锂离子电容器的工作特性及其在混合动力汽车上的应用研究

胡 攀,郭灵聪,韦 虹,赵福成,王瑞平,2,3

(1.宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司,浙江 宁波 315336;2.浙江吉利动力总成有限公司,浙江 宁波 315800;3.宁波上中下自动变速器有限公司,浙江 宁波 315800)

0 引言

节能减排是目前社会发展的主旋律,汽车节能逐渐成为当前汽车产业发展的重要方向。混合动力汽车(hybrid electric vehicle,HEV)相比传统燃油车的优势在于其具备电动模式,因此产生的汽车尾气污染更少,而且具有省油、节能、噪声小、易操作等特点;与纯电动汽车相比,HEV具有续航更灵活方便等优势,既适合城市驾驶,又适应长途高速行驶。因此,HEV将成为新能源汽车的重要发展方向[1],并在未来一段时间内与纯电动汽车一起推广应用。

目前,HEV的储能技术已经进入一个新的阶段,其中包括锂离子电池和镍氢电池。然而,锂离子电池的循环寿命较短,成本较高,并且可能会带来安全隐患。相比之下,锂离子电容器作为一种新兴的储能技术,将锂离子电池和超级电容技术结合,具有高功率密度、适中的能量密度、高安全性和长寿命等优点[2-4],锂离子电容器的性能特性如图1所示,与HEV对电池的需求相匹配。然而,尽管已有一些研究者开始关注锂离子电容器的产品开发和市场发展,但在HEV中装载锂离子电容器并开展实车应用的研究还非常有限[5]。锂离子电容器的充放电性能及其在HEV上的工作特性,是制定整车能量管理策略的基础依据,具有非常重要的现实意义。

图1 锂离子电容器电器性能[6]

1 HEV问题分析

某HEV作为本次研究的整车载体,其基本参数如表1所示,当前原车采用三元锂电池作为储能单元,对于三元锂电池而言,HEV储能单元主要面临以下三个方面的挑战[7-8]。

表1 整车基本参数

(1)在动力性方面,相同电量条件下,驱动电功率与电池功率不匹配,其表现为储能单元的充放电功率低于电机的最大充放电功率,主要表现如图2所示。储能单元无法充分发挥驱动电机的功率,使得在油门开度过程中,放电功率输出受限,难以充分发挥最大功率特性。

图2 整车加速状态示意图

(2)由于三元锂电池在-35 ℃以下不具备高功率放电能力,目前HEV车型在-35 ℃以下存在启动困难的问题[9]。同时,在-30 ℃以下,三元锂电池无充电能力,导致HEV车型出现低温蠕行等问题,其表现形式如图3所示。

图3 整车低温蠕行状态示意图

(3)由于HEV所使用的动力电池需要在大电流工况下进行充放电,整个工作范围内可能会有长时间的大电流充放电,因此循环寿命较短[10]。

主要针对三元锂电池在整车应用中所面临的问题,对锂离子电容器工作特性展开研究,并在整车上进行搭载验证。

2 锂离子电容器工作特性研究

针对当前HEV三元锂电池面临的充放电不足、低温性能不满足车辆-35 ℃启动和正常行驶要求等问题,与当前三元锂电池工作特性进行对比,探讨锂离子电池作为HEV车型的储能单元的可行性。

2.1 锂离子电容器与三元锂电池工作机理

锂离子电容器原理如图4所示,从图中可以看出,锂离子电容器的正极材料为在三元锂电池的三元材料基础上掺杂了超级电容的活性炭材质,负极采用了具有更大层间距的短臂无序硬碳材质,匹配锂离子电容器更大的充放电性能[11-12]。锂离子电容器的工作机理如表2所示,既具备了电池中锂离子的脱嵌等化学反应,又具备了超级电容的多孔吸附的物理效应。由于超级电容的物理效应响应快,锂离子电容器在最初工作阶段以超级电容的工作模式为主,内阻小,温度上升,更有利于后期以电池的工作模式进行工作,具备更好的充放电特性[13-14]。锂离子电容器结构如图5所示,为大圆柱电池,电池容量与三元锂电池保持一致。

表2 锂离子电容器工作机理

图4 锂离子电容器原理示意图[15]

