锂电池的寿命与插电式混合动力汽车能量控制研究

2019-11-08 06:01:33 粘接 2019年9期

刘冬梅 王红

摘要:较科学的插电式动力系统能量控制大致分为电量消耗与电量维持两阶段,锂电池循环工作是其摆脱电量维持阶段的前提,科学与有效使用锂电池十分重要。在生命周期内,锂电池会受到充放电倍率、放电深度、环境温度以及充放电截止电压等多种因素的影响,它们会在一定程度上造成锂电池性能的衰减,进而影响插电式混合动力汽车整车的经济性。基于电池组正常驱动、科学分配发动机与锂电池之间的能量流动等前提,文章对考虑锂电池寿命的能量控制策略进行研究,策略的制定需要考虑锂电池放电最大限制功率、放电下限值以及发动机定点功率。

关键词:插电式混合动力汽车;锂电池寿命;性能衰竭;能量控制

中图分类号:U469.72 文献标识码:A 文章编号:1001-5922(2019)09-0097-05

当今汽车工业的主要发展趋势即实现车辆的低能耗与低排放。插电式混合动力汽车具有较高的操纵性、通过性与稳定性,且在适当条件下,还可作为纯电动汽车使用,兼具混合动力汽车与纯电动汽车的优点。在能源短缺问题严重、节能减排被大力倡导的背景下,插电式混合动力汽车愈发受到市场的青睐。

对于插电式混合动力汽车而言,其能量管理策略是车辆有良好性能保证的基础,核心在于明确动力总成在不同行驶工况下的工作模式,以及不同工作模式下发动机与电机之间的功率分配。当下,插电式混合动力汽车的核心储能装置为锂电池,降低各因素对其衰减情况的影响,延长使用寿命,既能减少车辆使用成本,又可为汽车在全生命周期内的正常使用提供保证。文章以插电式混合动力汽车为研究对象,基于电池、发动机的协同运行,设计一种能量控制策略,用以优化锂电池的寿命。

1插电式混合动力汽车结构及其能量控制原理

1.1插电式混合动力汽车基本结构

插电式混合动力汽车系统结构如图1所示。该结构包括两套独立动力系统,其一由对后桥产生驱动的后驱电机及其控制器构成;其二则包括对前桥产生驱动的发动机及其控制器、与发动机具有同轴相连关系的启动/发电一体机电机及其控制器、在较低的电荷状态下将发动机启动的起动机、位于发动机与ISG电机之间的离合器1、同ISG电机输出轴具有相互连接关系的离合器2以及同离合器2具有相互连接关系的无级变速箱。除此之外,逆变器1与逆变器2分别建立起动力电池与后驱电机、ISG电机之间的连接关系。

1.2插电式混合动力汽车能量控制原理

对于插电式动力系统,较科学的能量控制大致分两段,如图2所示。电量消耗(charge-depleting,CD段)与电量维持(charge-sustaining,CS段)。在插电式混合动力汽车锂电池储能通过外界方式充满电之后,汽车的能量控制策略将根据锂电池的电量对APU系统的功率输出进行调整,不断释放锂电池存储的电能。而在电量降低到一定程度后,APU系统又会提高功率输出,将其作为汽车能量的主要来源,同时,在一个合理与高效的区间内对锂电池荷电状态予以维持。若没有外界充电装置,混合動力汽车将会始终工作于cs阶段,对锂电池进行科学、有效的使用十分重要。

2锂电池性能与插电式混合动力汽车性能之间的关系

现有混合动力汽车电池容量较小,运行能量主要源于发动机燃料释放的热能。与之不同,为确保纯电动行驶里程,插电式混合动力汽车配有大容量动力电池,可吸收电网中的经济环保电能,并优化发动机工作空间。动力电池作为插电式混合动力系统的核心能量源,直接影响车辆的性能。在各类动力电池中,锂离子电池基于其各方面优异的性能被视作前景最好的电池类型。以目前应用较多的磷酸铁锂电池为例,分析其性能与插电式混合动力汽车性能之间的关系。

磷酸铁锂电池的工作原理,如图3所示分别以橄榄形结构的磷酸铁锂以及嵌锂后的石墨为其正极与负极材料。

磷酸铁锂离子电池工作原理是充放电的循环过程,该过程中,其正极离子、电子变化情况为:

锂离子电池属于浓差电池,在外部电源为其供电时,电子将经由外部电路从正极移至负极,锂离子将从正极脱嵌进入电解液中,穿过隔膜上的小孔向负极移动,与电子相融合。放电过程反之。

正常工况下,锂离子电池仅存在锂离子在正负极间的脱嵌反应,无不可逆的离子损失。但是,运行中电池时长副反应,会引致一定的不可逆损耗,且会随着时间延长以及工况循环逐渐累积,降低电池性能,缩短其使用寿命,并影响插电式混合动力汽车的整车性能。

在室温状态下对插电式混合动力汽车中经过多次充放电循环的磷酸铁锂电池进行内阻与容量测试,并与同型号新电池比较,结果如表1所示。

根据上式,老化与新电电池比较,前者在单次循环中放出的能量减少要多于其容量的减少。对于图2的CD段,若能量管理策略未考量电池衰减及寿命因素,其实施效果较差。设定汽车行驶距离与工况均不变,分析寿命周期内电池性能的衰减对汽车经济性的影响。依据能量守恒定律,电池充放电循环过程中车辆所需能量Ereq是一个恒定的值,有:

设电池放电效率与电机效率一定,在工作状态下,电池由SOCmax降至SOCmin水平提供的能量Ebatt亦是恒值,故该环节发动机所需提供能量同样是恒值。

在电池性能衰减下,其所提供的能量是逐渐减少的,若控制策略设计不当,电池会在汽车驾驶循环未结束时便达到SOCmin,车辆进人图2的cs段运行,发动机效率较低,这不利于车辆的经济性能。

在插电式混合动力汽车中,电池SOC是一个重要参数,而电池性能的衰减会影响SOC的估算精度。若估算误差过大,可能引致电能利用不充分或超出SOC预设值,且无法识别电池组中各单体电池间性能差异,抑制充电均衡性,加速电池循环寿命的衰减,进一步降低车辆经济性。

3锂电池生命周期内性能衰减的影响因素