鉅大LARGE | 點擊量：2613次 | 2021年06月16日
動力鋰電池預(yù)熱，最適合加熱到什么溫度？
假如給自家動力鋰電池系統(tǒng)新增預(yù)熱功能，我們要設(shè)定一個小目標(biāo)，電池預(yù)熱到什么溫度最合適？可能會有這樣幾種說法：電池放電能力最好的溫度；最適合充電的溫度；壽命最長的溫度……一句萬能評語，這些都對，但是都不全面。今天看到一份資料，講述了一個說出來就很有道理的加熱截止溫度確定方法。一句話概括的話：以電池系統(tǒng)全生命周期總體成本最低為目標(biāo)，綜合考慮預(yù)熱溫度。在這個思路下，不同類型的電池預(yù)熱溫度可能不同；相同電池種類，只要循環(huán)壽命不同、價格不同、使用環(huán)境溫度不同、典型工況不同，則最合理的預(yù)熱溫度都可能不同。
依據(jù)文獻中的思路，在電池電路模型、發(fā)熱模型和衰退模型中考慮的考慮因素不同，對最終確定預(yù)熱截止溫度會出現(xiàn)不同程度的影響。在成本最低目標(biāo)之下，確定加熱溫度，相當(dāng)于求取總體運營成本這個函數(shù)取得極小值時，預(yù)熱截止溫度這個變量應(yīng)該取什么值?？傮w函數(shù)，要基于電池基本原理模型來討論，于是，先確定電池模型。文獻以磷酸鐵鋰離子電池應(yīng)用于公交車的情形為基礎(chǔ)展開討論。
1電池等效電路模型
上面的表格中列舉了電池的基本參數(shù)。文獻采用最簡單的電池電路Rint模型，如下圖所示。在電池電模型中表征了六個基本參數(shù)：1）SOC；2）開路電壓（OCV）；3）R-等效電阻；4）η-能源效率；5）電流;6）電池端電壓。這些參數(shù)是基于上面表格中的電池參數(shù)，通過計算或?qū)嶒灚@得的。
1）SOC，SOC通過安時積分進行評估；
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2）通過查詢SOC-OCV表獲得開路電壓Uoc，并通過電池循環(huán)測試儀，恒溫室獲得SOC-OCV表。
3）R與SOC和溫度相關(guān)的。它通過使用混合脈沖功率的實驗來測量。測量結(jié)果形成下面曲線圖形。
4）η是另一個受溫度影響很大的參數(shù)。η區(qū)分為放電效率ηDCH和充電效率ηCH兩個參數(shù)，如下面兩幅圖所示。
放電效率曲線
充電效率曲線
5）模型中電流值，由公交車實際運行工況的需求功率推算而來。
6）電池端電壓則由電池開路電壓減去內(nèi)阻占壓計算得到。
2電池發(fā)熱模型
討論預(yù)熱問題，而電池自身在充放電過程中都會發(fā)熱。在高溫天氣，電池組長期運行，散熱設(shè)計不得當(dāng)還可能出現(xiàn)電池過熱現(xiàn)象。假如從電池全部運行過程考慮預(yù)熱參數(shù)，則電池的發(fā)熱模型對結(jié)論的影響非常直接。
根據(jù)一種認可度較高的電化學(xué)電池模型理論，認為電池在工作過程中出現(xiàn)的熱量分為四個部分：反應(yīng)熱（Qr），副反應(yīng)熱（Qs），極化反應(yīng)熱（Qp）和焦耳熱（Qj）。事實上，Qs足夠小，它可以忽略不計。此外，Qp和Qj可以由等效電阻R出現(xiàn)的熱量來代替。
鋰離子電池工作發(fā)熱模型簡化后得到：Qt=Qr+Qp+Qs+Qj=Qr+I^2Rt
