低溫對純電動汽車續駛里程的影響分析

陳德兵，葉 磊，楊 杰

（重慶車輛檢測研究院 國家客車質量監督檢驗中心，重慶 401122）

近幾年來，我國電動汽車技術取得了重大成就，但是動力電池及其成組應用技術仍然是電動汽車發展的技術瓶頸[1]。純電動汽車的續駛里程一直是人們關注的首要問題，而續駛里程的長短主要取決于動力電池的充放電特性的優劣。在低溫條件下（-20℃以下），動力電池的充放特性一般都不理想。資料顯示，相比25℃的常溫環境，鋰電池在0℃容量保持率為60%～70%，-10℃時為40%～55%，-20℃時僅有20%～40%[2]。為了推動新能源汽車的技術進步和產業化發展，財政部聯合科技部已在全國25個城市開展新能源汽車示范推廣試點工作。這25個城市，北到長春，南至海口，氣溫差異很大，尤其在北方地區，冬天最低氣溫達到-40℃左右。如何使純電動汽車在低溫條件下實現較長的續駛里程，具有重要的現實意義。本文以重慶車輛檢測研究院國家客車質量監督檢驗中心的實車試驗數據為基礎進行論述。

1 動力電池的溫度充放電特性

動力電池在不同溫度下的充放電特性相差很大。對于常用的鋰離子電池，其正常工作溫度一般為0～60℃。在更低的溫度下，如-40℃的環境下，其單體電池的放電容量只有室溫（20℃）的12%左右，這主要是由于在低溫環境中，電池內部的化學反應產生的電流的速度比室溫條件下慢很多[3]。當這種化學反應變得極為緩慢時，電池就沒電了，這也是電池容量隨溫度下降的主要原因之一[2]。

為了研究動力電池在不同溫度下的充放電特性，國家客車質量監督檢驗中心按照我國標準QC/T 743-2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》[4]的規定，對某一單體容量11.6 Ah、電壓3.2 V的鋰離子電池分別在室溫、0℃、-10℃和-20℃四種環境條件下進行充放電容量測試，充放電電流均為1/3倍容量，其數值為3.9 A，充電起始電壓和放電截止電壓為2.0 V，得出其充放電曲線（見圖1和圖 2）。

圖1給出的該鋰離子電池在不同溫度下的充電特性曲線，鋰離子電池在0℃、-10℃、-20℃的環境溫度下，電池的充電容量依次為11.2 Ah、10.8 Ah和8.6 Ah，分別相當于室溫充電容量（11.6 Ah）的96.6%、93.1%和74.1%；電池的充電平臺電壓（充電曲線的積分面積/充電容量）逐漸上升，依次為3.01 V、3.12 V和3.25 V，分別相當于室溫充電平臺電壓（2.95 V）的1.02%、1.06%和1.10%。從充電特性曲線上也可以得到，隨著環境溫度的下降，電池的恒流充電容量逐漸降低，尤其當溫度低于-20℃時，電池的恒流充電容量下降較快，主要原因是隨著溫度降低，電池的整體內阻增大造成歐姆極化增大，電化學極化增大和濃差極化提前,使充電電壓很快達到充電上限電壓,充電方式很快由恒流充電轉化為恒壓充電[5]。

從圖2中可以看出，在0℃、-10℃、-20℃時，鋰離子電池的放電容量依次為11.4 Ah、10.8 Ah和9.0 Ah，分別相當于室溫放電容量（11.6 Ah）的98.3%、93.1%和77.6%；放電平臺電壓（放電曲線的積分面積/放電容量）依次為2.76 V、2.65 V和2.33 V，分別相當于室溫放電平臺電壓（2.92 V）的94.5%、90.8%和79.8%。從上述數據可知，隨著溫度的降低，鋰離子電池的放電容量和放電平臺電壓都有所下降，尤其當溫度低于-20℃時,電池的放電容量下降較快。這是因為隨著溫度的降低，電解液的離子電導率隨之降低，電極材料活性降低，導致低溫下歐姆極化、濃差極化和電化學極化均增大。在電池的放電曲線上表現為放電容量隨著溫度降低而降低[6]。

2 續駛里程的數學模型

純電動汽車的續駛里程是整車性能指標中最重要的一項指標，也是目前決定著純電動汽車能否被市場所接受和被廣泛應用的最主要因素[6]。對于純電動汽車，動力電池的輸出功率和汽車行駛狀態密切相關，即電池組的輸出功率必須滿足汽車行駛過程中的需求功率。根據汽車理論[7]，車輛功率平衡方程為

式中：Pe為車輛工況行駛的功率需求，kW；η為電機輸出至驅動輪的機械傳動裝置的總效率；m為汽車總質量，kg；g為重力加速度，取 9.8 m/s2；f為滾動阻力系數；a為汽車在坡度上行駛的坡度角；CD為空氣阻力系數；A為車輛迎風面積，m3；va為車速，km/h；δ為旋轉質量換算系數；d v/d t為行駛加速度。

以M3類純電動城市客車為例，根據我國標準GB/T 18386-2005《電動汽車 能量消耗率和續駛里程 試驗方法》規定[8]，M3類汽車在水平路面上以40 km/h的速度進行等速法測試，根據試驗道路和試驗工況的要求，公式（1）簡化為