图5 锂离子电容器结构图

2.2 锂离子电容器充放电特性的研究

2.2.1 内阻测试结果分析

内阻测试是衡量电池包内部功耗的有效方法。本次测试主要对比了锂离子电容器与三元锂电池在常温下10 C/10 s的内阻,按照公式(1)计算不同电荷状态(state of charge,SOC)下的内阻,其测试结果如图6所示。从图中可以看出,常温下锂离子电容器在10 C放电状态下10 s的内阻均低于三元锂电池,并且SOC越高,锂离子电容器与三元锂电池内阻差异越明显。

图6 常温10 C/10 s放电内阻对比

R=(U0-U1)/I1

(1)

式中:R为内阻,mΩ;U0为初始电压,V;U1为放电末位电压,V;I1为放电电流,A。

2.2.2 开路电压测试结果分析

锂离子电容器和三元锂电池充放电过程中的开路电压对比如图7所示,从图中可以看出SOC在40%以下阶段,三元锂电池开路电压(open circuit voltage,OCV)高于锂离子电容器,而当SOC超过40%后,锂离子电容器的开路电压反而超过三元锂电池,这表明SOC在40%以上时,锂离子电容器可以更好地发挥驱动电机的动力性。

图7 常温10 C/10 s充放电开路电压对比

2.2.3 充放电测试结果分析

锂离子电容器和三元锂电池在常温10 s的充放电功率测试数据如图8所示,从图中可以看出,在常温下锂离子电容器的充放电功率均高于三元锂电池70%以上。从图9中-35 ℃下的10 s充放电特性可以看出,锂离子电池基本没有充放电能力,而锂离子电容器仍然具备一定充放电能力,可以极大地改善车辆在超低温下的启动和运行能力。

图8 常温10 s充放电功率对比

图9 -35 ℃ 10 s充放电功率对比

2.2.4 自放电测试结果分析

从图10锂离子电容器电芯自放电性能曲线上可看出,28天后锂离子电容器荷电保持率从100%降低至97.6%,满足HEV车型对于储能单元自放电率小于5%的设计要求。

图10 自放电测试结果

2.2.5 冷启动测试结果分析

锂离子电容器整包放入低温环境箱进行低温冷启动测试,主要是为了模拟整车冷启动时对于功率的需求,从图11中可以看出,在设置电池包低温放电截止电压为180 V的条件下,电池包可以满足8 kW的2 s脉冲功率输出3次,满足当前HEV车型冷启动功率需求,可以解决当前三元锂电池-35 ℃冷启动问题。

图11 -35 ℃下8 kW脉冲放电

2.2.6 循环耐久测试结果分析

锂离子电容器在45 ℃下的循环耐久测试曲线如图12所示,可以看出,在前0～0.1×104次循环,电池健康状态(state of health,SOH)下降较快,初步判断是由于正极掺杂了活性炭、负极采用硬碳等无序碳,相比于锂电池比表面积更大,形成SEI膜的面积更大,相同条件下成形时间更长,从而消耗更多的锂离子,使得前期容量降低较快;从当前1.9×104次循环的结果看,锂离子电容器达到80% SOH的循环次数有望超出3.0×104次,满足当前设计的要求(不小于1.5×104次循环)。

图12 45 ℃循环耐久测试

3 整车仿真预测

3.1 阻力的计算

车辆在平坦的道路上行驶时,会受到空气阻力、滚动阻力和加速阻力的影响。这些因素会对车辆的性能产生重大影响。因此,根据车辆在这些力的作用下的行为,可以得出公式(2)[16]。

F=Ff+Fw+Fj

(2)

式中:F为车辆的驱动力,Nm;Ff为滚动阻力,Nm;Fw为空气阻力,Nm;Fj为加速阻力,Nm。

3.1.1 滚动阻力计算

车辆在行驶中,轮胎与路面之间的接触受切向力和法向力的作用,由于轮胎是橡胶材料,易变形,其与路面的接触面会出现受力不均匀,轮胎受力情况如图13所示。弹性变形会产生受力不均的情况,导致车轮出现迟滞损耗,表现形式为滚动阻力偶,如式(3)所示。

图13 轮胎受力图

Tf=Fza

(3)

式中:Tf是轮胎弹性变形产生的滚动阻力偶;Fz是轮胎变形产生的法向力;a是轮胎变形产生法向力的力臂。

为了保证车辆的正常行驶,平衡车轮迟滞导致的滚动阻力矩需要在车轮中心施加反方向的力偶矩Fp,如式(4)所示,而这时整车在平坦路面上的滚动阻力如式(5)所示,这时的Fz与重力G形成一对平衡力,而滚动阻力系数可以根据公式(6)计算获得。

