況,導(dǎo)致車輪出現(xiàn)遲滯損耗,表現(xiàn)形式為滾動(dòng)阻力偶,如式(3)所示。

圖13 輪胎受力圖

Tf=Fza

(3)

式中:Tf是輪胎彈性變形產(chǎn)生的滾動(dòng)阻力偶;Fz是輪胎變形產(chǎn)生的法向力;a是輪胎變形產(chǎn)生法向力的力臂。

為了保證車輛的正常行駛,平衡車輪遲滯導(dǎo)致的滾動(dòng)阻力矩需要在車輪中心施加反方向的力偶矩Fp,如式(4)所示,而這時(shí)整車在平坦路面上的滾動(dòng)阻力如式(5)所示,這時(shí)的Fz與重力G形成一對(duì)平衡力,而滾動(dòng)阻力系數(shù)可以根據(jù)公式(6)計(jì)算獲得。

(4)

式中:r是整車車輪的半徑;Tr是滾動(dòng)阻力矩;f為車輪的滾動(dòng)阻力系數(shù)。

(5)

式中:G是整車重力。

(6)

式中:ua為整車車速;f0、f1、f4為相關(guān)系數(shù)。

3.1.2 空氣阻力計(jì)算

汽車在行駛中必然受到空氣的阻礙,其主要表現(xiàn)形式包括壓力和摩擦阻力,空氣阻力可由式(7)計(jì)算獲得,其中汽車迎風(fēng)面積可以由式(8)計(jì)算獲得。

(7)

A=B1H

(8)

式中:CD表示空氣阻力系數(shù),轎車取0.4～0.6;A為車輛的迎風(fēng)面積;ua為整車車速;B1為汽車前輪距;H為汽車高度。

3.1.3 加速阻力計(jì)算

加速阻力是汽車在正常行駛中因慣性作用產(chǎn)生的阻力,可由式(9)計(jì)算獲得,其中車輪旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)可由式(10)計(jì)算獲得。

(9)

(10)

式中:m是車輛質(zhì)量,kg;δ是車輪的旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù);Iw是車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;If是電機(jī)和飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;ig為變速器的速比;i0為減速器的速比;μT為汽車的傳動(dòng)系的機(jī)械效率;r為車輪的滾動(dòng)半徑。

3.2 整車加速時(shí)間的計(jì)算

當(dāng)前對(duì)HEV車型加速時(shí)間的分析主要針對(duì)車輛從車速為零開始原地起步到車速達(dá)到100 km/h的加速時(shí)間。本次以車輛從停止?fàn)顟B(tài)到全油門加速到某一車速v1的加速時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)車輛在整車行駛狀態(tài)下,其驅(qū)動(dòng)力與阻力之間的關(guān)系式如式(4)～式(10)所示,通過式(11)可以換算得到加速時(shí)間,見式(12)。

(11)

(12)

3.3 整車仿真模型搭建與計(jì)算分析

使用GT-suite軟件中的GT-Drive模塊,建立整車仿真模型來模擬實(shí)際的汽車行駛。這個(gè)模型主要基于某款HEV車型的基本參數(shù),并對(duì)其動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了模擬計(jì)算。具體流程如圖14所示。

圖14 整車仿真流程

3.3.1 整車模型搭建

基于整車架構(gòu)參數(shù)搭建了圖15所示的整車仿真模型,可以模擬整車在百千米加速測試中的能量分配、加速時(shí)間以及循環(huán)油耗等參數(shù)。

圖15 整車仿真模型

3.3.2 能量分配策略

HEV的工作工況如圖16所示,可以看出百千米加速工況下,整車主要的工作模式為低速純電模式、中低速串聯(lián)模式、大油門加速并聯(lián)模式以及高速直驅(qū)模式,在整個(gè)百千米加速工況下,電池包只要有足夠的電量,就處于工作狀態(tài),從而使得P3電機(jī)工作助力整車加速。相比于三元鋰電池的模型設(shè)置,主要變動(dòng)為將原三元鋰電池10 s持續(xù)放電功率65 kW調(diào)整至110 kW,其余策略保持不變。

