基于循環壽命的電池冷卻策略試驗開發

于翔 陳正東 趙文天 王文葵

（中國第一汽車股份有限公司研發總院，長春 130013）

1 前言

溫度是車用鋰離子動力電池循環壽命的主要影響因素[1-4]。研究表明，動力鋰離子電池的適宜工作溫度范圍是25~40℃，電池單體間溫差應小于5℃[5]。電池的溫度高于其適宜的工作溫度后，將加速老化，使循環壽命縮短，嚴重時會出現電池熱失控現象。

車用動力鋰離子電池的冷卻方式主要包括自然冷卻、風冷[6]、液冷[7]和空調制冷劑直冷，其中應用最廣泛的方式是液冷[8]。夏季高溫環境下電池液冷系統工作時，壓縮機等大功率附件使整車的能耗增大，同時占據了空調系統的部分制冷量，影響乘員艙內的降溫舒適性，因此控制電池冷卻系統能耗，提升空調舒適性，效成為液冷技術的關鍵目標。

目前，電池冷卻系統控制邏輯的研究重點依然是保證電池最高溫度處于安全范圍，且控制參數僅為電池最高溫度這一單一指標[9-10]。此類研究僅在整車使用工況（高速、充電和循環工況等）下比較不同策略下能耗和電池溫度并進行效果驗證[9-11]，并未討論整車綜合使用條件下電池溫度與電池壽命的關系。

本文以保證電池開發壽命為目標和車輛實際使用工況為基礎，通過整車臺架試驗獲得準確的車輛生命周期內的電池溫度分布，完成電池冷卻策略開發。

2 整車使用日歷循環工況

本文的研究對象為某純電動汽車，其電池壽命的設計目標是使用8年或行駛12×104km，電池剩余容量不低于70%。車輛的主要銷售區域是中國南方，使用環境溫度不低于0℃。本文結合項目開發，通過車輛行駛大數據分析，確定典型城市車輛使用日歷工況，用于開展整車環境艙模擬試驗與電池循環壽命評估的仿真分析。

首先需確定車輛按照日歷每天的出行情況和車輛典型行駛工況。目前，純電動汽車行駛場景以城市為主，本文選擇環境溫度較高、電動汽車銷售量較大的深圳完成日歷行駛工況的制定。

2.1 用戶出行鏈制定

為了解深圳市目標用戶每日車輛使用情況，引入出行鏈的概念，出行鏈即將一些出行活動按照時間先后順序首尾連接起來的封閉鏈，也稱為往返行程鏈[14]。通過開展日活動出行行為調查，根據出行目的及出行鏈特點，歸納出最常見的3類往返行程，如表1所示。

表1 深圳市典型出行鏈

出行鏈的時間分布情況如圖1所示。由圖1可以看出，車輛日行駛時長變化規律與用戶使用場景直接相關。

圖1 每日出行時間分布

2.2 日歷行駛工況

本文以世界輕型汽車測試循環（World Light Vehicle Test Cycle，WLTC）工況作為車輛典型行駛工況開發的基礎，通過對WLTC工況中低速、中速、高速和超高速行駛段進行組合形成本研究的日歷行駛工況。針對工作日出行鏈工況中的行駛車速范圍，將WLTC工況中的低速和中速行駛工況段合并后循環行駛。合并工況主要行駛參數與文獻[15]所得數據的對比結果如表2所示，通過對表2中主要參數進行對比可知，合并工況與實際工況符合度較高，可以作為環境艙研究試驗工況。

表2 深圳市工作日行駛工況特征參數

應用WLTC工況中的高速行駛工況段代表周末出行鏈，應用超高速工況段代表節假日出行鏈。

本文研究的某純電動汽車WLTC工況續駛里程大于400 km，在日歷工況中插入充電工況，包含交流慢充和直流快充。綜合出行鏈信息和行駛工況制定的年日歷行駛工況如表3、表4所示。

