电动车用mhni电池性能研究

电动车用mhni电池性能研究

mh-ni电池具有能量高、充电寿命长、封闭式和免费维护的特点。随着生产技术的改进和成本的进一步降低，电动汽车的应用也达到了议事日程。但是,对MH/Ni电池在电动车辆常用工况下的工作特性研究不足。因此,进一步了解MH/Ni电池特性,为电池的选择、控制、电池模型的建立以及充电方法的研究提供依据,成为促进MH/Ni电池在电动车辆中应用的重点。1循环实验和效率实验实验采用EVBTS-M200A电动汽车牵引电池性能综合试验台,对MH/Ni电池进行了充放电循环实验和在各个荷电状态(SOC)下效率实验。放电采用恒流放电法,试验台作为负载使用;充电试验采用两阶段充电法,试验台分别作为恒流源和恒压源使用,表1为实验所用MH/Ni电池规格指标。2mh-ni电池的放电性能2.1恒回流电特性测量电动汽车上常用电流为10～20A,大功率工况下电流可能达到40～50A,甚至达80A。为此,实验中测量了MH/Ni电池在0.2～2C各电流下的恒流放电特性。具体实验电流见表2。2.2放电放电时电量和能量释放的规律图2为恒流放电时放出电量与能量和放电电流的关系。根据试验结果,随着放电电流的增加,放出电量逐渐下降,在90A(2C)电流放电时,放出的电量(以Ah计)仅占9A(0.2C)电流放电时放出的85.7%,能量(以Wh计)为77.6%。但在一定放电率(1C)放出电量基本稳定在总容量的80%左右,这个比率远高于铅酸电池的60%,MH/Ni电池显示出它的优势。3mh/ni电池充电特性电动车上实际的充电方式有3种:第1种是通过充电机充电;第2种是混合动力车中发动机发出的多余功率对电池充电;第3种是制动能量回收充电。制动能量回收充电时充电电流变化很大,且持续时间较短,在充电的整体能量中并不占主要地位;而前两种充电方式始终伴随电动车的使用过程,占电池充入能量的绝大部分,且其充电机制易于控制,故而试验主要研究了MH/Ni电池在前两种方式下的充电特性。试验中为保证电池安全使用,缩短充电时间,采用两阶段充电法,首先采用恒流限压充电的方法,控制最高电压为14.35V,恒流充电结束后静置0.5h,然后采用恒压浮充的方法,直到充满。采用这种充电方法的好处是:可以在第一阶段采用较大电流以节省充电时间;静置利于电池内部恢复,而后期采用恒压充电可以在结束前达到小电流充电,既保证充满,又可以避免电池高温而损坏电池。3.1恒压浮充充电情况测定电池外壁的温度变化作为充电结束点的标志,在实际应用中会遇到以下问题:①温度受外界影响较大,测量值不够准确;②为测取温度变化,需持续恒流充电,这会造成过充,损害电池性能;③试验中测取外壁温度变化的曲率变化有一定困难;④不同充电电流下,温度曲线的曲率变化趋势不同(图6)在大电流充电下,转折点温度较高,容易损害电池性能。基于以上原因,实验中没有采取以电池外壁温度曲率变化为充电结束标志的方法。试验的一个重要内容就是寻找合适的恒压浮充充电中止标志。图3是恒压充电时充电电流的变化曲线。从中可以看出,在恒压充电阶段的后期,随电流的减小,会出现一个平台期,充电电流保持最小值不再变化。此时停止充电,采用0.2C电流恒流放电,可以放出45Ah,证明电池已经充满。因此,可以以平台期的出现作为充电结束标志。而且,即使在小电流(<1.8A)平台阶段(持续30min),充入电量也少于0.9Ah,库仑容量误差小于2%。充电期间,电池外壁温度也控制在35℃以下。因此,以平台期出现并保持20min为结束标志,既可以保证实验精度,又可以保护电池性能。3.2恒流充电时vb与其他充电时vb的变化试验采用9A、15A、20A、25A、30A、35A、40A、45A恒流充电,图4分别为9A、20A、30A和45A充电时端电压Vb随时间变化的曲线。3.3电流最大电流在结束了第一阶段恒流充电后,静置半小时,进行恒压浮充。设定充电电压为14.35V,同时分别限制最大电流为10A和20A,图3中已给出充电曲线,图中曲线以下面积为充入电量。