電動車用mhni電池性能研究

電動車用mhni電池性能研究

mh-ni電池具有能量高、充電壽命長、封閉式和免費維護(hù)的特點。隨著生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)和成本的進(jìn)一步降低，電動汽車的應(yīng)用也達(dá)到了議事日程。但是,對MH/Ni電池在電動車輛常用工況下的工作特性研究不足。因此,進(jìn)一步了解MH/Ni電池特性,為電池的選擇、控制、電池模型的建立以及充電方法的研究提供依據(jù),成為促進(jìn)MH/Ni電池在電動車輛中應(yīng)用的重點。1循環(huán)實驗和效率實驗實驗采用EVBTS-M200A電動汽車牽引電池性能綜合試驗臺,對MH/Ni電池進(jìn)行了充放電循環(huán)實驗和在各個荷電狀態(tài)(SOC)下效率實驗。放電采用恒流放電法,試驗臺作為負(fù)載使用;充電試驗采用兩階段充電法,試驗臺分別作為恒流源和恒壓源使用,表1為實驗所用MH/Ni電池規(guī)格指標(biāo)。2mh-ni電池的放電性能2.1恒回流電特性測量電動汽車上常用電流為10～20A,大功率工況下電流可能達(dá)到40～50A,甚至達(dá)80A。為此,實驗中測量了MH/Ni電池在0.2～2C各電流下的恒流放電特性。具體實驗電流見表2。2.2放電放電時電量和能量釋放的規(guī)律圖2為恒流放電時放出電量與能量和放電電流的關(guān)系。根據(jù)試驗結(jié)果,隨著放電電流的增加,放出電量逐漸下降,在90A(2C)電流放電時,放出的電量(以Ah計)僅占9A(0.2C)電流放電時放出的85.7%,能量(以Wh計)為77.6%。但在一定放電率(1C)放出電量基本穩(wěn)定在總?cè)萘康?0%左右,這個比率遠(yuǎn)高于鉛酸電池的60%,MH/Ni電池顯示出它的優(yōu)勢。3mh/ni電池充電特性電動車上實際的充電方式有3種:第1種是通過充電機(jī)充電;第2種是混合動力車中發(fā)動機(jī)發(fā)出的多余功率對電池充電;第3種是制動能量回收充電。制動能量回收充電時充電電流變化很大,且持續(xù)時間較短,在充電的整體能量中并不占主要地位;而前兩種充電方式始終伴隨電動車的使用過程,占電池充入能量的絕大部分,且其充電機(jī)制易于控制,故而試驗主要研究了MH/Ni電池在前兩種方式下的充電特性。試驗中為保證電池安全使用,縮短充電時間,采用兩階段充電法,首先采用恒流限壓充電的方法,控制最高電壓為14.35V,恒流充電結(jié)束后靜置0.5h,然后采用恒壓浮充的方法,直到充滿。采用這種充電方法的好處是:可以在第一階段采用較大電流以節(jié)省充電時間;靜置利于電池內(nèi)部恢復(fù),而后期采用恒壓充電可以在結(jié)束前達(dá)到小電流充電,既保證充滿,又可以避免電池高溫而損壞電池。3.1恒壓浮充充電情況測定電池外壁的溫度變化作為充電結(jié)束點的標(biāo)志,在實際應(yīng)用中會遇到以下問題:①溫度受外界影響較大,測量值不夠準(zhǔn)確;②為測取溫度變化,需持續(xù)恒流充電,這會造成過充,損害電池性能;③試驗中測取外壁溫度變化的曲率變化有一定困難;④不同充電電流下,溫度曲線的曲率變化趨勢不同(圖6)在大電流充電下,轉(zhuǎn)折點溫度較高,容易損害電池性能?；谝陨显?實驗中沒有采取以電池外壁溫度曲率變化為充電結(jié)束標(biāo)志的方法。試驗的一個重要內(nèi)容就是尋找合適的恒壓浮充充電中止標(biāo)志。圖3是恒壓充電時充電電流的變化曲線。從中可以看出,在恒壓充電階段的后期,隨電流的減小,會出現(xiàn)一個平臺期,充電電流保持最小值不再變化。此時停止充電,采用0.2C電流恒流放電,可以放出45Ah,證明電池已經(jīng)充滿。因此,可以以平臺期的出現(xiàn)作為充電結(jié)束標(biāo)志。而且,即使在小電流(<1.8A)平臺階段(持續(xù)30min),充入電量也少于0.9Ah,庫侖容量誤差小于2%。充電期間,電池外壁溫度也控制在35℃以下。因此,以平臺期出現(xiàn)并保持20min為結(jié)束標(biāo)志,既可以保證實驗精度,又可以保護(hù)電池性能。3.2恒流充電時vb與其他充電時vb的變化試驗采用9A、15A、20A、25A、30A、35A、40A、45A恒流充電,圖4分別為9A、20A、30A和45A充電時端電壓Vb隨時間變化的曲線。3.3電流最大電流在結(jié)束了第一階段恒流充電后,靜置半小時,進(jìn)行恒壓浮充。設(shè)定充電電壓為14.35V,同時分別限制最大電流為10A和20A,圖3中已給出充電曲線,圖中曲線以下面積為充入電量。