在电动车工况下进行动力电池特性分析.docx

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在电动车工况下进行动力电池特性分析

昆山诚电动车科技有限公司黎虤

在中国，无论是电动四轮车（电动汽车）还是电动国两轮车（电动摩托和电动自行车），因其使用低成本、噪音低、零排放等特点，都越来越受到消费者、企业、政府等个人和组织的关注。

也正因为电动车环保节能的特点，受到全世界企业和政府的关注。

在我们是一个从事电动车动力系统技术匹配服务和驱动系统产品开发、制造、销售的专业团队。

通过我以及我们团队长期进行电动车动力系统研究和市场信息的调查了解，制约电动车发展的瓶颈主要在于电池技术水平。

这种技术水平一方面是电池的功率密度、能量密度、安全性等产品技术的突破，另一方面来原于对电池特性的认识和应用。

根据《QC/T742-2006电动汽车用铅酸蓄电池》、《QC/T743-2006电动汽车用锂子蓄电池》的标准及一些企业的企标、提供的特性参数来看，是不能指导整车厂进行动力系统设计的。

电池特性应站在整车工况的角度、用户的角度来认识和分析，才能提升整车的商品性。

车辆的工况除公交车、观光车等固定场地、路线的车辆外，电动车用户主要有以下的工况和希望：

一、平路行驶的工况

消费者平路行驶最关注的指标是续航能力和剩余行驶距离。

路续航能力：

是指车辆以某一恒定的速度，在充饱电后，电动车在平路上能行驶的最远距离。

这是评价车辆的能耗情况。

这一些是消费者最关心的问题之一，特别是电动，由于电动车能源补充的时间长，目前少有专业的充电站，因此该项指标它不仅是能耗的标准，也是该车活动半径的指标；

剩余行驶距离：

是指车辆在某一工况下还能行驶的距离。

也就是用户在任何时下，能知道在该工况下能还能行驶多远。

这用于用户选择合适的驾驶模式来保证安全达到目的地，避免人推车的尴尬。

二、加速：

加速分为起步加速和超越加速。

起步加速是指：

从0到指定速度的时间或0到指定距离行驶的时间。

在等红绿灯时，绿灯亮后，起步加速性好的车有优势。

在城市里行驶时，起、停等红绿灯的情况是非常频繁的，起步加速性也显得很重要。

超越加速性是指：

从一个较低的速度到一个较高的速度所需要的时间或从一个较低的速度到一个较高的速度行驶一定距离所花的时间。

这种功能在超车时使用，超越加速性越好，超车就越安全。

同时在有时过红绿灯的十字路口，超越加速也显得非常重要。

加速性能是对车辆动力系统峰值功率的要求，只能在很短的时间内使用，而不能长时间使用的功率，一般情况下这种功率允许使用的时间为10～30S。

三、爬坡

客户不仅追求爬坡的坡度，还追求爬坡的速，这就是要求动力系统短时功率能力的要求。

这种短时时间一般情况下为5~10分钟。

四、随机使用

由于用户的工作特性，随时都可能用车，比如：

快餐店的送餐电动摩托车、单位的客人接送车等。

为了保证有充足的电能，客户在用完车后，不管电池的剩余容量有多少，第一件事就会选择充电。

当客户要用车时，不管充电饱和度是多少，拔掉插头就走。

这样客户对电动车的动力系统的要求是安全浮充、安全快充。

除上述的工况下，用户还关心成本、可靠性、安全性。

1.使用成本

使用成本是指系统成本，标准为每公里多少钱（￥）即：

2.可靠性

在规定的有效期内运行，车辆性能的衰减不超过企业的规定值。

比如一辆电动摩托车，在新车时以最高速度行驶，续航能力为60km。

在一年内（或多少公里内），续航能力不能小于48km。

3.安全性

电动车有的用锂电、有的用高压等，这此会有燃烧、爆炸、触电的安全性隐患，如何有效的避免。

上述的几个问题都与电动车动力系统的性能在功率、能耗、便捷性、可靠性有关。

