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三种动力电池的特性分析对比

作者:时间:2013-08-28来源:网络收藏

节能和环保是目前汽车技术研究的主要方向,动力电池则是电动汽车技术的关键,动力电池特性的研究对于电动车电池有着重要的意义。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/174775.htm

铅酸动力电池成本低廉,技术成熟,支持大电流放电,安全性高,在非动力应用场合中可不配置电池管理系统,但其较低的比能量无法满足电动汽车续驶里程的需要。

氢镍电池和锂离子电池是目前电动汽车动力电池领域的主要选择。现有的氢镍电池也存在不足,如单体电压低(1.2V)、自放电损耗大、对环境温度敏感等。对氢镍电池的改进主要集中在高低温状态下性能和安全性的提高、充放电性能的优化 、自放电牢的降低。与其他电池相比,锂离子电池应用于电动汽车,在能量性能方面具较大优势,在比能量、放电、循环寿命及密封性等方面,均可满足美国先进电池联合会(USABC)的电动汽车用动力电池中期目标。

1 特性对比

本文研究的动力电池种类包括铅酸电池、氢镍电池和锂电池。

1.1 容量特性

容量特性是动力电池首先需要考察的技术指标,主要内容是可用容量与放电倍率的关系、在不同温度下的可用容量变化。由于电池额定容量不同,因此在图1、图2中均采用可用容量比率:

可用容量比率与电流的关系

图1 可用容量比率与电流的关系

其中可用容量为电池放电至最低截止电压时的放出电量。

从图2可知氢镍80 Ah动力电池因为在自然风冷条件下放电,电池温度升至38℃截止,致使可用容量降低。同样对于VRLA65 Ah电池在400 A恒流放电时,由于温度过高使得放电过程终止。相反锂离子电池的容量特性比较理想,可用容量的衰减趋势不显着,可用容量变化不大;在较低倍率电流放电情况下,磷酸铁锂离子电池要比锰酸锂离子电池高。图2为不同温度时动力电池的可用容量比率,可以看出:

(1)铅酸电池、氢镍电池和磷酸铁锂离子电池的可用容量受温度影响较为显着;

(2)电池都存在最佳温度区域;

(3)锂离子电池的可用容量受温度影响比较平稳,但磷酸铁锂离子电池的可用容量对低温温度较为敏感。

可用容量比率与温度的关系

图2 可用容量比率与温度的关系

1.2 效率特性

效率是电池的重要参数,是电池剩余电量估计过程中的关键参数之一。库仑效率的测量和计算以《USABC电池测试手册》为准,图3和图4分别为VRLA电池和锂离子电池在不同温度下的库仑效率。由图3、图4可以看出,铅酸电池和氢镍电池、锂离子电池的库仑效率形态大体上是一致的,差别在于:

(1)铅酸电池和锂离子电池的高温库仑效率与氢镍电池相比较高;

(2)锂离子电池的库仑效率与温度的相关度要弱一点。

VRLA电池在不同温度的库仑效率

图3 VRLA电池在不同温度的库仑效率

三种锰酸锂离子电池在不同温度的库仑效率

图4 三种锰酸锂离子电池在不同温度的库仑效率

1.3 电压特征

电动汽车动力系统的参数匹配需要了解动力电池的电压特征。本节均采用电池电压在10~12 V之间的模块为分析对象。铅酸电池模块为6个单体电池串联,氢镍电池模块为10个单体电池串联,锂离子电池模块为3个单体电池串联。

(1)10~l2v模块的开路电压

10~12V模块级别的电池开路电压

图5 10~12V模块级别的电池开路电压

从图5可知:

a 锰酸锂电池的voc 比磷酸铁锂离子高,与SOC的关系规律更类似于氢镍电池;

b 磷酸铁锂电池Voc 与SOC之间的相关性较差;

c 液态锰酸锂离子电池和聚合物锰酸锂离子电池的Voc存在较大差别,而两种液态锰酸锂离子电池之问的Voc变化规律基本一致。

(2)10~12v模块的放电电压

图6为不同电池模块的放电电压特征对比。

不同动力电池1O~12 V模块级别的放电电压对比

图6 不同动力电池1O~12 V模块级别的放电电压对比

从图6中可知:

a 氢镍电池具有与铅酸电池、锂离子电池不同的工作电压特征,在放电初期和后期,电压变化过渡“柔和”,有利于根据电压进行SOC估计,放电中期的电压平台时间较短;

b 锰酸锂离子电池和铅酸电池的恒流放电电压曲线比较接近,而磷酸铁锂电池电压平台特征较显着,但平台电压值低于锰酸锂离子电池。

1.4 直流内阻特性

直流内阻是表征动力电池性能和寿命状态的重要指标,决定电池的高放电能力,影响电池的热特性和效率。

1.4.1 不同冲击电流下的直流内阻

 氢镍80Ah电池模块充放电内阻

图7 氢镍80Ah电池模块充放电内阻

图7为不同电流下的氢镍电池模块充放电内阻。从图7可知,对氢镍电池来说:

(1)不论充放电倍率大小,SOC对电池内阻的影响都呈现为马鞍形状,鞍底为SOC=60%附近;

(2)电池内阻较小的区域为50%~80%。

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关键词: 功率

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