可以看到,当截止电流设定为20A时,因其最终电流平台电流较高,所以造成的容量误差会比较大,而且在这种条件下电池外壁温度较高。因此,而采用10A作为截止电流。3.4在充电期4soc状态下矫正间接测量的确定电池的荷电状态SOC(StateofCharge)是电池中最重要的一个概念。它是标称电池剩余容量和电池总容量比的一个相对量,1表示电池已经充满,0表示电池已经放光。电池在不同SOC状态下的不同性质对于建立电池模型和设计电池管理系统具有重要意义。我们设计试验测量不同SOC状态下电池的充放电库仑效率。库仑效率的定义为:ηC=CoutCin×100%(4)ηC=CoutCin×100%(4)其中Cout为放出的安时数;Cin为充入的安时数。(4)式是在某一段SOC范围内的平均库仑效率。对于在不同的SOC状态点下的即时效率,则可以定义为:ηC=ΔCoutΔCin×100%(5)ηC=ΔCoutΔCin×100%(5)其中△Cout和△Cin分别表示在规定SOC状态点的时间微元内放出和充入的安时数。了解电池的充放电效率特性对于判断电池的最佳工作区和电池工作循环效率有着重要的意义。不同的SOC状态下电池的充放电效率是不同的。由定义可知,准确测量不同SOC状态点下的充放电效率有一定的困难,这主要是因为MH/Ni电池从开始放电到进入平稳阶段的过渡时间较长,△Cout和△Cin难以获得;而当进入平稳阶段时其SOC点已经发生很大变化,此时得到的数据并不是规定SOC点的充放电效率。为克服这个困难,我们采用间接测量的方法。首先测出从各个SOC点到SOC=1间的平均效率,然后通过非线性拟合计算出以SOC值为自变量效率的函数模型,再反算出电池在各SOC点的库伦效率。为避免其他因素的影响,实验中充放电循环电流均为9A(0.2C),环境温度稳定在25℃。图7是拟合的结果。5mh/ni电池过放过程特性a.放电过程中,MH/Ni电池的过渡时间较长;基本没有发热,大电流放电的效率也较高。b.采用两阶段法充电,在恒压浮充阶段,可以以电流平台的出现作为电池充满的标志。c.MH/Ni电池在各个SOC状态下的充放电效率都比较高,显示出MH/Ni电池良好的效率特性。d.充电过程中电池在接近充满时,其外壁温度曲线的曲率有突变;但在大电流充电时,转折点的外壁温度较高。单体电池放电电压低于1V时,已是过放电状态,试验用MH/Ni电池为10只单体电池串联成电池组,因此将电池组放电的截止电压设定在10V,低于10V即为过放电状态,这在曲线中也将表现出来(见图1)。在端电压Ub低于10V时,曲线斜率接近无限大,表明进入过放阶段。以看到,与传统铅酸电池不同,MH/Ni电池在放电初期端电压Ub变化比较平缓,有一段比较长的过渡期。在其后相当长的一段时间内,端电压Ub在13～12V间缓慢下降。当电压降到12V(1.5C以上放电时为11.5V)时,端电压曲线的曲率有较大变化,Ub开始急剧下降。因此,在使用过程中,为保持端电压的平稳,最好将电池端电压Ub的使用区控制在11.5V以上。对于0.2C电流放电,在端电压降低到11.5V之前,电池已经放出总容量的95%以上,对于常用电流(10～20A),放电量也超过90%。因此,使用电压控制在这个端电压范围内,电池的库仑容量损失并不大。但是,对于大电流(超过1.5C)持续放电时,电池的库仑容量损失超过40%。因此,应尽量避免大电流(>1.5C)持续放电。在恒流充电期间,出现一个电压平台,且随电流的增大,电压平台逐渐增高。电池的电量主要是在这个期间内得到恢复,所以,这个平台期的长短及位置关系到电池电量的恢复。图5给出充电电流和充入电量与能量的关系。可以看到,充入电量及能量和充电电流基本成线性关系。试验测试了MH/Ni电池在常用的几种充电电流(9A,15A,30A)条件下的温度特性。为保证测量的连续性,在温度试验中采用恒流充电,图6为电池外壁温度随时间变化的关系图。可以看到,在电池接近充满时,电池外壁温度曲线的曲率有明