在电动车的动力系统里，电池的特性约束着汽车的这些外在特性。

如果站在动力系统工况下来评价动力电池的特性，就不止国标要求的内容了。

经过几年来根据客户提出的要求、市场用户的调研，我们对电动车动力电池的特性评价除国标的外，还增加了：

额定、功率特性、放电特性、充电特性、温度特性、寿命特性、安全特性七个方面。

电池特性

一、额定

额定标志着在标准容量的状态下，电池的最佳使用状态。

包含的项目有：

容量、放电电流、放电电压、功率、充电电流、寿命等。

根据我们实测的一组铅酸电池为例，我们编制的电池的额定参数表为：

表1：

48V20Ah电池额定参数表

项目

额定值

说明

容量C2

20Ah

在25℃的环境下，按规定的要求充电后放置2小时后，以10A的电流持续放电到规定的截止电压，放电时间为2小时。

放电电流

10A

在25℃的环境下，用10A电流持续放电不影响寿命。

放电电压

48V/

45V~52V

在25℃的环境下，在200次DOD循环后，10A电流放电时，电池输出的最高电压为52V，最低电压为45V。

电池放出70%的容量后，电压≥48V。

功率

450W

在25℃的环境下，电池能恒定的输出450W的功率。

能量

960Wh

在25℃的环境下，用额定电流持续放电的总能量。

充电电流

充电电流最大5A的充电模式。

寿命

400

在25℃的环境下，以额定充放电进行100%DOD循环至电池容量衰减至80%时，电池的充放质循环次数。

二、电池的功率特性

功率特性包括电池不同工况的功率和功率密度。

电池的功率是电池能输出的电压和电流的乘积，是整车动机动性的必要保证，车辆的加速性能、最高车速、最大爬坡能力等都是需要大功率来保证的。

电池的功率与容量不能划等号，对于同一厂商的同一型号的电池，容量越大，功率就越大，对不同厂家的电池，容量相同功率不一定相同，也就是流放电的能力不一样。

比如同样容量、同样的铅酸电池，最大放电电流有2C的，也有4C的。

功率密度是指单位体积和单位质量能输出的功率。

它表示电池的功率能力。

同时也表示了电池的设计水平。

动力电池功率特性表如下（下表我们测试并与厂商沟通后整理的某品牌铅酸电池的功率特性表）：

表2：

电池功率特性表

安全放电时间（分钟）

放电电流（A）

放电电压（V）

放电功率（W）

功率密度

间隔时间（分钟）

说明

w/kg

w/l

不限

480

17.1

59.3

无

额定

940

33.6

116

短时功率

1380

49.3

170

1840

65.7

227

0.2

3520

126

435

峰值功率

注：

放电时间是指持续放电时间；放电电压为额定容量的50%时的电压。

三、放电特性

同一电池，在同一温度下，放电到相同的截止电压，不同的放电电流放出的能量是不同的，而放电压的也不同。

因此，动力电池的放电特性包括放放电效率、电压与容量、能量密度三个方面。

1.放电效率（ηd）

放电效率是指：

电池在以某一放电电流（Id）恒定放电，放出的电能（Wo电压和电流的积分）与额定能量（Wr）百分比。

即：

下表是我们实测的某电池在25℃时，在50个DOD后的放电效率

表3：

某厂铅酸电池放电效率表

0.5C

1.5C

ηd

100%

68%

64%

51%

图1：

某厂铅酸电池放电效率曲线

2、电压与容量

电压与容量的关系有两个方面，一方面是开路电压与容量的有关系，另一方面是负载电压与容理的关系

（1）开路电压（Uo）与容量的关系主要是不同开路电压下电池所剩容量（额定方式测试）与标定容量的比值，也就是对应的电池容量的SOC。

SOC:

