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[底盘系统轻量化] 电动汽车动力锂电池性能测试实验平台设计

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发表于 2020-8-12 17:25:38 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】电动汽车动力锂电池性能测试实验平台设计

金 雷1 黄艳玲1 郝 爽2 孙宗旺1 朱尚功1
(1.辽宁省交通高等专科学校,辽宁 沈阳 110122;2.沈阳市金杯科技有限公司司法鉴定所,辽宁 沈阳 110020)
摘 要 电动汽车保有量高速增长,车载动力电池全生命周期性能检测对电动汽车使用、交易至关重要。本文针对车载动力锂电池电压高存在一定危险性的特点,建立低压模拟系统。基于电池—电机系统,采用磁滞制动器模拟实车负载。提出了电动汽车动力锂电池性能检测实验台结构。在对平台各组成构件设计的基础上,研制了该实验台,并通过测试验证了该实验平台可以对锂电池(组)性能进行测量与表征,为研究实车动力锂电池性能测量装置提供了参考。
关键词 电动汽车;锂电池;性能测试;实验平台

1 引言
随着电动汽车保有量逐年提高,电动汽车动力电池产销量随之增加 [1]。在电动汽车全生命周期内,车载动力电池性能对电动汽车的续航里程、车辆行驶性能等起着决定性的作用 [2]。特别的,在电动汽车二手车交易过程中,电池性能是买卖双方主要关注的车辆性能指标。因此,对电动汽车动力电池性能检测与评估有着极其重要的作用和意义。
目前,针对电池性能的检测主要集中在装车前电池检测和电池检测设备生产阶段,如珠海九源电力电子科技有限公司,广州广电计量检测股份有限公司,中国北方车辆研究所等均提供动力电池的专用检测仪设备,但此类检测设备成本以及单次检测费用高,不适用于动力电池日常检测环节。因此,针对动力电池性能日常随车检测的需求,本文提出一种电动汽车动力电池性能检测实验平台,以期对动力电池性能随车检测装置的设计与研究提供参考。

2 方案
电动汽车以电池为能源存储单元,以电机为能量转化装置。因此,其动力电池性能检测试验平台总体方案为: “充电—电池—电机—负载”。利用负载模拟实车运行情况,由电机及负载消耗电池能量,通过传感器测量基础参数,如电流、电池电压,计算电池内阻等参数,建立模型对单位时间内放电能力进行评价 [3]。通过充电对电池进行充电,对比充电前后电池参数,得到单位时间内的电池充电能力。方案总体逻辑框如图1所示。这里将动力电池视为整体,不考虑电池组均衡系统对电池性能测试平台的影响。

图1 系统总体逻辑框图
电动汽车动力电池电压较高,存在一定危险性,不利用实验研究,因此选择低电压锂电池组作为实验平台电池。实际中,可利用变压器建立低电压锂电池组与电动汽车动力电池关系,形成确定的比例关系,故可认为低压电池组性能可反映电动汽车动力电池组性能,二者关系如图2所示。本文主要针对低压电池进行性能检测,对上述交流、直接转化及变化环节不做讨论。

图2 动力电池与实验板低压电池转化关系

3 平台搭建
根据总体方案,进行了实验平台的搭建。硬件的整体组成如图3所示,包括充电部分和放电部分。充电变压器、控制器及锂电池 (组)构成充电系统。锂电池 (组)、减速电机及控制模块、磁滞制动器及其控制模块、放电检测显示控制模块构成放电系统。
充电时,市电经变压器、充电控制器给锂电池 (组)充电,锂电池 (组)额定电压为12V,充电控制器可以对充电电压进行微调,可以设定不同的充电C率,并显示充电电流及充电容量。
放电时,充电系统断开。锂电池 (组)经由放电控制器、直流电机及减速器、磁滞制动器及其控制模块进行放电。放电控制器可以显示放电电流、放电电压、放电容量等指标。直流无刷电机额定电压为12V,额定功率为20W,自带减速器,模拟电动汽车的电动机。为了避免电机空转,提高仿真效果,减速器输出轴后装磁滞制动器。磁滞制动器由电流控制,产生不同大小的磁力转矩,作为电机及减速器的负载使用。可对磁滞制动器控制电流进行预制,产生不同的负载效果,模拟上坡、变速、变扭矩等情况。

图3 实验平台组成
1.充电变压器 2.充电控制器 3.磁滞制动器 4.磁滞制动器控制器 5.电机及减速器 6.控制开关 7.放电控制器 8.锂电池 (组)及均衡系统 9.开关电源 10.充电控制器
整套实验平台可模拟电池不同环境下的负载状况,可以按不同的充放电倍率进行实验研究。可实现自动充电与断电保护、电机转速调节、负载扭矩调节功能。

4 试验
为了验证该平台是否满足锂电池 (组)性能检测的实验要求,利用该平台进行试验。选取新18650型号锂电池单体若干,四个组成一组,均配有均衡系统。选其中一组作为标准参考,其余组通过非正常循环使用,循环次数200—2000次不等,人为的构造不同的电池状态,便于检测电池状态。通过实验采集实时电池性能数据,利用模型对电池性能提供评价,以百分数表示当前电池性能,电池出厂性能认为是100%。
采用电池寿命衰减状态作为评价指标。电池寿命 (衰减)状态 (SOH)是指动力电池在某一个特定的条件下,以不同的充放电电流的倍率和充放电深度进行运行,达到一定的循环次数后,动力电池组完全失效时,所能够运行的循环次数的数量。SOH对电池的使用年限的估算,有重要的参考价值。动力电池组的理论循环寿命模型如下 [4]。

其中,Life指在某个放电深度DOD下的电池的理论循环寿命,单位为次, 为根据实验数据测算的放电深度DOD=0时电池的理论循环寿命,单位为次,M是电池特性系数,电池的类型不同,电池特性系数也不同。
充电时

放电时

式中,SIC01电池充电时、电池初始状态已有的SOC;η电池放电时,电池初始状态已有的SOC;SIC02电池在充电时的效率,η′电池在放电时的效率;Ibat在t时刻电池的充电或放电的工作电流;C电池的额定容量,A·h。
电池的充放电深度 (DOD)是电池的充放电容量与电池额度容量之比,表示为当前某一时刻t开始,在给定的Ot的时间内,以恒电流i充电或放电,则充放电的深度和电池SOC的关系式表达为:式中,SOC电池的负荷状态;SOC0电池初始的负荷状态;Ibatt时刻的工作电流;C电池的额定的容量。

采用实测数据结合上述模型进行计算,得到初步电池性能,利用大数据建立修正系统,随着数据量的不断增加,提高该评价体系的精确性和有效性。充放电循环600次,使用Peukert经验公式计算SOC,剩余性能约为76.8%。使用该实验平台实验得到数据并绘制的电池组电压与容量实验关系曲线如图4所示。

图4 电池组电压与容量实验关系曲线
经过600次充放电实验数据计算得到如图5放电特性曲线、如图6循环寿命曲线。终止放电电压时曲线才向下弯曲。

图5 放电特性曲线

图6 电池组循环寿命
①1C充电率充电,2C放电率放电,600次充放电循环。
②由曲线可知其放电容量基本不变,表示电池有很长的寿命
综上,该电动汽车动力电池性能检测模拟实验台,可以对电池性能进行测试,所给出的评价方法简单有效。

5 结论
本文提出了电动汽车动力电池性能检测实验平台结构,引入磁滞制动器模拟实车负载,并在充电、放电系统设计的基础上,完成了实验平台的搭建,利用电池组进行试验,该实验平台可以对不同电池 (组)性能进行检测与评价。


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