純電動汽車動力電池系統(tǒng)的低溫性能研究

梅周盛，席文倩，夏靖武，周 斌

（漢騰汽車有限公司，江西 上饒 334000）

電池系統(tǒng)作為純電動汽車的能量源，其性能發(fā)展制約著純電動汽車的性能發(fā)展。目前，電動汽車主要使用磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。磷酸鐵鋰電池安全性高、循環(huán)使用壽命長，熱穩(wěn)定性好，隨著研發(fā)技術(shù)不斷提高，能量密度也有顯著提升，性能優(yōu)越；三元鋰電池則能量密度高、比功率大、自放電率低［1］。磷酸鐵鋰與三元鋰電池應(yīng)用于不同類型車輛，均有很大的市場占有率和應(yīng)用前景。動力電池的低溫性能提高在一定程度上可以促進新能源汽車的技術(shù)發(fā)展，而對鋰離子電池的低溫性能研究，是當(dāng)前一個重要研究方向。

1 溫度對鋰電池的性能影響

鋰電池的電化學(xué)性能受低溫環(huán)境的影響很大。一定條件下，鋰離子電池通過鋰離子在正負極之間的遷移實現(xiàn)充電和放電，電池在首次充放電過程中，形成SEI膜，優(yōu)良的SEI膜可確保鋰離子自由嵌入或脫出電極而溶劑分子無法通過［2］。鋰電池中，由于鋰、電解質(zhì)、SEI膜的本身特性和充放電條件的影響，一部分鋰離子與負電荷結(jié)合生成鋰，沉積在電極表面且分布不均勻，這種沉淀積累到一定程度形成樹枝狀結(jié)晶，即鋰枝晶［3］。低溫充電時，電解液粘度增加，鋰離子的擴散速度變慢，多次低溫充電，更利于析鋰使得鋰枝晶繼續(xù)生長，鋰枝晶能穿破隔膜導(dǎo)致正負極短路，嚴重時將引起爆炸，造成安全事故。并且，低溫環(huán)境下，電池中電解液部分溶劑凝固，電導(dǎo)率降低；電極材料中鋰離子的傳遞阻力增大，活性降低；電極和電解液界面間鋰擴散和電荷轉(zhuǎn)移較緩慢；電解液對隔膜的浸濕性以及鋰離子對隔膜的穿透性變差等一系列因素會導(dǎo)致電池容量下降。本文以搭載了三元鋰電池的純電動汽車為研究對象，對電池控制系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的性能進行了試驗分析，為低溫環(huán)境下純電動汽車的性能研究提供一定的依據(jù)。

2 動力電池的低溫性能研究

2.1 電池系統(tǒng)性能參數(shù)

為了對低溫環(huán)境下動力電池系統(tǒng)的性能進行試驗研究和分析，選用某純電動汽車的三元鋰電池為研究對象。該電池系統(tǒng)的額定電壓為335.8V，額定容量為160Ah，標(biāo)稱能量為53.2kWh。采用液冷加熱、冷卻的方式對電池系統(tǒng)進行熱管理。電池工作環(huán)境溫度范圍為-20～55℃。

2.2 低溫對電池快充性能的影響

電池系統(tǒng)快速充電的實現(xiàn)能夠極大地促進純電動汽車的推廣與應(yīng)用。低溫充電時，電池的電化學(xué)性能降低，電池充電時間變長。現(xiàn)將整車在不同溫度的環(huán)境中，靜置一定時間后做快速充電實驗。電池溫升、電壓變化情況、充電時間如表1所示。

該電池系統(tǒng)在快充模式下，采用的是多階梯恒流充電模式。即先以選定的電流倍率恒流充電到截止電壓，隨后按設(shè)定的電流梯度依次降低充電電流繼續(xù)充電，達到截止電壓后切換到下個電壓梯度，最后以0.05C倍率的電流充電到截止電壓后停止充電。由表1可知，該試驗車在低溫環(huán)境下能正常充電，但隨著環(huán)境溫度的降低，電池充電時間變長，充電接受能力下降。低溫環(huán)境下，電池包的最高最低溫度差值明顯，說明充電過程中，電池包溫度不均衡。涓流降流過程到充電結(jié)束控制在20min以內(nèi)，整個快充過程中，電池組溫差維持在10℃以內(nèi)，保證了電池組充電使用環(huán)境及充電安全性。