电池的荷电状态，被用来反映电池的剩余容量状况,这是目前国内外比较统一的认识,其数值上定义为电池剩余容量（Cs）占电池额定容量（Cr）的比值。

表达式为：

图2：

某厂12V铅酸电池开路电压与SOC的关系图

（2）负载电压（Ul）由于电池放电流不同，其放电的电压平台也有所差别，不同的电压反应了在该工况模式下还能放出的容量，我们定义为SOCw。

这用于用户估计在某工况下还能持续工作的时间。

如下表是我们实测的某锂离子电池放电电压与容量的关系。

表4：

48V锂电池放电电压与容量的关系

SOCw

44V

45V

46V

47V

48V

49V

50V

51V

52V

0.5C

1.8%

3.3%

10%

15%

24%

49%

91%

100%

3.5%

7.3%

13%

20%

35%

77%

100%

1.5C

6.8%

13%

23%

45%

96%

99%

100%

10%

23%

53%

98%

100%

注：

黄色部分为电池的高容量区.

3、能量密度

电池的容量密度是指电池单位体积和单位重量放出的电能。

反应了电池造厂商的设计水平。

由于电池在不同放电流放出的电能不同，对能量密度的评价应是一个不同放电电流的电流密度，因放效率表已包含了电流对放出能量的影响，因此，我们只需要评价出在额定情况下的能量密度就可以评价不同电池之间的能量密度了。

四、充电特性

电池的充电特性包括充电模式、温度与充电接受能力和充电效率三个方面。

1、充电模式

充电模式是指电池在25℃的环境中，电池以额定电流放电到欠压状态，放置2h后充电到SOC≥99%所用的时间（t小时）称为t小时充电模式（简写th），根据市场的需求和用户用电环境，我们定义的充电模式分为：

0.5h、1h、2h、4h、8h五种。

充电模式对应的是充电曲线，不同厂商、不同电池特性，可定义自己的充电模式，关建是要给出自己的充电曲线。

电池行业历来有“电池是充坏的，而不是用坏的”说法。

在实践的研究证明，电要按一定的充电曲线（电流、电压与时间的关系）来充电才能有效的保证电池的寿命。

因为充电过程伴随着复杂的电化学反应，对电池的极板有着很大的影响，因此就有了不同的充电曲线，比如恒流、恒压、两段、三段、脉充等充电方式（有兴趣的朋友可参考相关的资料,这时多述）。

不同的电池类别、不同的电池设计方案、不同的充电模式，其充电曲线所有差别，因此，电池厂商应给出自己电池在不同充电模式下的充电曲线，从而指导整车厂匹配相应的充电器。

根据以上描述，充电模式就是要告知客户两个方面的内容：

（1）充电时间与充电保和度的列表，即不同的充电时间后，电池的SOC是多少。

这用于用户使用中，如果充电时间与预期计算的续行里程突然发生了很大的差异时，就说明电也、充电器、电机等动力系统的零件出了问题，应及时的送修，避免病车上路，造成安全隐患。