圖16 HEV工作工況示意圖

3.3.3 仿真結(jié)果分析

整車百千米加速的仿真計(jì)算結(jié)果如圖17所示,該仿真結(jié)果主要是基于電池包在常溫下的充放電特性得出的?；凶枇π枰ㄟ^原車實(shí)測進(jìn)行標(biāo)定,從原車的仿真與實(shí)測結(jié)果的對(duì)比可以看出,在不同SOC下,原車百千米加速仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相近,最大差異在0.5 s以內(nèi),由此判斷仿真計(jì)算模型較為準(zhǔn)確。

圖17 百千米加速仿真結(jié)果

在同一計(jì)算模型的基礎(chǔ)上,將儲(chǔ)能單元的充放電特性曲線由原三元鋰電池更換為鋰離子電容器,進(jìn)行仿真對(duì)比分析。從三元鋰電池與鋰離子電容器對(duì)于整車不同SOC下的百千米加速仿真對(duì)比結(jié)果來看,由于鋰離子電容器充放電的特性明顯優(yōu)于三元鋰電池,鋰離子電容器在常溫10 s的最大放電功率比三元鋰電池提升了70%,可以明顯提升整車的加速性能,并且SOC越低,其動(dòng)力性提升越明顯,同時(shí)在SOC為40%時(shí),可以縮短百千米加速時(shí)間超1 s以上。從圖18的整車WLTC和NEDC循環(huán)油耗仿真結(jié)果中可以看出,鋰離子電池在內(nèi)阻上的優(yōu)勢體現(xiàn)在整車油耗上的差異不明顯,主要是由于電池本身內(nèi)阻低,其內(nèi)阻測試的差異對(duì)于油耗來說影響很小,從目前的結(jié)果來看很難通過試驗(yàn)來驗(yàn)證其差異性。

圖18 循環(huán)油耗仿真結(jié)果

4 實(shí)車驗(yàn)證分析

鋰離子電容器在整車上的布置形式如圖19所示。由于鋰離子電容器在整車布置和整包重量上的差異會(huì)對(duì)動(dòng)力性測試產(chǎn)生影響,為了排除這一影響,動(dòng)力性測試主要在整車轉(zhuǎn)轂臺(tái)架上進(jìn)行,在試驗(yàn)前對(duì)整車進(jìn)行配重,使兩種電池包車輛保持一致的重量和姿態(tài)后再進(jìn)行測試。在轉(zhuǎn)轂臺(tái)架上測試之前,先將原車進(jìn)行滑行阻力的路試,將獲得的整車滑行阻力系數(shù)作為轉(zhuǎn)轂臺(tái)架的參數(shù)輸入。

圖19 鋰離子電容器整車布置

4.1 實(shí)車動(dòng)力性驗(yàn)證

4.1.1 滑行阻力測試

在這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中,使用了常用的滑行測試方法來測量滑行阻力。研究表明,在整車滑行過程中,由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的損耗、車輪的滾動(dòng)和空氣阻力的作用,路面阻力會(huì)發(fā)生變化。通過對(duì)這些因素的分析,可以計(jì)算出路面阻力的大小。整車滑行阻力曲線如圖20所示。通過測量阻力系數(shù),可以確定整車轉(zhuǎn)轂臺(tái)架的性能,如式(13)所示。

圖20 整車滑行阻力曲線

FRL=A+BV+CV2

(13)

式中:A、B、C為阻力系數(shù);FRL為路面阻力;V為車速。

4.1.2 百千米加速測試

百千米加速試驗(yàn)主要驗(yàn)證鋰離子電容器搭載HEV車型相比于三元鋰電池在動(dòng)力性能上的提升效果,圖21和圖22分別是常溫下38% SOC、70% SOC的百千米加速曲線,可以看出鋰離子電容器車輛動(dòng)力性均有提升,在80 km/h之后仍然保持較為強(qiáng)勁的動(dòng)力。同時(shí),鋰離子電容器的SOC越低,對(duì)動(dòng)力性提升優(yōu)勢越明顯,可保證在工作SOC范圍內(nèi)持續(xù)強(qiáng)動(dòng)力輸出。