(4)

式中:r是整车车轮的半径;Tr是滚动阻力矩;f为车轮的滚动阻力系数。

(5)

式中:G是整车重力。

(6)

式中:ua为整车车速;f0、f1、f4为相关系数。

3.1.2 空气阻力计算

汽车在行驶中必然受到空气的阻碍,其主要表现形式包括压力和摩擦阻力,空气阻力可由式(7)计算获得,其中汽车迎风面积可以由式(8)计算获得。

(7)

A=B1H

(8)

式中:CD表示空气阻力系数,轿车取0.4～0.6;A为车辆的迎风面积;ua为整车车速;B1为汽车前轮距;H为汽车高度。

3.1.3 加速阻力计算

加速阻力是汽车在正常行驶中因惯性作用产生的阻力,可由式(9)计算获得,其中车轮旋转质量系数可由式(10)计算获得。

(9)

(10)

式中:m是车辆质量,kg;δ是车轮的旋转质量系数;Iw是车轮的转动惯量,kg·m2;If是电机和飞轮的转动惯量,kg·m2;ig为变速器的速比;i0为减速器的速比;μT为汽车的传动系的机械效率;r为车轮的滚动半径。

3.2 整车加速时间的计算

当前对HEV车型加速时间的分析主要针对车辆从车速为零开始原地起步到车速达到100 km/h的加速时间。本次以车辆从停止状态到全油门加速到某一车速v1的加速时间进行计算。当车辆在整车行驶状态下,其驱动力与阻力之间的关系式如式(4)～式(10)所示,通过式(11)可以换算得到加速时间,见式(12)。

(11)

(12)

3.3 整车仿真模型搭建与计算分析

使用GT-suite软件中的GT-Drive模块,建立整车仿真模型来模拟实际的汽车行驶。这个模型主要基于某款HEV车型的基本参数,并对其动力性和经济性进行了模拟计算。具体流程如图14所示。

图14 整车仿真流程

3.3.1 整车模型搭建

基于整车架构参数搭建了图15所示的整车仿真模型,可以模拟整车在百千米加速测试中的能量分配、加速时间以及循环油耗等参数。

图15 整车仿真模型

3.3.2 能量分配策略

HEV的工作工况如图16所示,可以看出百千米加速工况下,整车主要的工作模式为低速纯电模式、中低速串联模式、大油门加速并联模式以及高速直驱模式,在整个百千米加速工况下,电池包只要有足够的电量,就处于工作状态,从而使得P3电机工作助力整车加速。相比于三元锂电池的模型设置,主要变动为将原三元锂电池10 s持续放电功率65 kW调整至110 kW,其余策略保持不变。

图16 HEV工作工况示意图

3.3.3 仿真结果分析

整车百千米加速的仿真计算结果如图17所示,该仿真结果主要是基于电池包在常温下的充放电特性得出的。滑行阻力需要通过原车实测进行标定,从原车的仿真与实测结果的对比可以看出,在不同SOC下,原车百千米加速仿真结果与实测结果相近,最大差异在0.5 s以内,由此判断仿真计算模型较为准确。

图17 百千米加速仿真结果

在同一计算模型的基础上,将储能单元的充放电特性曲线由原三元锂电池更换为锂离子电容器,进行仿真对比分析。从三元锂电池与锂离子电容器对于整车不同SOC下的百千米加速仿真对比结果来看,由于锂离子电容器充放电的特性明显优于三元锂电池,锂离子电容器在常温10 s的最大放电功率比三元锂电池提升了70%,可以明显提升整车的加速性能,并且SOC越低,其动力性提升越明显,同时在SOC为40%时,可以缩短百千米加速时间超1 s以上。从图18的整车WLTC和NEDC循环油耗仿真结果中可以看出,锂离子电池在内阻上的优势体现在整车油耗上的差异不明显,主要是由于电池本身内阻低,其内阻测试的差异对于油耗来说影响很小,从目前的结果来看很难通过试验来验证其差异性。

