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电动汽车动力电池使用耐久性优化分析.pdf
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1、第3期(总第19 1期)2023年8 月现代车用动力MODERNVEHICLEPOWERNo.3(serial No.191)Aug.2023doi:10.3969/j.issn.1671-5446.2023.03.002电动汽车动力电池使用耐久性优化分析于秩祥(江苏建筑职业技术学院实验实训管理处,江苏徐州2 2 1116)摘要:根据电动汽车动力电池的结构特点、充放电特性和使用因素,参考新标欧洲测试循环(NEDC)和中国轻型汽车行驶工况循环(CLTC)分析三元锂动力电池汽车和磷酸铁锂动力电池汽车在各种行驶环境下的使用工况,通过试验对比找出电动汽车在市区工况、郊区工况和高速工况下缩短动力电池寿命
2、的影响因素,根据测试数据分析优化电动汽车动力电池使用方案,提出一套合理使用电动汽车动力电池的能量管理方法,避免电动汽车动力电池故障和热失控产生,有效延长电动汽车动力电池使用寿命,提高动力电池耐久性和安全性。关键词:电动汽车;动力电池;使用寿命;耐久性;安全性中图分类号:U469.72Optimization Analysis on Power Battery Durability of Electric Vehicle(Experimental and Occupational Skills Management Center,Jiangsu Institute of Architectura
3、l Technology,Xuzhou 221116,China)Abstract:Based on the structural characteristics,charging and discharging characteristics,and usage factors of electric vehicle powerbatteries,and referring to the NEDC cycle and CLTC cycle,it analyzes the operating conditions of ternary lithium power battery vehi-cl
4、es and lithium iron phosphate power battery vehicles in various driving environments.Through experimental comparison,it identifiesthe influencing factors that damages the power battery life of electric vehicles in urban,suburban and high-speed operating conditions.Based on test data analysis,it opti
5、mizes the use plan of electric vehicle power btteries,proposes a set of reasonable energy manage-ment measures for electric vehicle power batteries,avoids electric vehicle power battery failures and thermal runaway,effectively ex-tends the service life of electric vehicle power batteries and improve
6、s the durability and safety of power batteries.Key words:electric vehicle;power battery;service life;durability;safety文献标志码:A文章编号:16 7 1-5446(2 0 2 3)0 3-0 0 0 5-0 5YU Zhixiang引言根据公安部数据显示,截至2 0 2 2 年底,全国新能源汽车保有量达1310 万辆,占汽车总量的4.10%,扣除报废注销量比2 0 2 1年增加52 6 万辆,增长6 7.13%;其中,纯电动汽车保有量10 45万辆,约占新能源汽车总量的7 9
7、.7 8%;2 0 2 2 年全国新注册登记新能源汽车535万辆,占新注册登记汽车总量的2 3.0 5%,与上年相比增加2 40 万辆,增长81.48%;新注册登记新能源汽车数量从2 0 18 年的107万辆到2 0 2 2 年的535万辆,呈高速增长态势。随着电动汽车保用量的不断增加,动力电池*收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 0基金项目:江苏建筑职业技术学院课题项目计划(JYA320-05)作者简介:于秩祥(19 8 3一),男,山东临沂人,高级实验师,主要研究新能源汽车技术、汽车动力系统检测等。的重要性日益凸显。电动汽车在各种环境和工况下运行直接影响动力电池的使用寿命,不规范的使用容
8、易造成电动汽车续航里程降低,动力电池容量下降,导致电动汽车反复充电,显著降低电动汽车使用效率。动力电池成本约占整车的50%,随着电动汽车使用里程和时间的增长,动力电池容量和性能必然下降,严重影响电动汽车的保值率。另外,不规范使用电动汽车,可能还会诱发动力电池热失控,引发电动汽车起火自燃事故。本文对三元锂动力电池汽车和磷酸铁锂动力电池汽车在各种环境下的工况进行系统分析,优化其使用方法,继而提高电动汽车的使用耐久性、可靠性和安全性。61电动汽车测试测试车辆为2 辆国产某品牌电动汽车,电动汽车1装用三元锂动力电池,电动汽车2 装用磷酸铁锂动力电池,2 辆电动汽车均行驶50 0 0 km后进行测试,具
