鋰離子電池純電動汽車低溫性能研究

張歡歡，宮閃閃

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，新能源汽車研究院，安徽 合肥 230601）

鋰離子電池純電動汽車低溫性能研究

張歡歡，宮閃閃

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，新能源汽車研究院，安徽 合肥 230601）

電動汽車的加速性能與動力電池的放電特性密切相關，動力電池的放電特性與環境溫度又密切相關。文章基于三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池在不同溫度下的放電功率特性，利用 CRUISE軟件搭建整車仿真模型，通過不同溫度下整車加速性能仿真對比，三元電池低溫放電功率衰減對整車加速性能的影響小于磷酸鐵鋰電池。

電動汽車；低溫環境；加速性能；放電功率

前言

近年來，新能源汽車產業迅猛發展，作為純電動汽車和混合動力汽車的動力源，鋰離子電池以其低成本、長壽命、高比能量和高比功率正在成為現階段車用主要的動力來源[1-3]。目前，電動汽車主要使用磷酸鐵鋰電池和三元電池。磷酸鐵鋰電池因其良好的安全性能、長壽命和高性價比而廣受歡迎。但是，隨著技術的不斷發展，磷酸鐵鋰材料的能量密度已遇到瓶頸，已經很難滿足未來電動汽車對長里程的需求。三元材料 Li(NixCoxMnx)O2電池具有 LiNiO2的高比能量，LiCoO2的優良循環性能，LiMn2O2的高安全性以及低成本等特性，正成為電動車動力電池的重要選擇。

純電動汽車相比燃油車，特別吸引客戶的是純電動車電機有低速大扭矩特性，整車起步加速快，駕乘體驗愉悅。但純電動車的加速性能受環境溫度影響較大，特別是低溫加速性能成為衡量一款純電動車動力性能優劣的重要指標。低溫加速性能主要取決于動力電池低溫放電功率，產業界開發的目標是實現低溫環境下整車動力性與常溫基本相當。本文選用電動車使用的不同材料的鋰離子動力電池包，研究不同環境溫度下動力電池放電功率特性對整車加速性能的影響。

1 動力電池低溫功率特性

1.1 電池包低溫功率測試方法

根據容量測試數據，對電池包進行恒功率放電，分別測

1.2 電池包低溫功率性能測試分析

各選取一款三元和磷酸鐵鋰電池包，兩款電池包容量、額定電壓相當，分別對其開展性能測試，比較三元及磷酸鐵鋰材料的動力電池低溫放電功率。具體測試結果見表 1。

表1 不同溫度、SOC下的放電功率對比（單位：kW）

從表1中可以看出，隨著環境溫度的降低，兩款電池包的放電功率都在下降。這是因為溫度降低，電池內部的電化學活性隨之降低，電池的放電能力減弱。同時隨著SOC的降低，其放電功率也在逐漸降低，這是因為隨著容量降低，電池放電能力逐漸減弱，導致功率值降低。

通過比較，可發現三元材料鋰離子電池的低溫放電功率要明顯高于磷酸鐵鋰電池，以電池30%SOC，-10℃的放電功率較25℃為例，三元材料鋰離子電池衰減45%，而磷酸鐵鋰電池衰減58%，三元材料電池在低溫下的功率特性要明顯優于磷酸鐵鋰電池。

2 純電動汽車建模

純電動汽車結構示意圖如圖1所示。純電動汽車模型主要包括駕駛員、 主控制器、動力電池、電機、減速器和整車六大模塊。

圖1 純電動汽車結構示意圖

2.1 純電動汽車部件建模

2.1.1 駕駛員

駕駛員模型為駕駛員模擬器的控制系統，若采取閉環控制，可轉化為對加速踏板行程的PI控制和對制動踏板行程的PID控制[4]。具體為：

式中：△v為目標車速與實際車速之間的差值；vdesired為理想工況車速；vactual為當前實際車速；αe為加速踏板行程；kpt和kit為 PI 控制器中的比例系數和積分系數。

式中：βe為制動踏板行程；kdt為 PID 控制器的微分系數。

2.1.2 電機

電機模型是基于駕駛員意圖來計算電機需求扭矩，基于電驅動系統的效率 MAP轉化為實際功率并輸出至電池和變速器模塊。

式中：Treq為需求扭矩；nm為電機實際轉速；ig為變速器速比；i0為主減速比；r為車輪半徑；ηm為電機效率。

2.1.3 動力電池

動力電池模型主要基于充放電功率參數計算電池電量、電壓、電流和內阻等狀態信息的變化情況。

電池SOC估算采用安時積分法[5]：

式中：CN為電池的可用容量；i為電池電流，正值表示放電，負值表示充電；ηb為電池組效率。

2.1.4 減速器

純電動汽車的減速器一般為兩級變速的單速比形式，系統效率達93%。

式中：Tout為減速器輸出轉矩；Tin為減速器輸入轉矩；ig為減速器速比，ηt為減速器效率。

2.1.5 整車

首先是行駛阻力模型。

在水平道路上滑行時，整車行駛阻力可簡化為：

式中：δ為旋轉質量換算系數；G為整車重力；f0、 f1、f2為滾動阻力系數；Cd為風阻系數；Ad為迎風面積。

利用該純電動汽車在同一路面上采集到的多次道路滑行數據，并對濾波后的試驗數據擬合，最終得到整車的行駛阻力曲線如圖2所示。

圖2 行駛阻力擬合曲線

第二是制動能量回收模型。制動能量回收模型基于理想的制動力分配曲線，若制動時前后輪同時發生抱死，則路面附著利用率會比較高，由此帶來更好的制動穩定性。前后軸理想制動力應滿足：

