soc狀態(tài)對動力電池性能的影響研究

soc狀態(tài)對動力電池性能的影響研究

0車載發(fā)動機系統(tǒng)混合動力汽車（hv）是指同時使用同一輛汽車的電動汽車（車主）和發(fā)動機（發(fā)動機）作為動力，通過先進的電子網絡系統(tǒng)將兩種電動汽車有機地協(xié)調起來，實現最佳能源分配，并實現低能耗、低污染和高自動駕駛的汽車。1測試方法1.1關于樣品信息1.2功率輔助型混合電動汽車電池內阻測試以樣品A和樣品B為試驗對象。利用脈沖電流充放電方法測定電池充放電內阻。參考美國《FreedomCAR功率輔助型混合電動汽車電池測試手冊》電池的內阻包括歐姆電阻和極化內阻兩部分。電池在加載脈沖電流后，階躍電壓（0.1s）對應電池的歐姆內阻，階躍電壓與10s時電壓的差值認為是電池的10s極化內阻，10s脈沖的綜合阻值計算公式（1）為：其中，R1.3功率特性測試以樣品A和樣品B為試驗對象。電池的充放電功率特性，可以通過對電池在進行直流內阻測試的過程中，由以下公式（2)(3）計算獲得：其中，P1.4電化學-量熱法以樣品A和樣品B為試驗對象。通過加速絕熱量熱儀（ARC）提供絕熱環(huán)境，使用電化學-量熱法進行測試。該方法一般是聯(lián)合使用電化學和各種量熱技術對電池進行電化學性能測試，同時采集過程中的熱特性，進行綜合分析。因此該方法能夠測試得到電池的電學特性、熱特性以及兩者之間的關系。隨著對動力電池熱管理性能的重視，電化學-量熱法也更加受到廣泛的重視。將待測電池放置于ARC中，電池充放電測試使用美國Bitrode公司的MCV12-100/50/10-5型號的充放電測試儀。測試中，將ARC的工作模式設置為“絕熱”模式，測試時ARC將通過對電池溫度的監(jiān)測來調整腔體溫度以維持和樣品相同的溫度，從而避免樣品與外界的熱交換，制造一個絕熱環(huán)境，用于研究動力電池過充電試驗中的熱失控反應。測試流程：1）將電池安裝在ARC內，連接電壓、溫度采集裝置；2）對電池進行試驗前的預處理，使電池達到預定狀態(tài)；3）靜置，直至電池溫度與ARC腔體溫度平衡且處于25℃±2℃；4）啟動ARC，設置為絕熱模式，對電池進行規(guī)定的充放電測試；5）記錄充放電過程中電池的電壓、溫度。1.5a充電至4.2v的轉換以樣品C為試驗對象。電池充放電和循環(huán)測試使用美國Bitrode公司的MCV12-100/50/10-5型號的充放電測試儀。以動力電池的初始容量作為后續(xù)測試中的1C。1）容量測試方法2.75V-4.2V,2A充電至4.2V后轉恒壓充電至電流下降至0.1A，以2A恒流放電至2.75V，充放電間靜置1h。2）循環(huán)測試方法a)將電池按照以上要求充滿電，靜置3600s;b)以1C將電池放電至目標SOC(45%SOC放電1980s、65%SOC放電1260s、85%SOC放電540s），靜置30min;c)然后以1C放電0.2CAh，靜置10min;d)以1C充電0.2CAh（如果電壓達到4.2V則繼續(xù)以4.2V恒壓充電，直至充電0.2CAh），靜置10min;e)重復c)-d）步驟100次；f)按照方法“1）容量測試方法”進行電池的放電容量測試；g)按照“2.2直流內阻測試方法”進行50%SOC狀態(tài)下的直流內阻測試。2結果討論2.1脈沖充放電功率混合動力車輛對動力電池的最基本要求就是較好的倍率充放電性能，以便能夠更好的服務于車輛的動力輔助以及高效的能量回收。而動力電池的功率特性受到其自身核電狀態(tài)（Stateofcharge,SOC）的影響。