9、体技术参数如表1所示,2 辆电动汽车均使用永磁同步电机,变速器均为固定齿比变速器,驱动方式均为电机前置前驱。由于2 辆电动汽车生产于2021年1月和3月,本文能耗和续航里程同时参照GB/T183862017电动汽车能量消耗率和续航里程试验方法中的NEDC循环进行测试。本文测试的CLTC纯电续航里程是指纯电动汽车依据GB/T38146.12019中国汽车行驶工况第1部分:轻型汽车中规定的中国轻型汽车行驶工况的纯电动汽车模式测试续航里程。表1测试电动汽车技术参数表整备电动机电动机电池电池能测试动力电池质量/总功率/总扭矩/能量/量密度/车辆类型kg电动1 535汽车1动力电池电动磷酸铁锂15801
10、84汽车2动力电池百公里NEDC纯电CLTC纯电电池当量耗电量/续航里程/续航里程/燃料消耗(km h-1)(kWh)km13.642112.0400在不同环境温度下对2 辆电动汽车进行实际道路测试,参照 NEDC 和 CLTC 循环进行市区工况、郊区工况和高速工况的实际道路测试。其中,NEDC循环3种工况最大车速分别为50 km/h,9 0 k m/h,120km/h;平均车速分别为19 km/h,38km/h,62km/h。C LT C 循环3种工况最大车速分别为50km/h,90km/h,114k m/h;平均车速分别为19 km/h,38km/h,52km/h。根据以上工况在不同温度下
11、取10 次平均数,表2 为所测得的实际电动汽车续航里程。由于驾驶习惯、道路状况、气候条件和充电状况等因素的影响,电动汽车实际电能消耗量与续航里程可能与厂家标定的不同。根据2 辆电动汽车使用说明书的充电要求,结合测试过程中实际充电过程,对2 辆电动汽车进行了充电时间和充电方式(慢充和快充)测试。同样也在不同环境温度下,参照NEDC和 CLTC循环使2辆动力电池汽车在市区工况、郊区工况和高速工况现代车用动力电动汽车电动汽车1(-20 5)电动汽车1(10 20)电动汽车1(28 35)电动汽车2(-20 -5)电动汽车2(10 20)电动汽车2(2835)下将电量消耗至充电报警后进行充电,慢充用6
12、.6kW交流充电桩,快充用12 0 kW直流充电桩,均取10 次平均充电时间数值,如表3所示。表3电动汽车充电时间测试表kW(Nm)(kW-h)(W.hkg-l)三元锂204km量/L4301.544201.402023年第3期表2 电动汽车续航里程测试表NEDC市区工郊区工高速工市区工郊区工高速工况/km 况/km况/km况/km况/km况/km226218359365326356225238362349336339交流慢充电时间/min24052.728057.0快充慢充最高车速时间/时间/hh1500.51400.5CLTC19123532638531136618523531936632
13、8357直流快充电时间/min160.35电动汽车1(-20 -5)140.00电动汽车1(10 20)电动汽车1(28 35)9电动汽车211(20 -5)电动汽车2(1020)电动汽车2(28 35)磷酸铁锂动力电池出现了冷车充电开始时持续低电流的情况,需要充电桩长时间预热后,才能达到正常充电电流值,导致充电时间过长。动力电池一般充电的可控温度区间在0 45,温度太低无法充电,温度太高也无法充电,电池管理系统(BMS)低温时会利用充电桩电量加热冷却系统,当电池温度达到2 0 左右时会对电池进行大电流充电;当电池温度达到45时,BMS将充电电流降低,或者停止充电,让冷却系统给电池降温后再继续
14、充电。2电电动汽车动力电池使用寿命分析电动汽车动力电池寿命主要是受化学材料、电解液材料、内部结构设计、容量大小、制造质量、BMS225367362249351347626785564148938685825293645935198335345193323339电池管理系统和电池冷却系统会对电池进行温度控制避免电池出现高温状况 3。磷酸铁锂动力电池热失控温度普遍在50 0 以上,三元锂动力电池则低于30 0,一些高镍比例的三元锂动力电池热失控温度甚至低于2 0 0 4,这是车辆安全性的隐2023年第3期控制等因素影响。根据上述2 辆电动汽车的测试数据分析,电动汽车在后期使用过程中也会对动力电池的
15、寿命产生影响,如图1所示,电动汽车动力电池使用寿命影响因素包含驾驶习惯、驾驶方法、充电习惯(慢充或快充)、行驶里程、环境温度、道路状况、运行工况等,诸多外部因素影响动力电池充放电化学反应,在上述电动汽车使用过程中非正常使用会逐渐加速电池内部副反应进而缩短动力电池使用寿命。另外,不正常的使用习惯还会严重影响动力电池的稳定性,导致动力电池热失控引起电动汽车自燃事故。电动汽车动力电池使用寿命影响因素使用方法不对电动汽车过充电驾驶方法不当电动汽车高温正极材料衰减老化负极材料衰减老化图1电动汽车动力电池使用寿命影响因素3温度对动力电池的影响3.1低温对动力电池的影响根据测试的2 辆动力电池汽车在低温环境
16、下的续航里程数据可以看出,电池的正负极材料活性降低,电池内部运动的锂离子数量下降,正负极材料中的带电离子扩散运动能力变差,电能传递速度降低,带电离子运动不顺畅,电池充放电性能下降。表2和表3测试数据表明,-2 0 时磷酸铁锂动力电池的容量会有近50%的减少,三元锂动力电池的容量会缩减到7 5%,尽管两车配有电池温控系统,可以给电池系统加热,但电池的特性决定冬季续航里程的减少,使用磷酸铁锂动力电池的车型冬季续航里于秩祥:电动汽车动力电池使用耐久性优化分析电动汽车过放电电动汽车低温缩短电动汽车动力电池寿命影响因素隔膜增厚刺破分解析锂效应锂枝晶死锂7程衰减将更加严重。另外,低温环境下电解液导电能力也
17、下降,因此电池在充放电时,内部会产生更大阻力。电池内阻增大,在电池正常使用过程中,就会产生大量热量引起电池温度升高,试验表明环境温度为0 以下时,温度每下降10,内阻约增大15%。低温时电解质移动相当慢,从而影响锂离子在正负极之间的转移活性,导致电池充放电性能下降。在低温充电过程中,负极的电化学极化明显加剧,析出的金属锂容易形成锂枝晶,穿破隔膜并导致正负极短路 2 。另外,低温时为保证驾驶环境舒适,车内制暖、座椅加热、方向盘加热和挡风玻璃除霜都需要消耗大量电能,直接影响动力电池的能量储备。3.2高温对动力电池的影响动力电池的正常工作温度在2 0 50 之间,在动力电池充放电过程中,当电池温度超
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