式中：Fu1、Fu2分別為前后輪制動力；φ為路面附著系數；L1為質心到前軸的距離；L2為質心到后軸的距離；hg為質心高度。

2.2 整車性能仿真模型建立

基于上述思路，采用理論建模和數值建模相結合的方法，在 AVL-CRUISE性能仿真軟件中建立純電動汽車前向仿真模型[4-5]，如圖3所示。

圖3 整車仿真模型

樣車主要技術參數如表2所示。

3 常溫和低溫電動汽車加速性能仿真分析

由于低溫環境下，低SOC放電功率下降更加明顯，現階段整車動力性開發目標一般是達成 30%SOC的加速性能與常溫基本相當，差別不大。基于整車性能仿真模型，選擇電池 30%SOC下的功率特性，分別開展常溫和低溫（-10℃）下整車加速性能仿真分析。仿真計算時，電池初始荷電狀態為30%SOC，設定電動汽車載荷狀態為半載。加速性能仿真

結果如表3所示。

表2 樣車主要技術參數

表3 加速性能仿真結果

加速過程中三元電池和磷酸鐵鋰電池的輸出功率變化曲線如圖4、圖5所示。

圖4 加速過程三元電池輸出功率變化曲線

圖5 加速過程磷酸鐵鋰電池輸出功率變化曲線

加速性能仿真結果表明，鋰離子電池低溫下的放電功率較常溫有衰減，是導致整車低溫加速性能變差的主要原因。

比較0-100km/h加速時間，裝配三元材料電池的電動汽車低溫加速性能較常溫衰減35%，而裝配磷酸鐵鋰材料電池的電動汽車低溫放電功率較常溫衰減過大，導致整車在低溫環境下的最高車速僅達到80km/h，低溫性能受到很大影響。

對比分析0-80km/h的時間，裝配三元材料電池的電動汽車低溫加速性能較常溫衰減32%，而裝配磷酸鐵鋰材料電池的電動汽車低溫加速性能較常溫衰減61%。

通過上述對比分析，可發現三元材料電池的低溫放電功率衰減率要明顯小于磷酸鐵鋰電池，相應的，裝配三元材料電池的電動汽車低溫加速性能明顯優于裝配磷酸鐵鋰電池的電動汽車。

4 結論

作為電動汽車唯一的動力源，動力電池的放電特性直接影響整車的性能。通過動力電池不同環境溫度下的放電功率特性對比，三元材料電池的功率衰減要低于磷酸鐵鋰電池。由整車性能仿真結果可看出，電池功率衰減帶來的直接影響是整車低溫加速性能降低。由于磷酸鐵鋰電池的功率衰減較嚴重，導致裝配磷酸鐵鋰電池的電動汽車低溫加速性能較三元電池相差較大，在低溫低電量條件下，甚至無法達到最高車速。用三元材料電池代替磷酸鐵鋰電池，作為解決高寒地區電動汽車低溫加速性能不足的重要措施，具有一定的可行性和適用性。

[1] 夏順禮,秦李偉,趙久志等.某純電動車電池可靠性性能分析[J].汽車工程學報,2011,1（3）:215-220.

[2] 夏順禮,秦李偉,趙久志等.某純電動車型電池熱管理系統設計分析與驗證[J].汽車工程學報,2011,1（2）:140-146.

[3] 丁楚雄.鋰離子電池三元正極與鈦酸鋰負極材料的濕化學法制備及表征.中國科技大學博士學位論文.2012.

[4] 吳春玲.儲能系統動力特性對電動汽車性能影響的仿真研究[D].哈爾濱工業大學,2011.

[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.

Research on Low Temperature Performance of Lithium Battery EV

Zhang Huanhuan, Gong Shanshan
( New Energy Vehicle Academy, Technical Center, Anhui Jianghuai Automobile CO., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Acceleration performance of electric vehicle are closely related to discharging characteristics of power batteries and also closely related to the ambient temperature. Based on the discharging power characteristics at different temperatures of NCM lithium battery and LFP lithium battery, a vehicle simulation model by CRUISE software is built. The acceleration performance simulation results at different temperatures show that, the vehicle accelerate performance is influenced by the reduction of discharging power in low temperature, and the influence to NCM lithium battery is less than LFP lithium battery.

electric vehicle; low temperature; acceleration performance; discharging power

U469.72

A

1671-7988 (2017)21-119-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.040

CLC NO.: U469.72

A

1671-7988 (2017)21-119-04

張歡歡（1983-），女，研究生學歷，就職于江淮汽車集團股份有限公司技術中心。新能源汽車研究院院長助理，負責整車系統集成業務及純電動車平臺產品開發工作。宮閃閃（1988-），男，研究生學歷，就職于江淮汽車集團股份有限公司 技術中心 新能源汽車研究院系統集成部，負責整車動力性、經濟性、駕駛性等開發。試SOC 90%、70%、50%、30%、20%五個點的持續10s的放電功率值。