电动汽车不同种类电源特性对比

史江昆，申彩英，陈 鑫

Shi Jiangkun，Shen Caiying，Chen Xin

（辽宁工业大学 汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001）

0 引 言

相比传统燃油汽车，电动汽车因具有无污染、低噪声、经济性良好等优势迅速崛起并逐渐被大众接受[1]。随着电动汽车的迅猛发展，动力电池由原先铅酸电池、镍氢电池逐渐被锂电池替代。现阶段电动汽车的电源主要为三元锂电池、磷酸铁锂电池、超级电容器等[2]，主要参数见表1。

表1 不同电源的主要参数

比能量方面，锂电池相比超级电容器具有很大优势；比功率和循环寿命方面，超级电容器优势明显。锂电池低温适应能力差、比功率低、电池寿命短等问题已严重限制电动汽车的发展[3-4]。为了弥补锂电池比功率低和循环寿命短等问题，考虑采用超级电容器作为辅助电源。为了直观反映锂电池和超级电容的性能优势，本文选取磷酸铁锂电池和超级电容器作为试验对象，分别进行电源特性测试。

1 试验安排

1.1 试验对象

试验选用方形磷酸铁锂电池，如图1 所示，具体参数见表2。

图1 磷酸铁锂电池

表2 磷酸铁锂电池的主要参数

超级电容器如图2所示，具体参数见表3。

图2 超级电容器

表3 超级电容器的主要参数

1.2 试验设备

试验设备包括1 台可以发送编程指令的上位机、1 台可以实时接收并编译和传输上位机指令的中位机、1 台可以实时采集电池电压、电流以及温度等数据的高性能电池检测系统，以及1 台可以控制电池温度及湿度的湿热试验箱，硬件设备连接如图3所示。

图3 试验设备

2 磷酸铁锂电池特性测试

为避免试验的偶然性，选取4块同规格磷酸铁锂电池，采用单一变量试验方法，分别进行不同温度、不同放电倍率、最大容量的测试，取4块电池试验数据的平均值作为每项试验的最终结果。

2.1 温度特性

将电池充满电静置1 h，根据试验需求将环境温度设置为特定值，当电池单体温度与环境温度相差不超过1 ºC时，将电池以1 C电流进行放电，当端电压达到放电截止电压2.5 V时，结束试验并记录数据。电池在不同温度下放电曲线如图4所示。

图4 不同温度下电池放电曲线

从图4 可以看出，当放电倍率一定时，随着温度升高，放电时间逐渐加长。50 ℃时放电时间最长，－20 ℃时放电时间最短，这表明在一定放电倍率下，磷酸铁锂电池的低温适应能力差。

2.2 放电倍率特性

将电池充满电静置1 h，设置环境温度为20 ºC，当电池单体温度与环境温度相差不超过1 ºC时，以设定的不同放电倍率对电池进行放电，当端电压达到放电截止电压2.5 V时，结束试验并记录数据。电池在不同放电倍率下的放电曲线如图5所示。

图5 不同放电倍率下电池放电曲线

从图5 可以看出，温度一定时，随着放电倍率增加，放电时间逐渐缩短。0.2 C时放电时间最长，3 C 时放电时间最短。在高倍率放电情况下，电池电压迅速下降至截止电压，放电结束。由于放电时间短，靠近极板的电解液浓度与远离极板的浓度相差较大，导致放电容量减少。图5 间接表明在一定温度下对磷酸铁锂电池进行大电流放电时会使放电容量明显减少[5]。

2.3 最大放电容量特性

将电池充满电静置1 h，根据试验需求，设置放电倍率和环境温度分别为预期数值，当端电压达到放电截止电压 2.5 V 时，结束试验并记录数据。电池在不同放电倍率、不同温度下的放电曲线如图6所示。

图6 不同放电倍率和温度下电池放电容量

结合图5、图6 可以看出，当温度低于20 ℃且恒定时，电池放电容量与放电倍率负相关；从图6 可以看出，当温度为－20～20 ℃且放电倍率恒定时，电池放电容量与温度正相关；当温度为30～50 ºC时，放电倍率对电池放电容量的影响非常小，几乎可以忽略。

