商用车锂离子电池起动性能分析.pdf

QICHEJISHU汽车技术HEAVY TRUCK重型汽车29商用车锂离子电池商用车锂离子电池起动性能分析起动性能分析材料为氧化铅、金属铅、浓硫酸，采用材料为氧化铅、金属铅、浓硫酸，采用无机电解液。锂离子电池则有四个主要无机电解液。锂离子电池则有四个主要部分：正极（钴酸锂/锰酸锂/磷酸部分：正极（钴酸锂/锰酸锂/磷酸铁铁锂/三元）、负极（石墨）、隔膜和电解质（有机电解液）。结构不同导致性能差别很大，与铅酸电池相比，锂离子电池的优缺点见表 1：目前锂价下跌明显，单体报价可以控制在 400 元/kWh 甚至 300 元/kWh 以下，动力电池系统价格基本可以控制在 600 800Wh/kg 以内，铅酸的 250 300Wh/kg 价格优势已经不大。锂离子电池寿命跟铅酸电池比具有很明显的优势，锂离子电池的循环寿命可以达到 2500 甚至 7000 次以上，而命可以达到 2500 甚至 7000 次以上，而铅酸电池仅可循环 300 500 次，锂离铅酸电池仅可循环 300 500 次，锂离子电池的高循环寿命可以增加其质保寿子电池的高循环寿命可以增加其质保寿命，命，一般可以达到 5 8 年甚至 10 年以上，而铅酸电池的质保时间普遍在 1 年左右；锂离子电池的长寿命大大降低了其作为起动电源的维护成本和使用成本。铅酸电池能量密度为 45 50Wh/kg，而单体锂离子电池能量密度可达到 300Wh/kg，动力用电池包的能量密度可以达到 160Wh/kg 以上。同样电量，锂离子电池的体积和重量均大大降低，有助于整车轻量化设计和系统布置。1 蓄电池产品现状及锂离子电1 蓄电池产品现状及锂离子电池特点池特点电源系统由蓄电池、发电机、调节电源系统由蓄电池、发电机、调节器器及工作状况指示装置（电流表、充电指示灯）等组成，其作用是向全车用电设备提供低压直流电能。汽车的供电电源是由发电机（新能源车是 DCDC）与蓄电池并联工作的。蓄电池的作用是在发动机起动时，向起动机、点火系统等主要用电设备供电；在发动机不运行或者低速运行时，向各种用电设备供电；当用电设备过多、用电量超过发电机的供电能力时，蓄电池协助发电机向各种用电设备供电；另外，蓄电池还有稳定供电系统电压的作用，它相当于一个大电容，可以吸收电路中瞬间的过电压，以保护用电设备。目前，绝大多数商用车采用铅酸电池作为蓄电池。常用的铅酸电池参数见表 1，其中产品 1 3 主要用于轻型车和乘用车，产品 4 5 主要用于中、重型商用车。能量密度普遍在40 55Wh/kg，较为笨重。质保寿命一般在一年左右，并且对于长期放置的车辆，最长每两个月需要定期充电维护。锂离子电池和铅酸电池是两种截然不同的电化学体系，铅酸电池的正负极文文/尚玉芬 张宗杰 石冀龙 宋 亮 杨金亮（中国重汽集团汽车研究总院尚玉芬 张宗杰 石冀龙 宋 亮 杨金亮（中国重汽集团汽车研究总院）【摘 要摘 要】随着汽车尤其是卡车司机年轻化、车载电器需求多样化发展，对车用蓄电池性能和技术要求不断提高，】随着汽车尤其是卡车司机年轻化、车载电器需求多样化发展，对车用蓄电池性能和技术要求不断提高，现有铅蓄电池低温环境冷起动性能较差、冷起动时间长、无法满足用户长时间使用驻车空调等大功率驻车电气、蓄现有铅蓄电池低温环境冷起动性能较差、冷起动时间长、无法满足用户长时间使用驻车空调等大功率驻车电气、蓄电池寿命较短导致车辆维保频繁、整车全生命周期电池使用成本较高、体积和重量大等问题成为车用蓄电池的痛点，电池寿命较短导致车辆维保频繁、整车全生命周期电池使用成本较高、体积和重量大等问题成为车用蓄电池的痛点，对整车布置、轻量化设计、车辆使用成本等方面带来较大负面影响。