其中，Qt是電池出現(xiàn)的總熱量；R=Rz+Rp，Rz是歐姆電阻，Rp是極化電阻；t是充電或放電的持續(xù)時間。至于Qr，充電過程中吸熱，是一個負值；放電過程中放熱，是正值。其具體數(shù)值，可以通過放電發(fā)熱減去充電發(fā)熱，再除以2去估計。有研究顯示，Qr僅占總熱量的6％-7％出現(xiàn)。關(guān)于電動汽車上使用的大型電池，發(fā)熱重要由發(fā)熱量控制焦耳熱。
電池溫度的變化由獲得的熱量和自身的比熱容決定。獲得的熱量包含電池接受的加熱熱量、自身工作發(fā)熱和過程中散掉的熱量三個部分。具體公式如下：
其中，mbat是電池質(zhì)量;Cp是電池的比熱容。
電池自身的比熱容，可以通過上述公式中對各個參數(shù)的測量得出，即溫度變化和熱量可以通過實驗獲得被試樣品的溫升和吸熱；也可以計算組成電池的每個成分的質(zhì)量加權(quán)比熱的平均值，包含隔膜、電解質(zhì)、正負極集流體等。文獻中給出的電池比熱容854J/（kgK）。
3電池衰退模型
電池老化可以分為循環(huán)老化和日歷老化。這兩者都可能導(dǎo)致容量減少。文獻研究指針對循環(huán)老化，而不考慮日歷老化。因為電池模型用于研究車輛操作期間的優(yōu)化，這意味著電池在這個過程中始終處于工作狀態(tài)。電池循環(huán)老化，考慮不同循環(huán)電流和不同環(huán)境溫度，衰退比例相關(guān)經(jīng)驗擬合公式如下：
其中，i表示經(jīng)歷的循環(huán)數(shù)，Crate是充放電倍率，T是絕對溫度，Ah為電池總體安時數(shù)，其值等于：(循環(huán)次數(shù))×(DOD)×(可用總?cè)萘?。ΔAh和ΔClosse％代表每個檢測時刻比前一個檢測時刻容量的衰減值和衰減比例，ΔAh可以用安時積分計算獲得?？傮w的容量損失率由全部的ΔClosse％相加得到。
將電池的電路模型，發(fā)熱模型和衰退模型綜合考慮，就構(gòu)成了研究電池全生命周期內(nèi)運營成本全部因素的運營成本電池模型，其模型框圖如下所示：
4車輛運營成本評估
對全生命周期成本的考量，重要包含三個部分：預(yù)熱耗費電量，電池可用電量和電池壽命衰減，電池可用電量又包含最終用于驅(qū)動車輛的電量和效率損失。整個運營成本的劃分，可用用下面的樹狀圖表示。
車輛用電成本
用電成分的三個部分，預(yù)熱用電和驅(qū)動用電和損失電量。預(yù)熱用電與環(huán)境溫度和預(yù)熱溫度和預(yù)熱效率有關(guān)；損失電量重要與充電效率，充電電流，充電電壓和充電時間有關(guān)；驅(qū)動電量則與車輛的需求功率有關(guān)，這個功率可以利用典型工況來確定。由于是從成本考慮，那么運行中出現(xiàn)的制動能量回收，則可以抵消一部分驅(qū)動電量。
這里插播一句，文獻中考慮的運營用電的三個部分，預(yù)熱用電電力是從外部來，則全部的插座輸出的電量都是預(yù)熱電量。而損失電量和驅(qū)動電量的劃分，是把成功充入電池的電量全部作為驅(qū)動電量，驅(qū)動中真實驅(qū)動車子運行的部分和放電損失部分全部計入驅(qū)動電量。因而損失電量只計量充電損失即可。
分別確定了上述三部分用電，則運營用電成本直接將三個部分加在一起乘以電價即可。計算的周期可以是一個完整的典型工況，或者一個電池充放循環(huán)。
電池衰退成本
