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低溫對純電動汽車動力電池系統(tǒng)性能的影響分析
2020-03-31 09:04:28· 來源：《溫對純電動汽車動力電池系統(tǒng)性能的影響分析》 作者：南京依維柯汽車有限公司
0 引言純電動汽車的發(fā)展主要依賴于動力電池技術(shù)的進步與發(fā)展，依照電池類型發(fā)展來看，經(jīng)過了鉛酸蓄電池?鎳氫電池?鋰離子電池3 個時代?由于鋰離子電池具有長壽
0 引言
純電動汽車的發(fā)展主要依賴于動力電池技術(shù)的進步與發(fā)展，依照電池類型發(fā)展來看，經(jīng)過了鉛酸蓄電池?鎳氫電池?鋰離子電池3 個時代?由于鋰離子電池具有長壽命?大倍率?高能量密度?無污染等優(yōu)勢，已經(jīng)成為時代的主流，而鎳鈷錳三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池由于能量密度高?成本低而被廣泛應(yīng)用?但是鋰離子電池的電化學性能與正極材料?負極材料?電解液?導電劑及黏結(jié)劑的性質(zhì)有較大關(guān)系?在低溫環(huán)境下，正負極材料的活性?電解液通過性及黏結(jié)劑的性質(zhì)均會降低，因此，隨著溫度下降，鋰離子電池電化學性能急劇降低?
在低溫環(huán)境中，動力電池系統(tǒng)的實際容量?放電倍率和電壓平臺會降低，影響著其在整車上的表現(xiàn)，例如續(xù)航里程減少?最大放電功率降低等?這些參數(shù)都影響著電池管理系統(tǒng)SOC 的估算，以及過充過放等安全策略的定義?本文針對搭載磷酸鐵鋰動力電池系統(tǒng)的某輕型商用電動車，研究其在低溫環(huán)境中動力電池系統(tǒng)的性能，為電池管理系統(tǒng)低溫策略提供依據(jù)?
1 低溫對充電時效的影響
由于在低溫環(huán)境中磷酸鐵鋰動力電池的電化學性能降低，不能進行充放電或者充放電效率降低，為了解決這一問題，動力電池系統(tǒng)采用熱管理系統(tǒng)，對電池包進行加熱處理，使電芯在最佳的溫度范圍內(nèi)工作?表1 所示為某輕型商用電動車在低溫環(huán)境與常溫時充電時效的對比?
由表可見，在- 10 ℃時動力電池系統(tǒng)所需要的充電時間更長，其原因是低溫電池管理系統(tǒng)會首先啟動熱管理程序，對動力電池系統(tǒng)進行加熱，只有加熱到電芯適合充電的溫度時才能進行充電，這個過程不僅需要時間，而且也會消耗動力電池系統(tǒng)的電量?因此，一般在低溫環(huán)境中使用車輛時，需設(shè)置的SOC 最低限值比常溫更大，以滿足低溫加熱的需求?在低溫條件下完成充電時，動力電池系統(tǒng)的總電壓及單體電壓均要小于在常溫時，這是由于溫度越低，電池的內(nèi)阻越大，Li +擴散阻抗越大所致?
2 低溫對續(xù)航里程的影響
隨著電動汽車技術(shù)的進步及普及，電動汽車的續(xù)航里程也有了較大的提升?然而在低溫條件下，常用的電動汽車鋰離子動力電池的容量和工作電壓會明顯降低，這就導致了電動汽車續(xù)航里程的降低?表2 所示為某輕型商用電動車在常溫與低溫環(huán)境下續(xù)航里程的對比?由表可見，在- 10 ℃時動力電池的能量為常溫25 ℃時能量的94%，但在相同工況條件下續(xù)航里程卻僅為常溫時的68%，百公里能耗也是常溫時的134%?