锂离子电池能量密度大、自放电率低、寿命与对整车布置、轻量化设计、车辆使用成本等方面带来较大负面影响。锂离子电池能量密度大、自放电率低、寿命与整车寿命基本相当，整车服务期间不需更换，维护成本和使用成本优势明显。本文初步测试了锂离子电池起动发动整车寿命基本相当，整车服务期间不需更换，维护成本和使用成本优势明显。本文初步测试了锂离子电池起动发动机的性能并进行了分析，为锂离子起动电池测试提供数据支撑。发现锂离子电池可用于温度较为适宜的南方版起动机的性能并进行了分析，为锂离子起动电池测试提供数据支撑。发现锂离子电池可用于温度较为适宜的南方版起动电源，极低温度（-30以下）下锂离子用作起动电源性能略显不足，可结合电池保温技术提升性能。锂离子电池电源，极低温度（-30以下）下锂离子用作起动电源性能略显不足，可结合电池保温技术提升性能。锂离子电池有潜力取代铅酸电池作为整车起动电源使用。有潜力取代铅酸电池作为整车起动电源使用。【关键词关键词】起动电池；锂离子电池；起动性能起动电池；锂离子电池；起动性能表 1 常用铅电产品参数及两种电池指标对照表项目铅酸电池（12V）锂离子电池产品 1产品 2产品 3产品 4产品 5容量（AH）556590180240体积（L）7.47.410.422.530.5能 量 密 度（Wh/kg）45.250.651.452.740.6系统 80 200参考价格（元）1802003005001500700 1000质保寿命8 月 1 年5 8 年使用成本（元/年/kWh）250 300100 200循环次数 3002500 10000自放电性能25 30%/月3 5%/月环保铅污染环保温度适应性强极端温度下差最佳工作温度-40 70-20 55记忆效应有无安全性好略差维护费用高基本免维护重型汽车HEAVY TRUCK30锂离子电池的另外一个优势是其自放电率较低，一般在 3 5%/月，而铅酸电池的自放电可以达到 25 30%/月，锂离子电池作起动电源可以大大缓解长期搁置导致的蓄电池亏电引发的起动难问题。当然，锂离子电池也有其自身缺点，它采用有机电解液，安全性、低温和倍率性能比铅酸差。为了保证其寿命和安全性能，需要较为复杂的电池管理系统控制电池工作在适宜的温度、电压和电流范围之内。在设计锂离子起动电源时需要特别注意。2 启动数据分析2.1 采集起动工况数据将 整 车（发 动 机 型 号 MC13）开至恒温仓，分别调节恒温仓温度至-30、-10和 0，充分搁置后连接 180AH/24V 铅酸电池和钛酸锂电电池（1.5kWh/25.3V；峰值放电倍率：室温 50C；-20 15C；-40 8C）进行起动测试，监控起动过程中电池输出电流和电压值。具体起动情况见表 2，铅酸电池在-30环境温度下起动成功，高倍率高低温性能的钛酸锂电池在-30下启动失败，原因是低温大电流输出时，电池电压急剧下降至个位数，不满足起动要求。实验数据表明，商用车起动电源相关技术要求如下：（1）电池工作电压范围 18 36V；（2）启动过程中电池电压不 得 低 于 18V;（3）-30峰值起动电流不得低于 1023A。采集了铅酸电池在-30和 0下起动发动机时的电流电压数据。用于测试锂离子电池用于起动电源的可行性。2.2 锂离子电池冷起动分析采集铅酸电池-30和 0启动过程中的电流数据，并对工况数据进行转化，测试锂离子电池的性能，研究锂离子电池可否用于北方版（最低环境温度-30）和南方版（最低环境温度-10）起动电源。满足发动机低温冷起动是关键，几种锂离子电池中，三元电池的低温性能最为优异1，本文选择低温下仍可高倍率输出的三元锂离子电池作为测试对象，单体参数见表 3。