3 超级电容器特性测试

为避免试验的偶然性，选取4 块同规格超级电容器，采用单一变量试验方法，分别进行不同温度、不同放电电流、最大能量的测试，取4 块超级电容器试验数据的平均值作为每项试验的最终结果。

3.1 温度特性

将超级电容器充满电静置1 h，根据试验需求将环境温度设置为特定值，当超级电容器温度与环境温度相差不超过1 ºC 时，对超级电容器以10 A电流进行放电，当端电压达到0.1 V时，结束试验并记录数据。超级电容器在不同温度下放电曲线如图7所示。

图7 不同温度下超级电容器放电曲线

从图7 可以看出，放电电流一定时，随着环境温度升高，超级电容器放电时间的波动很小，表明超级电容器能够很好适应温度变化；与磷酸铁锂电池放电曲线不同，在一定温度下，超级电容器放电电压与时间呈线性关系。

3.2 放电电流特性

将超级电容器充满电静置1 h，设置环境温度为20 ºC，当超级电容器温度与环境温度相差不超过1 ºC 时，以设定的不同恒定电流对超级电容器进行放电，当端电压达到 0.1 V 时，结束试验并记录数据。超级电容器在不同放电电流下放电曲线如图8所示。

图8 不同放电电流下超级电容器放电曲线

从图8 可以看出，温度恒定时，超级电容器的放电时间与放电电流负相关，这表明在一定温度范围内，放电电流对放电时间影响较大。

3.3 最大放电能量特性

将超级电容器充满电静置1 h，设置环境温度为20 ºC，当超级电容器温度与环境温度相差不超过1 ºC时，对超级电容器以10 A电流进行放电，当端电压达到0.1 V时，结束放电；将超级电容器搁置10 s，再以10 A恒定电流进行充电，当端电压达到2.7 V时立即以恒定电压充电30 s，之后结束充电。超级电容器的能量随时间变化曲线如图9所示，电容器先进行放电，之后静置10 s再进行充电。

图9 超级电容器能量变化曲线

从图9 可以看出，放电过程中，超级电容器释放能量的速度逐渐变慢，充电过程中，超级电容器吸收能量的速度逐渐加快，这表明超级电容器在制动过程中可以快速吸收回馈电流[6]。

将超级电容器充满电静置1 h，设置环境温度分别为－20、－10、0、10、20、30、40、50 ºC，当超级电容器温度与环境温度相差不超过1 ºC时，对超级电容器以10 A 电流进行放电，当端电压达到0.1 V 时，结束试验并记录数据。超级电容器在不同温度下放电能量如图10所示。

图10 不同温度下超级电容器放电能量

从图10可以看出，－10 ºC时超级电容器放电能量最少，为2.918 3 Wh，30 ºC时放电能量最多，为3.131 4 Wh，不同温度下放电能量虽然不同，但差异率不足8%，表明温度对放电能量影响不大。

将超级电容器充满电静置1 h，设置环境温度为20 ºC，当超级电容器温度与环境温度相差不超过1 ºC 时，对超级电容器分别以2、5、8、10、20、30 A 恒定电流进行放电，当端电压达到 0.1 V 时，结束试验并记录数据。超级电容器在不同放电电流下放电能量如图11所示。

图11 不同放电电流下超级电容器放电能量

从图11 可以看出，放电电流为8 A 时超级电容器放电能量最多，为3.217 1 Wh，放电电流为30 A 时放电能量最少，为3.122 4 Wh，不同放电电流下放电能量虽然不同，但差异率不足4%，表明放电电流对放电能量影响不大。

综上所述，通过分析磷酸铁锂电池与超级电容器试验数据发现：（1）在相同放电电流下，磷酸铁锂电池低温适应能力差，超级电容器能够很好适应温度变化；（2）在相同温度环境下，磷酸铁锂电池和超级电容器的放电时间与放电电流具有负相关关系；（3）在特定条件下，温度或电流对超级电容器的放电能量影响较小，对磷酸铁锂电池的放电容量影响较大。

4 结束语

锂电池在低温环境及循环寿命等方面存在不足，利用超级电容可以弥补锂电池的缺陷。现阶段，单一锂电池已无法满足电动汽车长续驶、高寿命的整体需求，将锂电池和超级电容结合，对延长锂电池循环使用寿命、提高整车续驶里程、降低经济成本以及合理设计能量控制策略具有重要意义。