圖2為樣品A和樣品B的脈沖充放電功率與放電深度（Depthofdischarge,DOD）的關系?？梢钥吹竭@兩款電池在性能變化的趨勢上是一致的，隨著放電深度的增加，脈沖放電功率降低，脈沖充電功率上升。但是兩款電池的充放電脈沖功率交點所在位置并不一致，可以看到A電池脈沖充放電功率交點在50%DOD附件，具備均衡的脈沖充放電倍率特性，而B樣品的脈沖放電倍率性能優(yōu)于充電倍率性能，所以其交點發(fā)生在60%DOD附近。而在確定電池可用SOC區(qū)間時，就應該根據車輛設計的對電池充電、放電脈沖功率的需求進行選擇，一般通過放電功率需求確定SOC的下限，通過充電功率需求確定SOC的上限，確保所選電池SOC區(qū)間的充放電功率特性滿足要求。2.2電池內阻特性混合動力車輛的主要目的就是節(jié)能，因此動力電池在使用中的能量效率至關重要。一般影響動力電池能量效率的因素主要是電池系統(tǒng)的內阻，包括電化學反應內阻和其他電阻，其中電化學反應的內阻取決于電池的化學體系，造成充放電電位偏離平衡電位而產生能量損失；其他電阻都將以熱量形式造成能量損失。因此電池在不同SOC狀態(tài)下的內阻特性是電池選擇以及SOC區(qū)間選擇的關鍵參數。圖3展示了兩款電池在不同DOD狀態(tài)下的充放電內阻情況，可以發(fā)現電池在DOD中部充放電內阻都最小，當放電深度達到90%時，充放電電阻達到最大，放電電阻大于充電電阻。不過我們也能夠看到AB兩款樣品在內阻變化的細節(jié)上仍然存在差異，其中A樣品在充放電內阻隨著DOD的增加，內阻先下降后上升，而B樣品在放電初期，充放電內阻也保持在了較低水平。隨著加速絕熱量熱儀（ARC）的推廣使用，可以直接測試得到電池在不同SOC區(qū)間充放電時的溫升速率，溫升速率越大則表明電池在充電過程中發(fā)熱量越大，能量損耗越多。圖4是A、B兩款電池的充電過程中的溫升速率曲線，電池在充電過程中放熱存在兩個階段：恒流充電階段和恒壓充電階段，由于恒壓階段電流下降后對能量效率的比較不具備直接的參考價值，所以圖中僅保留了恒流充電階段的數據。從圖4測試結果可以看到電池的溫升速率隨著充電的進行先下降后上升，這與電池內阻的變化規(guī)律基本保持了一致。圖5是A、B兩款電池的放電過程中的溫升速率曲線，我們可以看到，隨著放電的進行，溫升速率由高到底后再升高。由于電池的放熱功率由電池溫度測試得到，而溫度的測量受到傳熱等方面的影響略有滯后，所以在起始時放熱功率很低，經過了一個迅速的上升過程。2.3不同soc區(qū)間壽命衰減特性最后一個重要的指標是電池的使用壽命。在通常的認識中，電池頻繁的在滿電態(tài)使用，會由于較高的副反應而造成壽命快速衰減，但是電池在不同SOC區(qū)間工作時的壽命衰減規(guī)律如何呢？圖6展示電池樣品C在不同SOC區(qū)間工作時的壽命衰減情況，由于混合動力汽車往往僅使用電池較窄的SOC區(qū)間，所以本研究中選擇了25%-45%、45%-65%、65%-85%分別代表低、中、高SOC狀態(tài)的典型區(qū)間。從圖中可以看到，SOC區(qū)間越低，壽命衰減越慢。表1為電池不同SOC區(qū)間循環(huán)測試衰減數據。進一步對測試的電池在不同循環(huán)次數后的充放電內阻進行了測試，發(fā)現隨著循環(huán)測試的進行，電池充放電內阻逐步增大，可以發(fā)現與壽命衰減趨勢一致，循環(huán)測試SOC區(qū)間越高，電池內阻增加越快（圖7）。表3、表4為電池內阻變化與循環(huán)次數的關系。3soc中部區(qū)間動