图18 循环油耗仿真结果

4 实车验证分析

锂离子电容器在整车上的布置形式如图19所示。由于锂离子电容器在整车布置和整包重量上的差异会对动力性测试产生影响,为了排除这一影响,动力性测试主要在整车转毂台架上进行,在试验前对整车进行配重,使两种电池包车辆保持一致的重量和姿态后再进行测试。在转毂台架上测试之前,先将原车进行滑行阻力的路试,将获得的整车滑行阻力系数作为转毂台架的参数输入。

图19 锂离子电容器整车布置

4.1 实车动力性验证

4.1.1 滑行阻力测试

在这项实验中,使用了常用的滑行测试方法来测量滑行阻力。研究表明,在整车滑行过程中,由于传动机构的损耗、车轮的滚动和空气阻力的作用,路面阻力会发生变化。通过对这些因素的分析,可以计算出路面阻力的大小。整车滑行阻力曲线如图20所示。通过测量阻力系数,可以确定整车转毂台架的性能,如式(13)所示。

图20 整车滑行阻力曲线

FRL=A+BV+CV2

(13)

式中:A、B、C为阻力系数;FRL为路面阻力;V为车速。

4.1.2 百千米加速测试

百千米加速试验主要验证锂离子电容器搭载HEV车型相比于三元锂电池在动力性能上的提升效果,图21和图22分别是常温下38% SOC、70% SOC的百千米加速曲线,可以看出锂离子电容器车辆动力性均有提升,在80 km/h之后仍然保持较为强劲的动力。同时,锂离子电容器的SOC越低,对动力性提升优势越明显,可保证在工作SOC范围内持续强动力输出。

图21 常温38% SOC时百千米加速对比

图22 常温70% SOC时百千米加速对比

4.1.3 低温运行测试

低温运行测试主要是为了验证锂离子电容器能否满足在-35 ℃下整车启动以及加速行驶的要求。对于当前搭载三元锂电池的HEV车型存在-35 ℃难以启动以及蠕行的问题,要解决这一问题,需要储能单元具备在超低温环境下至少2 s 3次7 kW的脉冲放电功率以及1 kW的充电能力,从前期锂离子电容器在低温下的测试结果来看,其在-35 ℃具备8 kW的脉冲放电能力和1～2 kW的充电能力。整车的搭载验证结果如图23所示,可以看出,更换锂离子电容器后,可在-35 ℃启动,并且解决了车辆低温蠕行的问题。

图23 整车低温运行试验结果

4.2 实车经济性验证

通过对比锂离子电容器和三元锂电池在不同SOC下的内阻,发现在50% SOC下,锂离子电容器的内阻比三元锂电池低9%,而且随着SOC的升高,这种优势更加明显。因此,通过WLTC循环油耗测试来验证内阻降低对油耗的影响。图24显示了不同电池包温度下的油耗测试结果。可以看出,不同电池包温度下WLTC油耗测试的结果相似,差异几乎可以忽略。因此,锂离子电容器和三元锂电池内阻的差异对油耗的影响很小。

图24 整车经济性试验结果

5 结论

通过对锂离子电容器的工作特性进行研究及搭载整车试验,结果表明,锂离子电容器具备应用于HEV储能单元的可行性,其主要体现在以下几个方面。

(1)同等总能量下,锂离子电容器包常温功率性能提升70%以上,满足当前电驱的功率需求,可解决当前电池包充放电功率不足的问题,提升整车的动力性。

(2)锂离子电容器包在-35 ℃下仍具备8 kW脉冲放电能力,能保证整车正常启动,并且具备超低温充电能力,可解决当前整车在-30 ℃以下环境中的蠕行问题。

(3)锂离子电容器具备更低的内阻,但在整车油耗实验中由于储能单元内阻造成的油耗低,油耗收益不明显。

(4)从锂离子电容器的自放电性能来看,28天自放电仍可以控制在3%以内,满足HEV对于自放电性能的要求(5%以内)。

(5)从当前的循环耐久情况来看,采用10 C/10 s的充放电进行45 ℃循环寿命测试,当前已运行了1.9×104次循环,仍然保持88% SOH,满足整车≥1.5×104次循环的使用要求。

所以锂离子电容器满足HEV车型对于储能单元充放电性能、低温冷启动性能、安全性能以及循环耐久性能的提升需求,虽然锂离子电容器能量密度较低,但其仍然满足HEV车型的设计要求,由此锂离子电容器具备应用于HEV车型的可行性,且可有效解决HEV车型当前所面临的问题。