電池的總成本很容易計算，用電量乘以單價。根據(jù)標(biāo)準的規(guī)定，當(dāng)電池容量衰減至初始容量的80%時，壽命終結(jié)。那么每個循環(huán)的電池衰退成本就等于每個循環(huán)帶來的衰退率除以20%，乘以電池總成本。
車輛用電成本+電池衰退成本=車輛運營成本
5討論預(yù)熱溫度
先說結(jié)果，文獻選擇了一個公交車在本地的常見工況進行仿真，工況曲線如下。求解在這個工況下，環(huán)境溫度取-10℃，設(shè)定一個加熱最高報警溫度20℃，行駛里程為20公里，SOC充電范圍為20％80％，要求車輛運營車本函數(shù)的最小值。假設(shè)每度電0.1美元的條件下，求得的函數(shù)最小值為88.74美元。能夠取得最小值的預(yù)熱溫度為2℃。后面逐條分析預(yù)熱截止溫度的硬影響。
預(yù)熱溫度對車輛總消耗電量的影響
車輛消耗總電量隨溫度變化的曲線如下圖所示。橫軸為預(yù)熱截止溫度，縱軸為車輛運營直至電池報廢要消耗的總電量?？梢钥吹剑S著預(yù)熱溫度的升高，消耗的電量一直在上升。這說明，預(yù)熱消耗的電量總是大于預(yù)熱可以節(jié)約的電量，只要新增預(yù)熱過程，總體上消耗的電量都是在新增的，預(yù)熱溫度越高，則消耗的電量越高。
預(yù)熱溫度對電池衰退率的影響
下圖中橫軸為電池預(yù)熱溫度，縱軸為電池衰退率，可以看到，電池衰退率先隨著預(yù)熱溫度的上升而降低，到達一個最低點后，又開始上升，最低點出現(xiàn)在2℃左右。也就是說，預(yù)熱溫度并非越高越好。
預(yù)熱溫度對總體車輛運營成本的影響
下圖中橫軸為電池預(yù)熱溫度，縱軸為總體車輛運營成本，可以看到，總體車輛運營成本先隨著預(yù)熱溫度的上升而降低，到達一個最低點后，又開始上升，最低點也出現(xiàn)在2℃左右，其趨勢與電池衰退率非常近似。可以說，電池衰退成本是影響總體運營成本的重要因素。
考察加入環(huán)境溫度和里程因素后最好預(yù)熱溫度
按照類似的思路，繼續(xù)討論不同環(huán)境溫度下，不同形式里程下，追求最小車輛總體運營成本，要什么樣的預(yù)熱溫度，如下圖所示。可以看到環(huán)境溫度越低，要的預(yù)熱溫度越高；行駛里程越短，要的預(yù)熱溫度越高；在合理的評估范圍內(nèi)，環(huán)境溫度對預(yù)熱溫度最佳值的影響更顯著。最后，經(jīng)過試驗驗證，仿真獲得的結(jié)論與實際趨勢一致。
動力鋰電池預(yù)熱，不同預(yù)熱溫度帶來不同衰退率；環(huán)境溫度越低，要的預(yù)熱溫度越高；行駛里程越短，要的預(yù)熱溫度越高；在合理的評估范圍內(nèi)，環(huán)境溫度對預(yù)熱溫度最佳值的影響更顯著。
在常見的預(yù)熱系統(tǒng)設(shè)計或者探討中，常見的處理預(yù)熱溫度的做法就是拍腦袋定一個。我們理所當(dāng)然的認為，就加熱到電池最適應(yīng)的工作溫度就對了，而很少會思考，一個合理的預(yù)熱溫度，會對應(yīng)用結(jié)果帶來如此顯著的影響。不過，從文獻的分析過程中，我們也能看到，關(guān)于具有指定銷售地區(qū)，運行工況明確的車輛，那么防止電池壽命衰退確實就是預(yù)熱的最重要影響因素，這點關(guān)于公交車來說是很明確的。關(guān)于乘用車，工況比較復(fù)雜，無法具體考量，能夠加入優(yōu)化系統(tǒng)的除了壽命就是行駛區(qū)域這個因素。
