陶玉鹏 聂永福 朱红 蒋旭吟 曾祥兵
摘 要：锂离子动力电池作为纯电动汽车的动力来源，整车运行工况影响电池的功率输出特性和热性能表现。通过对电池在持续大功率放电及循环充放电测试工况下的热性能及功率输出性能的分析研究，明确了在不同工况下电池包内部个测试点的温度及温差变化，以此优化整车充放电控制策略。
关键词：锂离子电池;电动汽车;热性能;控制策略
近年来，随着纯电动汽车的开发技术的不断发展以及对高续航电动汽车需求，具有高能量密度的三元锂离子电池被设计开发并运用到电动汽车上[1]。锂离子电池作为纯电动汽车的唯一的能量来源，为了满足高续航纯电动汽车的需求，尽可能多的高能量密度的电芯成组后并放到有限空间内，该设计在整车恶劣的运行工况下可能会给电池系统内部的电芯带来高温环境[2]。另一方面，电池过热以及电池包内部热量的不均一性，都将会严重影响到电池功率输出及寿命，而动力电池的性能直接影响到电动车的动力性能和安全性能。
1 实验
1.1 实验对象
实验研究对象为纯电动汽车用高比能量的三元动力电池系统，电池相关的参数如下：电量32.3KWh、最高温度阀值51℃、测试温度保护阀值60℃。
1.2 实验设备
100KW快速充电机（CSG-BCG-D3020），步入式高低温湿热试验室（EW594065W型），充放电设备（EVT250-500-60 KW IGBT）。
1.3 实验方法
（a）电池常温静置，且电池温度在（25±2） ℃，以34.6A恒流充至满电，在40℃下放置大于6h，且系统温度在（40±2） ℃;b）进行持续放电（HSC）和循环测试工况（CTC）测试。
2 结果与讨论
2.1 温度传感器布置
根据电池内部模组的成组形式，共布置18个NTC温度传感器，以用于检测电池内部温度变化，并依据不同工况下电池的温升特性，优化电池系统的功率输出策略。
2.2 持续放电（HSC）
依据整车最大需求的放电功率，对电池进行模拟放电测试，图1（a）中描述了三种放电策略，策略1（CL-1）依据整车爬坡需求的最大功率36.5KW，对电池包从满电状态下进行持续放电至30% SOC的实际测试，图1（b）中的展示了策略1测试过程中的最高最低温度（CL-1 Tmax和CL-1 Tmin）變化，可以观察到电池温度持续升高。放电结束时，电池包的最高温度为53℃，高于动力电池使用的上限温度。为此CL-2中进行了降功率处理，即当CL-2 Tmax ≥ 48℃时，放电功率由36.5KW降低至30KW，但是由图1（b）中温度曲线可以看出，末端的温升明显放缓，但热量还是在不断积累，放电末端的最高温度也高达50℃。CL-3在上述分析的基础上，进行多次降功率，即当CL-3 Tmax ≥ 45℃时，电池放电功率由36.5KW降低至26KW;当CL-3 Tmax ≥ 48℃时，电池放电功率由26KW降低至22KW持续放电至30% SOC，具体的功率变化如图1（a）所示。由图1（b）中最高最低温度变化，可以看到放电结束时最高温度基本稳定在48℃，此时电池包放电产生的热量与对外散热量基本处于一个平衡状态，且电池包内温差也可控制在3℃内。
2.3 循环测试工况
2.3.1 充放电策略
图2中展示了三种循环测试工况（CTC）充放电策略，具体如下：1）策略1（CTC-1）先以23.3KW持续放电至30% SOC，再以104A的电流充电至80% SOC，最后以23.3KW恒功率持续放电至30% SOC;2）策略2（CTC-2）中仅将快充电流降低至52A，放电功率维持在23.3KW;3）策略3（CTC-3）放电策略为当最高温度（CTC-3 Tmax）大于等于45℃时，放电功率由23.3KW降低至18.5KW，当CTC-3 Tmax ≥ 48℃时，快充电流由52A降至20A，此外放电功率由18.5KW降低至9.6KW。
2.3.2 充放电过程中温度变化
图3中描述了三种充放电策略下的最高和最低温度的变化，由循环工况1（CTC-1）的最高最低温（CTC-1 Tmax）度变化可以看到，测试结束后最高温度已达到58℃，明显高于温度阀值。循环工况2（CTC-1）将快充电流降低至52A，虽然快充阶段的最大温升降低至6℃，但是由于起始温度较高（48℃）及快充后放电功率仍为23.3KW，导致测试结束后的末端最高温度（CTC-2 Tmax）仍然高达52℃。基于上述的两种测试结果的分析，为了达到充电时间、电池温升、整车动力性三者的平衡目的，需要满足快充前后及循环工况末端的最高温度控制在48℃以下。由图3中可以分析得到当放电功率降至18.5KW时，CTC-3 Tmax基本维持在45℃，保证快充前的温度不会过高。为保证快充后电池温度不会高于48℃，所有当CTC-3 Tmax ≥ 48℃时，快充电流降低至20A。整个循环工况（CTC-3）测试完成后，电池系统各温度检测点的最高温度在45℃左右，温差控制在3℃以内。
3 结语
通过对电池系统进行台架测试，并根据实验结果优化电池系统充放策略。结果表明在高温45℃和48℃进行适当降功率处理，可以将充放电末端温度控制在48℃，温差控制在4℃。
参考文献：
[1]Capasso C，Veneri O. Experimental analysis on the performance of lithium based batteries for road full electric and hybrid vehicles[J]. Applied Energy，2014，136：921-930.
[2]Sato N. Thermal behavior analysis of lithium-ion batteries for electric and hybrid vehicles[J]. Journal of power sources，2001，99（1-2）：70-77.
