三種動(dòng)力電池的特性分析對(duì)比

節(jié)能和環(huán)保是目前汽車(chē)技術(shù)研究的主要方向，動(dòng)力電池則是電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的關(guān)鍵，動(dòng)力電池特性的研究對(duì)于電動(dòng)車(chē)電池有著重要的意義。

鉛酸動(dòng)力電池成本低廉，技術(shù)成熟，支持大電流放電，安全性高，在非動(dòng)力應(yīng)用場(chǎng)合中可不配置電池管理系統(tǒng)，但其較低的比能量無(wú)法滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的需要。

氫鎳電池和鋰離子電池是目前電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池領(lǐng)域的主要選擇。現(xiàn)有的氫鎳電池也存在不足，如單體電壓低(1.2V)、自放電損耗大、對(duì)環(huán)境溫度敏感等。對(duì)氫鎳電池的改進(jìn)主要集中在高低溫狀態(tài)下性能和安全性的提高、充放電性能的優(yōu)化 、自放電牢的降低。與其他電池相比，鋰離子電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)，在能量功率性能方面具較大優(yōu)勢(shì)，在比能量、放電功率、循環(huán)壽命及密封性等方面，均可滿(mǎn)足美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)(USABC)的電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池中期目標(biāo)。

1 特性對(duì)比

本文研究的動(dòng)力電池種類(lèi)包括鉛酸電池、氫鎳電池和鋰電池。

1.1 容量特性

容量特性是動(dòng)力電池首先需要考察的技術(shù)指標(biāo)，主要內(nèi)容是可用容量與放電倍率的關(guān)系、在不同溫度下的可用容量變化。由于電池額定容量不同，因此在圖1、圖2中均采用可用容量比率：

圖1 可用容量比率與電流的關(guān)系

其中可用容量為電池放電至最低截止電壓時(shí)的放出電量。

從圖2可知?dú)滏?0 Ah動(dòng)力電池因?yàn)樵谧匀伙L(fēng)冷條件下放電，電池溫度升至38℃截止，致使可用容量降低。同樣對(duì)于VRLA65 Ah電池在400 A恒流放電時(shí)，由于溫度過(guò)高使得放電過(guò)程終止。相反鋰離子電池的容量特性比較理想，可用容量的衰減趨勢(shì)不顯著，可用容量變化不大;在較低倍率電流放電情況下，磷酸鐵鋰離子電池要比錳酸鋰離子電池高。圖2為不同溫度時(shí)動(dòng)力電池的可用容量比率，可以看出：

(1)鉛酸電池、氫鎳電池和磷酸鐵鋰離子電池的可用容量受溫度影響較為顯著;

(2)電池都存在最佳溫度區(qū)域;

(3)鋰離子電池的可用容量受溫度影響比較平穩(wěn)，但磷酸鐵鋰離子電池的可用容量對(duì)低溫溫度較為敏感。

圖2 可用容量比率與溫度的關(guān)系

1.2 效率特性

效率是電池的重要參數(shù)，是電池剩余電量估計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù)之一。庫(kù)侖效率的測(cè)量和計(jì)算以《USABC電池測(cè)試手冊(cè)》為準(zhǔn)，圖3和圖4分別為VRLA電池和鋰離子電池在不同溫度下的庫(kù)侖效率。由圖3、圖4可以看出，鉛酸電池和氫鎳電池、鋰離子電池的庫(kù)侖效率形態(tài)大體上是一致的，差別在于：

(1)鉛酸電池和鋰離子電池的高溫庫(kù)侖效率與氫鎳電池相比較高;

(2)鋰離子電池的庫(kù)侖效率與溫度的相關(guān)度要弱一點(diǎn)。

圖3 VRLA電池在不同溫度的庫(kù)侖效率

圖4 三種錳酸鋰離子電池在不同溫度的庫(kù)侖效率

1.3 電壓特征

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的參數(shù)匹配需要了解動(dòng)力電池的電壓特征。本節(jié)均采用電池電壓在10～12 V之間的模塊為分析對(duì)象。鉛酸電池模塊為6個(gè)單體電池串聯(lián)，氫鎳電池模塊為10個(gè)單體電池串聯(lián)，鋰離子電池模塊為3個(gè)單體電池串聯(lián)。

(1)10～l2v模塊的開(kāi)路電壓

圖5 10～12V模塊級(jí)別的電池開(kāi)路電壓

從圖5可知：

a 錳酸鋰電池的voc 比磷酸鐵鋰離子高，與SOC的關(guān)系規(guī)律更類(lèi)似于氫鎳電池;

b 磷酸鐵鋰電池Voc 與SOC之間的相關(guān)性較差;

c 液態(tài)錳酸鋰離子電池和聚合物錳酸鋰離子電池的Voc存在較大差別，而兩種液態(tài)錳酸鋰離子電池之問(wèn)的Voc變化規(guī)律基本一致。

(2)10～12v模塊的放電電壓

圖6為不同電池模塊的放電電壓特征對(duì)比。

圖6 不同動(dòng)力電池1O～12 V模塊級(jí)別的放電電壓對(duì)比

從圖6中可知：

a 氫鎳電池具有與鉛酸電池、鋰離子電池不同的工作電壓特征，在放電初期和后期，電壓變化過(guò)渡“柔和”，有利于根據(jù)電壓進(jìn)行SOC估計(jì)，放電中期的電壓平臺(tái)時(shí)間較短;

b 錳酸鋰離子電池和鉛酸電池的恒流放電電壓曲線(xiàn)比較接近，而磷酸鐵鋰電池電壓平臺(tái)特征較顯著，但平臺(tái)電壓值低于錳酸鋰離子電池。

1.4 直流內(nèi)阻特性

直流內(nèi)阻是表征動(dòng)力電池性能和壽命狀態(tài)的重要指標(biāo)，決定電池的高功率放電能力，影響電池的熱特性和效率。

1.4.1 不同沖擊電流下的直流內(nèi)阻

圖7 氫鎳80Ah電池模塊充放電內(nèi)阻

圖7為不同電流下的氫鎳電池模塊充放電內(nèi)阻。從圖7可知，對(duì)氫鎳電池來(lái)說(shuō)：

(1)不論充放電倍率大小，SOC對(duì)電池內(nèi)阻的影響都呈現(xiàn)為馬鞍形狀，鞍底為SOC=60%附近;

(2)電池內(nèi)阻較小的區(qū)域?yàn)?0%~80%。