北方版起动电源需要工作在-30甚至更低温度下，考虑到极低环境温度下可以加装电池保温被，-35搁置12h 后电池温度仍在-30以上，仅测试了-30下起动性能，测试结果见表4。使用高倍率的三元锂离子电池，电池 SOC 降低至 30%以下时，即使配置7.15kWh 电仍不能满足启动要求；但是SOC控制在50%以上时，4.468kWh就可以满足启动要求。为保证起动性能，铅酸用作起动电源需要预留 60%的电量，从表 4 的测试结果上看，锂离子起动电源也需要预留50%甚至更多电量。总体上看，锂离子电池应用于北方版的低温启动电源压力较大。南方版起动电源最低需要工作在-10 0环境中，考虑到低温环境温度下可以加装电池保温被提升电池温度，测试了 0下的起动性能，测试结果见表 5。从测试结果看，三元锂离子电作为南方版起动电源表现优异，电量控制在 0.357kWh 以上，SOC 范围30 100%均可以满足起动要求，实际应用时只预留 30 40%电量就可以保证起动电量。3 结论汽车尤其是卡车司机的年轻化、车载电器需求多样化发展，要求起动电源满足高容量、低体积、轻质量、高循环寿命、低成本等多方面需求。能量密度低、循环寿命短的铅酸电池显然已经越来越不能满足要求，锂离子电池凭借其高寿命、高能量密度及越来越低的价格，越来越适宜取代铅酸电池成为新一代起动电源。本文对锂离子电池的起动性能进行了测试和分析，发现锂离子电池适合用于环境温度高于-10的南方版起动电源，预留 3040%电量即可。但在-30及更低环境，需要配置更高的电量方可满足起动要求，当前锂离子电池可能还不能取代铅酸电池应用于极低环境温度下作业车型的起动电源。参考文献：1 尚玉芬,邱勇,韩美锐.各类型动力电池的性能及匹配情况分析 J.重型汽车,2022（5）：35-36+50.表 2 两种电池起动测试结果电池类型铅酸电池（180AH/24V）锂离子电池（1.5kWh/25.3V）环境温度 起动情况 起动时长峰值特性启动前后压差 起动情况 起动时长峰值特性启动前后压差-40失败/280A/1.2kw电压迅速下降至 2V失败/5V/400A电压、电流 4s 内下降至 5V/400A-30成功6.83s1023A/14.5kw375mV失败/950A/14.5KW0成功1.5s280A/6.17kw0V成功3.5s410A/9.2kw500mV表 3 单体电池参数表项目参数正极材料NCM111负极材料石墨工作电压范围（V）2.74.1（低温短时2.54.1）放电倍率（C）34-30，100%SOC,2s12-30，50%SOC,2s8-30，30%SOC,2s470，100%SOC，2s250，50%SOC，2s200，30%SOC，2s表 4 北方版锂离子电源启动测试结果起动后截止电压-30100%SOC50%SOC30%SOC1.787kWh2.681kWh3.574kWh 4.468kWh 5.361kWh 4.468kWh 5.361kWh 6.25kWh 7.15kWh单体电压（V）2.53 2.69 2.78 2.54 2.58 2.17 2.25 2.28 2.34 电池包电压（V）17.7118.8319.4617.7818.0615.1915.7515.9616.38表 5 南方版锂离子电源启动测试结果起动后截止电压0100%SOC50%SOC30%SOC0.179kWh0.357kWh 0.179kWh 0.357kWh 0.179kWh 0.357kWh单体电压（V）2.993.33 2.61 2.97 2.41 2.85 电池包电压（V）20.9323.3118.2720.7916.8719.95