另外，在不考慮動力電池充放電效率的情況下，汽車在水平良好路面上進行等速法測試的續駛里程的等效計算模型，筆者定義：

式中：D為續駛里程，km；Vbatt為電池組的總電壓，V；Cbatt為電池組的總容量，Ah；SOCL為電池組低壓報警時的荷電狀態。

動力電池的充放電特性容易受到環境溫度的影響，在不同溫度條件下其充放電容量和充放電平臺電壓都有明顯變化，在忽略單體電池之間一致性的前提下，認為單體電池經過各種組合方式組合成動力電池包之后，其充放電特性基本不發生變化，因此，可以得到純電動汽車在不同溫度下的續駛里程的等效計算模型：

式中：DT為不同溫度下的續駛里程，km為放電平臺電壓變化系數為充電平臺電壓變化系數為放電容量變化系數為充電容量變化系數。

3 實例對比分析

重慶車輛檢測研究院國家客車質量監督檢驗中心對某款6100型純電動汽車依據文獻[9]分別在交通部公路汽車試驗場進行室溫（試驗時間：2011.4.9-11,氣溫18°C左右）和黑龍江省漠河縣進行低溫（試驗時間：2011.4.3-5,氣溫-18.5°C左右）條件下的續駛里程試驗。樣車主要技術參數見表1。

表1 某6100型純電動城市客車主要技術參數

樣車在水平路面上以40 km/h的速度行駛，試驗載荷為半載狀態，則需求功率Pe為

最后，等效計算和實際測試得到的結果如表2所示。

表2 續駛里程

通過等效計算和實際測量的結果可以看出，相對于室溫條件，低溫條件下的純電動汽車的續駛里程降低比較明顯。另外，等效計算結果和實測結果相對比較接近，存在差異的主要原因是由于單體電池間存在一致性差異，單體電池在不同溫度下的充放電特性也不能完全替代整個電池包的充放電特性。

動力電池的充放電容量除了受正負極材料和內部結構的影響之外，使用時的環境溫度也是影響其容量的重要因素[9]。建議可以從以下幾個方面來提高純電動汽車在低溫條件下的續駛里程：

1）由于動力電池在低溫條件下的容量保持率很差，長時間的低溫放置自身的容量會隨之下降，從而會增加其充電容量[10]。因此，在車輛不運行的情況下，盡量將汽車停放在溫暖的室內停車庫里面。

2）為了避免在低溫環境下，動力電池充電容量低的特點，在連接外部電源充電時，自動給電池預熱并一直保溫，讓電池始終處于最佳溫度狀態。

3）在汽車行駛過程中，應盡量保持一定的放電強度，利用放電產生的熱量為電池本身提供一定的溫度。

4）為動力電池增加一定的外部保溫措施的同時，在極為寒冷的條件下，也有必要采取一定的加熱措施。當動力電池本身的溫度低于某一限值時，啟動加熱器給動力電池加熱，以保證電池在正常的溫度下放電工作，以提供合適的續駛里程。

4 結論

1）隨著環境溫度的降低，動力鋰電池的充放電特性變差，充放電容量和充放電效率也隨之降低[11]。

2）純電動汽車的續駛里程受環境溫度的影響很大，尤其在低溫環境中，由于動力電池的充放電特性變差，充電容量和放電容量較常溫環境都明顯減少，從而嚴重影響整車的續駛里程。

3）等效計算得到的結果與試驗值比較接近，表明等效計算的方法可以在純電動汽車整車匹配設計初期可用于進行續駛里程的計算。

4）為了增加純電動汽車的續駛里程，提高動力電池使用環境的溫度是解決這一問題的有效途徑。但是采取升溫措施勢必會消耗動力電池自身的一部分能量，如何在這兩者之間找到平衡仍需繼續探索。

[1]楊磊.純電動汽車能耗經濟性研究[J].農業裝備與車輛工程，2007，(9):24-26.

[2]Plichta E,Behl WK.A Low-temperature Electrolyte for Lithium and LithiumIon Batteries[J].JPowerSources,2000,88（2）:192-196.

[3]楊春巍，張若昕，胡信國.LiFePO4鋰離子電池低溫性能研究進展[J].電池工業，2009，(14):125-128.

[4]QC/T 743-2006，電動汽車用鋰離子蓄電池[S].

[5]王洪偉，杜春麗，王常波.鋰離子電池的低溫性能研究[J].電池，2009，(4):208-210.

[6]謝曉華，解晶瑩，夏保佳.鋰離子電池低溫充放電性能的研究[J].化學世界，2008，（10）:581-582.

[7]余志生.汽車理論[M].北京：機械工業出版社,2003.

[8]GB/T 18386-2005,電動汽車 能量消耗率和續駛里程 試驗方法[S].北京：中國標準出版社,2005.

[9]韓景立，于燕，陳健，等，鋰離子電池電解液低溫導電性能的研究[J].電化學，2003,9（2）:222-228.

[10]趙新兵，謝健.新型鋰離子電池正極材料LiFePO4的研究進展[J].機械工程學報，2007,43（1）:69-77.

[11]徐順余，曹輝.鋰離子動力電池受高溫影響的試驗分析[J].客車技術與研究，2011，33（4）：53-55.