表1 電池快充試驗數(shù)據(jù)

2.3 低溫對續(xù)駛里程的影響

續(xù)駛里程是純電動汽車的重要評價指標(biāo)，對純電動汽車的技術(shù)發(fā)展而言，如何盡可能地提高續(xù)駛里程，是目前面臨的一個重要問題。電動汽車續(xù)駛里程的大小，主要受電池系統(tǒng)的影響。除了電池能量及能量密度影響續(xù)駛里程，溫度條件也會對續(xù)駛里程產(chǎn)生一定的影響。該試驗車在不同溫度條件下的行車參數(shù)如表2所示。

表2 行車續(xù)駛里程對比

由表2可知，電池初始溫度為-10℃時，行車結(jié)束時，電池設(shè)置的SOC最低限值比常溫更大，行車結(jié)束后，電池的剩余電量比較大，且電池系統(tǒng)的百公里能耗高。溫度為25℃，能耗較低，行車結(jié)束后的電量為4.1kWh，符合電池參數(shù)最大放電深度92%。相同控制策略下行車試驗，溫度變低，電池電解液的離子電導(dǎo)率隨之降低，電極材料活性降低，導(dǎo)致低溫下歐姆極化、濃差極化和電化學(xué)極化均增大，電池放電容量變小［4］。所以，純電動汽車在低溫環(huán)境下行駛時，電池放電容量降低，車輛續(xù)駛里程減小，能耗大，經(jīng)濟性能變差。

2.4 低溫對電池峰值功率的影響

不同溫度下、不同的SOC點處電池的峰值放電功率的變化曲線如圖1所示。

由圖1可以看出，在一定SOC下，溫度降低，電池峰值放電功率也隨之逐漸降低。電池SOC為30%溫度-10℃時，電池的峰值放電功率為55kW，與25℃相比較，峰值放電功率衰減了51%。低溫條件下，電池峰值放電功率衰減，是由于電池內(nèi)部電阻增大，在電流的作用下形成過電勢，端電壓迅速達到限制電壓［5］。電池峰值功率影響整車某些路況下的加速性能，為保證整車的動力性能，有必要對電池進行加熱調(diào)節(jié)，提高溫度和電池的功率特性，這對于電動汽車低溫運行具有重要意義。

圖1 不同溫度下電池的峰值放電功率

2.5 低溫對電池放電容量的影響

將電池置于恒定溫度的環(huán)境中，靜置一定的時間，使電池以恒定的溫度放電，放電電流為36A，電池單體的截止電壓為2.8V，分別在25℃、0℃、-10℃、-20℃下進行放電，不同溫度下電池放電電壓曲線如圖2所示。

圖2 不同溫度下電池放電電壓曲線圖

由圖2可以看出，隨著溫度的降低，放電電壓和放電容量都有明顯下降。隨著放電容量增加，溫度越低，電池的放電電壓越先下降到截止電壓，此時電池?zé)o法繼續(xù)放電，電池放電容量變小。與25℃的放電容量相比，-10℃時電池放電容量減少了11.6%，-20℃時電池放電容量26.5%。低溫環(huán)境下，電池的放電電壓、放電容量都有一定幅度的下降。

3 束語

電動汽車的性能受電池系統(tǒng)性能的制約，該文以某純電動汽車動力電池系統(tǒng)的低溫性能進行了試驗研究。環(huán)境溫度越低，整體充電時間越長，因此有必要先對電池系統(tǒng)進行預(yù)加熱，保證低溫環(huán)境下充電的安全性、可靠性。低溫環(huán)境下，電池的續(xù)駛里程顯著下降，峰值功率也發(fā)生一定的衰減。與25℃的放電容量和放電電壓相比，電池的放電電壓、放電容量均有下降。改善電池系統(tǒng)的低溫適用性，可以通過優(yōu)化熱管理控制策略，提高電池系統(tǒng)的快速加熱能力和保溫技術(shù)，這對純電動汽車在高寒地區(qū)的推廣和應(yīng)用具有一定的可行性和適用性。