下表是某电池厂商提供的1h充电模式的充电时间和充电饱和度特性表。

表5：

不同充电模式的充电饱和度表

时间

SOC

充电模式

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

35%

55%

70%

82%

87%

90%

95%

97%

99%

100%

时间是指：

实际充电时间和充电模式时间的比。

（2）充电曲线就是充电电压（Uc）、电流（Ic）与充电时间（Tc）的关系。

如果能加上充电函数Uc=f（Tc）和Ic=u（Tc）那就是最好。

不同的厂家其充电曲线是不一样的，下面用一家铅酸电池厂提供的充电曲线图来说明（8h充电模式）。

此曲线图不完善的地方是：

应给出STEP1、2、3的时间和电流、电压值。

最好能给出相关的电流电压与时间的函数，例如：

Tc^n（0≤Tc≤Tstep3）

U=f（Tc）59.2（Tstep1

54.6（Tstep2

2、充电能量转换效率

充电效率（ηc）是指充电器给电池输入总电能（Wi）与电池以额定电池放电所放出的总电能（Wo）的百分。

表示为：

它反应电池在能量转换过程中，能量损换的大小，不同的电池、不同模式充电其能量转换的效率是不一样的。

其主要原因是电池充电时的发热、极板老化、电解夜电解等损耗。

因此，在充电效率的特性表示中，要测量出不同充电模式下的充电效率，如下表：

（我们测得的某电池厂的充电效率特性表）

表6：

XX电池充电效率特性表

充电模式（h）

ηc

电池状态

0.5

新电池

90%

95%

97%

容量衰减为80%时

87%

90%

95%

注：

充电时间根据自己电池的特点自己确定。

五、温度特性

实践证明，不同的环境温度对电池的充放电有很大的影响。

基本情况是温度越低，电池的充电接受能力越差，表现在整车上就是冬天车辆的续行里程远远短于夏天。

如下表：

表7：

某厂铅酸不同温度下的电池放电效率表

ηd

0.5C

1.5C

-10℃

45%

38%

31%

26%

0℃

70%

60%

51%

40%

10℃

78%

67%

60%

48%

20℃

100%

68%

64%

51%

30℃

102%

70%

64%

51%

40℃

105%

73%

67%

51%

图3：

某厂铅酸电池电流、温度的等效率云图

表7数据的实验方法为：

指定的温度环境下进行充放电，放出的电能与额定电能的百分比。

这一组数据实际上包含了充电接受能力和放电效率的系统组合数据，无法确认引起放电效率低的因素是充电接能力引起的还是在不同温度下的放电效率引起的。

电池厂应当把自己池的充放电随温度变化的特性描述出来以便整车帮在设计动力系统时选择相应容量的电池。

因此，电池的温度特性包括：

温度与电池的放电效率、温度与电池的充电效率、温度与电池充电接受能三个方面。

（1）温度与电池的放电效率

测量方法为：

在25℃的环境中，电池以额定电流充电至电池充饱和，然后在指定的温度环境中以指定电流放电，计算实际放出的电能与额定电能的百分比。

通过不同的放电电流实验，得到温度、放电电流的数据和等放电效率云图，表格如下：

。

表8：

不同温度下的电池放电效率表

ηd

0.5C

1.5C

-20℃

-10℃

0℃

10℃

20℃

（2）温度与充电效率

在的指定的温度环境中，电池以指定的充电模式充饱和，然后在25℃环境中以额定电流放电，计算实际放出的电能与充电器输入电能的百分比。

通过不同的充电模式充电，得到温度、充电模式的数据和充电的等效率云图。

其表格如下：

表8：

不同温度下的电池充电效率表

充电模式

ηc

0.5C

1.5C

-20℃

-10℃

0℃

10℃

20℃

（3）充电接受能力

在的指定的温度环境中，电池以指定的充电模式充饱和，然后在25℃环境中以额定电流放电，计算实际放出的电能与额定电能的百分比。

通过不同的充电模式充电，得到温度、充电模式的数据充电接受能力云图。

表格如下：

表7：

不同温度、充电模式的充电饱和度表

充电模式

SOC

温度

0.5h

-20℃

-10℃

0℃

除上述整体影响外，还要测量出每一种充电模式下，温度对充电时间与SOC的影响。

见下表说明：

表8：

不同温度、在1h充电模式的充电饱和度变化。

时间

SOC

充电模式

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

-20℃

-10℃

0℃

10℃

20℃

35%

55%

70%

82%

87%

90%

95%

97%

99%

100%

电池的温度特性能否通过充电曲线的调整，来提高低温时电池充电接受能力和充放电效率，这需要广大电池厂商要去研究的课题。

五、寿命特性

电池的寿命一方面由于电池本身的特性，它在使用后要衰减；另一方面与电池的充放电有着密切的有关系，因此电池的寿命特性主要影内容有：

电池的衰减特性、充电模式的寿命特性、放电电流寿命特性、放电深度影寿命特性四个方面。

1、电池的衰减特性

《QC/T742-2006电动汽车用铅酸蓄电池》5.13、6.13中规定:

