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插电混合动力汽车|热管理系统、行驶条件和区域气候对LiFePO4电池寿命的影响

插电式混合动力汽车作为燃油汽车向纯电动汽车过渡的中间体,其部分能耗被电池组所替代,从而可减少燃油的使用,降低有害气体的排放。但是,电池组的昂贵费用严重阻碍了纯电动车时代的到来,如果再加上电池组寿命短的问题,对于纯电动汽车的发展更是致命的通常情况下,如果电池组使用后容量衰减到初始容量的80%或者内阻增加了30%,电池厂商认为这些电池组已经报废,不再适合作为动力电池的动力源。但也有一些例外,不同的汽车设计标准也会采用不同的寿命终结标准。

电池寿命一般采用循环寿命和日历寿命(calendar life)来表征。容量衰减受电池储藏时的温度和荷电状态(state-of-charge;SOC)影响。高荷电状态存储时,电量衰减速率较快。此外,电池容量衰减受温度影响极大。许多插电式混合动力汽车主要采用热管理的策略来延长电池的寿命。热管理是否有效主要受热管理系统、电池材料、壳体和包装设计、车载系统特点以及工作条件等因素的影响近日,美国卡耐基梅隆大学Jeremy J. Michalek等人以ANR26650圆柱形LiFePO4/石墨电池组(air-cooled battery pack)为测试样本,构建了插电式混合动力汽车的数学模型,并模拟了热管理,行车条件、区域气候以及车载系统对电池寿命的影响。作者得出以下结论:

  1. 攻击性驾驶行为(一直高速驾驶,采用模式为US06)可使电池的寿命减少三分之二,所以要温和驾驶方可提高电池寿命;

  2. 纯电动控制策略相比,混合气/电运行控制策略可以使电池寿命翻两番;

  3. 纯电动情况下,大电池组要比小电池组的寿命长一个数量级;

  4. 电池在气候温和地区(例如旧金山)的使用寿命比在高热地区(例如菲尼克斯)长73%-94%;

  5. 空气冷却可以提高电池组的寿命为原来的1.5到6倍,这一值取决于区域性气候和汽车的行驶模式。

本文是作者及其合作者一二十年的研究成果,实在令人钦佩!文中涉及到复杂数学模型的构建(图1)以及大量的数学公式,理解时较为费劲,有需要的可以深入解读,共同探讨。作者考虑了多个影响因素,因此数据使用量之大可想而知。

插电混合动力汽车|热管理系统、行驶条件和区域气候对LiFePO4电池寿命的影响图1. 在研究中遵循的建模和仿真方法的示意图

插电混合动力汽车|热管理系统、行驶条件和区域气候对LiFePO4电池寿命的影响
图2.模型中,作者选定的一种电池组中电池的排列方式。如b图所示,空气从左侧进入电池组,将热量带走并从右侧流出。

 

Tugce Yuksel, Shawn Litster, Venkatasubramanian Viswanathan, Jeremy J. Michalek, Plug-in hybrid electric vehicle LiFePO4 battery life implications of thermal management, driving conditions, and regional climate, Journal of Power Sources 338 (2017) 49-64

 

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