可以看到,當(dāng)截止電流設(shè)定為20A時,因其最終電流平臺電流較高,所以造成的容量誤差會比較大,而且在這種條件下電池外壁溫度較高。因此,而采用10A作為截止電流。3.4在充電期4soc狀態(tài)下矯正間接測量的確定電池的荷電狀態(tài)SOC(StateofCharge)是電池中最重要的一個概念。它是標(biāo)稱電池剩余容量和電池總?cè)萘勘鹊囊粋€相對量,1表示電池已經(jīng)充滿,0表示電池已經(jīng)放光。電池在不同SOC狀態(tài)下的不同性質(zhì)對于建立電池模型和設(shè)計電池管理系統(tǒng)具有重要意義。我們設(shè)計試驗測量不同SOC狀態(tài)下電池的充放電庫侖效率。庫侖效率的定義為:ηC=CoutCin×100%(4)ηC=CoutCin×100%(4)其中Cout為放出的安時數(shù);Cin為充入的安時數(shù)。(4)式是在某一段SOC范圍內(nèi)的平均庫侖效率。對于在不同的SOC狀態(tài)點下的即時效率,則可以定義為:ηC=ΔCoutΔCin×100%(5)ηC=ΔCoutΔCin×100%(5)其中△Cout和△Cin分別表示在規(guī)定SOC狀態(tài)點的時間微元內(nèi)放出和充入的安時數(shù)。了解電池的充放電效率特性對于判斷電池的最佳工作區(qū)和電池工作循環(huán)效率有著重要的意義。不同的SOC狀態(tài)下電池的充放電效率是不同的。由定義可知,準(zhǔn)確測量不同SOC狀態(tài)點下的充放電效率有一定的困難,這主要是因為MH/Ni電池從開始放電到進(jìn)入平穩(wěn)階段的過渡時間較長,△Cout和△Cin難以獲得;而當(dāng)進(jìn)入平穩(wěn)階段時其SOC點已經(jīng)發(fā)生很大變化,此時得到的數(shù)據(jù)并不是規(guī)定SOC點的充放電效率。為克服這個困難,我們采用間接測量的方法。首先測出從各個SOC點到SOC=1間的平均效率,然后通過非線性擬合計算出以SOC值為自變量效率的函數(shù)模型,再反算出電池在各SOC點的庫倫效率。為避免其他因素的影響,實驗中充放電循環(huán)電流均為9A(0.2C),環(huán)境溫度穩(wěn)定在25℃。圖7是擬合的結(jié)果。5mh/ni電池過放過程特性a.放電過程中,MH/Ni電池的過渡時間較長;基本沒有發(fā)熱,大電流放電的效率也較高。b.采用兩階段法充電,在恒壓浮充階段,可以以電流平臺的出現(xiàn)作為電池充滿的標(biāo)志。c.MH/Ni電池在各個SOC狀態(tài)下的充放電效率都比較高,顯示出MH/Ni電池良好的效率特性。d.充電過程中電池在接近充滿時,其外壁溫度曲線的曲率有突變;但在大電流充電時,轉(zhuǎn)折點的外壁溫度較高。單體電池放電電壓低于1V時,已是過放電狀態(tài),試驗用MH/Ni電池為10只單體電池串聯(lián)成電池組,因此將電池組放電的截止電壓設(shè)定在10V,低于10V即為過放電狀態(tài),這在曲線中也將表現(xiàn)出來(見圖1)。在端電壓Ub低于10V時,曲線斜率接近無限大,表明進(jìn)入過放階段。以看到,與傳統(tǒng)鉛酸電池不同,MH/Ni電池在放電初期端電壓Ub變化比較平緩,有一段比較長的過渡期。在其后相當(dāng)長的一段時間內(nèi),端電壓Ub在13～12V間緩慢下降。當(dāng)電壓降到12V(1.5C以上放電時為11.5V)時,端電壓曲線的曲率有較大變化,Ub開始急劇下降。因此,在使用過程中,為保持端電壓的平穩(wěn),最好將電池端電壓Ub的使用區(qū)控制在11.5V以上。對于0.2C電流放電,在端電壓降低到11.5V之前,電池已經(jīng)放出總?cè)萘康?5%以上,對于常用電流(10～20A),放電量也超過90%。因此,使用電壓控制在這個端電壓范圍內(nèi),電池的庫侖容量損失并不大。但是,對于大電流(超過1.5C)持續(xù)放電時,電池的庫侖容量損失超過40%。因此,應(yīng)盡量避免大電流(>1.5C)持續(xù)放電。在恒流充電期間,出現(xiàn)一個電壓平臺,且隨電流的增大,電壓平臺逐漸增高。電池的電量主要是在這個期間內(nèi)得到恢復(fù),所以,這個平臺期的長短及位置關(guān)系到電池電量的恢復(fù)。圖5給出充電電流和充入電量與能量的關(guān)系?？梢钥吹?充入電量及能量和充電電流基本成線性關(guān)系。試驗測試了MH/Ni電池在常用的幾種充電電流(9A,15A,30A)條件下的溫度特性。為保證測量的連續(xù)性,在溫度試驗中采用恒流充電,圖6為電池外壁溫度隨時間變化的關(guān)系圖?？梢钥吹?在電池接近充滿時,電池外壁溫度曲線的曲率有明