圖21 常溫38% SOC時(shí)百千米加速對(duì)比

圖22 常溫70% SOC時(shí)百千米加速對(duì)比

4.1.3 低溫運(yùn)行測試

低溫運(yùn)行測試主要是為了驗(yàn)證鋰離子電容器能否滿足在-35 ℃下整車啟動(dòng)以及加速行駛的要求。對(duì)于當(dāng)前搭載三元鋰電池的HEV車型存在-35 ℃難以啟動(dòng)以及蠕行的問題,要解決這一問題,需要儲(chǔ)能單元具備在超低溫環(huán)境下至少2 s 3次7 kW的脈沖放電功率以及1 kW的充電能力,從前期鋰離子電容器在低溫下的測試結(jié)果來看,其在-35 ℃具備8 kW的脈沖放電能力和1～2 kW的充電能力。整車的搭載驗(yàn)證結(jié)果如圖23所示,可以看出,更換鋰離子電容器后,可在-35 ℃啟動(dòng),并且解決了車輛低溫蠕行的問題。

圖23 整車低溫運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果

4.2 實(shí)車經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)證

通過對(duì)比鋰離子電容器和三元鋰電池在不同SOC下的內(nèi)阻,發(fā)現(xiàn)在50% SOC下,鋰離子電容器的內(nèi)阻比三元鋰電池低9%,而且隨著SOC的升高,這種優(yōu)勢更加明顯。因此,通過WLTC循環(huán)油耗測試來驗(yàn)證內(nèi)阻降低對(duì)油耗的影響。圖24顯示了不同電池包溫度下的油耗測試結(jié)果?？梢钥闯?不同電池包溫度下WLTC油耗測試的結(jié)果相似,差異幾乎可以忽略。因此,鋰離子電容器和三元鋰電池內(nèi)阻的差異對(duì)油耗的影響很小。

圖24 整車經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

通過對(duì)鋰離子電容器的工作特性進(jìn)行研究及搭載整車試驗(yàn),結(jié)果表明,鋰離子電容器具備應(yīng)用于HEV儲(chǔ)能單元的可行性,其主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)同等總能量下,鋰離子電容器包常溫功率性能提升70%以上,滿足當(dāng)前電驅(qū)的功率需求,可解決當(dāng)前電池包充放電功率不足的問題,提升整車的動(dòng)力性。

(2)鋰離子電容器包在-35 ℃下仍具備8 kW脈沖放電能力,能保證整車正常啟動(dòng),并且具備超低溫充電能力,可解決當(dāng)前整車在-30 ℃以下環(huán)境中的蠕行問題。

(3)鋰離子電容器具備更低的內(nèi)阻,但在整車油耗實(shí)驗(yàn)中由于儲(chǔ)能單元內(nèi)阻造成的油耗低,油耗收益不明顯。

(4)從鋰離子電容器的自放電性能來看,28天自放電仍可以控制在3%以內(nèi),滿足HEV對(duì)于自放電性能的要求(5%以內(nèi))。

(5)從當(dāng)前的循環(huán)耐久情況來看,采用10 C/10 s的充放電進(jìn)行45 ℃循環(huán)壽命測試,當(dāng)前已運(yùn)行了1.9×104次循環(huán),仍然保持88% SOH,滿足整車≥1.5×104次循環(huán)的使用要求。

所以鋰離子電容器滿足HEV車型對(duì)于儲(chǔ)能單元充放電性能、低溫冷啟動(dòng)性能、安全性能以及循環(huán)耐久性能的提升需求,雖然鋰離子電容器能量密度較低,但其仍然滿足HEV車型的設(shè)計(jì)要求,由此鋰離子電容器具備應(yīng)用于HEV車型的可行性,且可有效解決HEV車型當(dāng)前所面臨的問題。