百公里能耗是純電動汽車反映經(jīng)濟性及續(xù)航里程的一個重要參數(shù)，其與電池的特性及電機的效率有關(guān)?圖1 所示為某輕型商用電動車在常溫及低溫條件下，不同行駛速度時的百公里能耗?由圖可見，在低溫- 10 ℃條件下，無論在什么車速下行駛，百公里能耗總是高于在常溫25 ℃時?無論在低溫- 10 ℃還是在常溫25 ℃時，能耗最低的行駛速度為40 km/h，隨著速度的增大，能耗值幾乎呈線性增長?這與電機效率有關(guān)，車輛在時速40 km/h 勻速行駛時電機效率最高?且隨著時速的增大，電池瞬時的放電功率增大，放電電流也增大?而對鋰電池而言，放電電流越大，相應(yīng)的內(nèi)阻消耗也更大?
3 低溫對輸出功率的影響
動力電池的輸出功率與速度和環(huán)境溫度都有關(guān)，圖2 所示為在低溫- 10 ℃及常溫25 ℃條件下，不同時速勻速行駛時電池的輸出功率?在低溫條件下，動力電池的輸出功率要大于常溫時的輸出功率，且隨著車速的變大，差值變小?這是因為在低溫時，電池需要啟動加熱系統(tǒng)，通過自加熱來提高電池的溫度以達到電池允許使用的溫度范圍?而車速越大，功率越大，動力電池的放電電流則越大，此時電池內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量更多，因此需要額外消耗進行自加熱的能量更小?
4 低溫環(huán)境下系統(tǒng)電壓的變化
圖3 所示為某輕型商用電動車在低溫- 10 ℃環(huán)境下以40 km/h 勻速行駛過程中的系統(tǒng)電壓變化曲線?在行駛過程中，電壓總體趨勢在下降，在電池系統(tǒng)溫度過低，特別是在0 ℃以下時，電池內(nèi)阻增加較為明顯，故電池端電壓較低；隨著電池系統(tǒng)溫度的升高，電池內(nèi)阻減小，電池端電壓隨之升高；在電池系統(tǒng)溫度上升到一定程度后，隨著電池能量減小，系統(tǒng)電壓也隨之減小?
5 低溫環(huán)境下單體溫度的變化
圖4 所示為某輕型商用電動車在低溫- 10 ℃環(huán)境下以40 km/h 勻速行駛過程中的動力電池單體溫度的變化曲線?由圖可見，在低溫環(huán)境下，動力電池系統(tǒng)首先進行自加熱，此過程電池的溫度逐漸升高，當單體最高溫度達到BMS 系統(tǒng)設(shè)定的溫度時，停止加熱?但是由于低溫環(huán)境下電池自身放電產(chǎn)生的內(nèi)阻熱不足，因此此時電芯溫度逐漸下降，直到電芯最低溫度達到限值，又重新啟動自加熱?如此變化，最終電芯最高溫度在17 - 20 ℃范圍內(nèi)波動，而電芯最低溫度在13 -15 ℃范圍內(nèi)波動?
6 結(jié)語
(1) 動力電池在低溫- 10 ℃環(huán)境下比常溫25 ℃時需要的充電時間長，且充電靜置后系統(tǒng)電壓低?這是由于低溫時電池的內(nèi)阻大，Li +擴散阻抗大所致；且在低溫環(huán)境下，電池需進行加熱至電池允許的充電溫度范圍才能啟動充電?
(2) 動力電池在低溫- 10 ℃ 環(huán)境下比常溫25 ℃時能量低?續(xù)航里程短且百公里能耗高；在任何車速下，動力電池在低溫- 10 ℃環(huán)境下比常溫25 ℃時輸出的功率大?這是由于動力電池在低溫環(huán)境中需要進行自加熱消耗能量?
(3) 低溫環(huán)境下，系統(tǒng)電壓會呈現(xiàn)先急劇下降后上升再下降的變化規(guī)律；單體溫度呈現(xiàn)先上升后下降，然后在一定范圍內(nèi)波動的趨勢?
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