在电动车⼯况下进⾏动⼒电池特性分析
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/T 742-2006 电动汽车⽤铅酸蓄电池》、《QC/T 743-2006 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
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）：
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
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。
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t h），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
（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 ≤T step3） U=f(Tc) 59.2 （T step1
≤T step2）
54.6 （T step2
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：
汽车电瓶如何充电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）
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
T step1 只控制电流。 Step2恒压充电 Step3 浮充 Tc
充电电压
充电电流
只控制电压。电压、电流同时控制。
0.25C
59.2+0.3V
54.6+0.3V Step1恒
流充电 T step2 T step3
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：。
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：
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：
SOC 的影响。见下表说明：
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/T 742-2006 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：