在温度为20℃士5℃的环境下，电池按标准方法充电，按额定放电电流放电，当蓄电池容量降至额定值的80%时，循环次数应不少于400次。

（锂电规定的形式相当）

但在实际应用中，当蓄电池容量降至额定值的80%时，消费者还是会正常使用。

比如一个续行里程为60km的电摩，当电池容量降至额定值的80%时，其续行里程为48km。

用户通过降低速度还能正常使用。

因此，当电池的衰减到国标规定时并不等于报废。

这就要求厂商提供电池衰减特性表，如表：

表9：

A、B两家铅酸电池厂提供的电池寿命与电池容量的关系表

冲放电次数

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

A电池容量比

105%

99%

98%

96%

94%

91%

86%

81%

76%

68%

54%

35%

B电池容量比

100%

98%

97%

95%

94%

91%

86%

80%

72%

63%

46%

21%

注：

电容量比是指放电出池的容量与额定容量的百分比。

图4：

某铅酸电池厂提供的电容量衰减曲线

我们从上图可以看出，虽然A、B两种电池的都符合国标，但A电池的综合价值是高于B电池的。

2、充电模式对电池寿命的影响度

充电模式对电池寿命的影响度（用L%c表示）是指：

不同温度下、不同充电模式对电池寿命的影响。

也就是在某一温度下，以指定的充电模式进行充电，以额定放电电流放电至欠压的方式进行充放电实验至放电出的电能是初始状态的80%时，其充放电次数（N）与额定寿命次数（Nr）的百分比。

计算方式如下：

然后分别针对不同的充电模式、充电环境温度进行测试，做出充电对电池寿命影响的云图。

如下表：

表9：

充电寿命模式、环境温度与充电寿命表

充电模式

L%c

温度

0.5h

-20℃

-10℃

0℃

10℃

20℃

30℃

40℃

50℃

60℃

3、放电电流对电池寿命的影响度

放电电流对电池寿命的影响度（L%d）是指：

不同温度下、不同放电电流（Id）对电池寿命的影响。

也就是在某一温度下，以额定的充电模式进行充电，以指定放电电流放电至欠压状态的方式进行充放电实验至放电出的电能是初始状态的80%时，充放电次数（N）与额定寿命（Nr）的百分比。

计算方式如下：

然后分别针对不同的放电电流、放电环境温度进行测试，做出放电对电池寿命影响的云图。

如下表：

表10：

充电寿命模式、环境温度与充电寿命表

L%c

温度

0.5C

1.5C

2.5C

-20℃

-10℃

0℃

10℃

20℃

30℃

40℃

50℃

60℃

4、放电深度与放电饱和度对寿命的影响度。

由于用户所处的环境不一样，电动车在工作中会出现本文开始介绍的随机使用的情况，这种情况的出现就意味着会有放电深度不一至、充电饱和度不一至，例如：

充电前电的SOC为20%，用户充电，充电到SOC为30%，因客户要用车，立即使用，最后电池的SOC又回到20%的情况。

这就是不同的电池容量下，进行不同的放深度（DOD）的寿命特性。

因此我们要测出电池在这种式工况下的寿命，这就是放电深度和充电保饱和对对电池寿命的影响度（L%d-c）。

我们定义为在环温情况下，以额定充电到某一指定容量，然后以额定电流放电到充电前的容量，进行循环实验得到寿命次数与额定寿命次数的百分比。

如下表：

表11：

充电寿命模式、环境温度与充电寿命表

SOC

L%d-c

DOD

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

下表是某电池厂在SOC为100%，不同放电深度的循环寿命。

表12：

某电池厂铅酸电池100%SOC下不同放深度的充放电循环次数

DOD

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

SOC100%

的寿命次数

2060

1600

1300

1010

800

620

500

410

330

250

图5：

某电池厂铅酸电池100%SOC下不同放深度的充放电循环曲线

上例图表很难看出这种电池的寿命对整车的影响。

因此我们进行转换，把充放电循环次数转换成放出的总能量，如下图表：

表13：

某电池厂48V20Ah铅酸电池100%SOC下不同放电深度的总体能量转换表

DOD

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

25℃放电总能量（KWh）

267

307

346

365

384

372

350

323

284

240

图6：

某电池厂48V20Ah铅酸电池100%SOC下不同放电深度的总体能量转换曲线

这时候我们就可以看出，该厂的电池在容量用掉一半后就开始充电，其电池的利用率最高。

七、安全特性

安全特性重点针对的是锂

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