表3 工作日日歷循環工況

2.3 出行環境溫度條件

由表3、表4可知，工作日、周末和小長假各時間段車輛使用前都有不少于5 h的存放時間，此時電池溫度與環境溫度基本相同，故可根據深圳市2020年氣象大數據確定工作日和周末以及節假日工況的試驗環境溫度和初始電池溫度，如圖2~圖4所示。試驗中充電工況均在行車工況后，充電前的電池溫度根據行車試驗結果確定。

表4 周末和節假日日歷循環工況

圖2 全年工作日出行環境溫度分布

圖4 全年節假日出行環境溫度分布

3 整車臺架試驗

本文純電動汽車的主要技術參數如表5所示。

表5 整車主要技術參數

將該車輛在環境艙內采用所開發的日歷行駛工況進行試驗，得到相應的電池溫度數據。電池冷卻系統按照典型的液冷式動力電池冷卻系統控制策略執行：

a.冷卻系統啟動條件為環境溫度≥10℃且動力電池最大溫度≥39℃；

b.冷卻系統關閉條件為動力電池最大溫度<35℃。

3.1 工作日行駛工況試驗

工作日行駛代表工況為WLTC中的低速、中速段組合工況，單次循環里程為7.83 km，由表3可知，工作日上下班的日行駛里程為31.3 km，需要連續進行4個組合工況循環，具體試驗循環工況如圖5所示。

圖5 工作日行駛工況

由圖2可知，全年工作日用車時段的氣溫范圍為7~35℃，平均氣溫為22℃。選擇7℃、12℃、17℃、22℃、27℃、32℃和35℃共7個溫度點在環境艙內進行模擬試驗，試驗前將車輛同溫處理不少于10 h，保證電池溫度與環境溫度相同，試驗結果如圖6所示。

圖6 工作日行駛工況臺架試驗電池溫度曲線

全年工作日車輛行駛期間電池溫度情況如圖7和表6所示。

圖7 全年工作日電池溫度分布

表6 全年工作日電池溫度分布統計

由圖7可以得出，工作日行駛工況試驗每個溫度點的電池溫度均升高3℃，僅上升過程略有差別，可以推測在7~35℃范圍內，其他環境溫度下電池溫升過程也與上述試驗相同。

根據各環境溫度下的試驗結果計算全年工作日行駛工況下動力電池各溫度下的累計工作時長：

式中，Hm為電池在溫度m下的全年累計工作時長；Xn為全年環境溫度n出現的次數；hn為在環境溫度為n時，一個行駛工況下電池溫度為m的時長。

從試驗統計結果中可以看出，臺架試驗模擬全年工作日累計行駛555 h，行駛里程15650 km，試驗過程中電池冷卻系統未啟動。

3.2 周末行駛工況試驗

周末行駛代表工況為WLTC中的高速工況，單次循環里程為7.127 km，由表4可知，周末每日連續行駛里程為50 km，需要連續進行7個工況循環，具體試驗循環工況如圖8所示。

圖8 周末試驗行駛工況

由圖3可知，全年周末用車時段的氣溫范圍為8~36℃，平均氣溫為24.3℃，選擇8℃、13℃、18℃、23℃、28℃、33℃和36℃共7個溫度點在環境艙內進行模擬試驗。按照工作日工況試驗方法得出周末工況電池溫度曲線如圖9所示，全年周末車輛行駛期間電池溫度變化情況如圖10和表7所示。

圖3 全年周末出行環境溫度分布

圖9 周末行駛工況臺架試驗電池溫度曲線

圖10 全年周末電池溫度分布

表7 全年周末電池溫度分布統計

由試驗統計結果可以看出，臺架試驗模擬全年周末累計行駛148.6 h，行駛里程8400 km，試驗過程中電池冷卻系統啟動。

3.3 節假日行駛工況試驗

節假日行駛代表工況為WLTC中的超高速工況，單次循環里程為8.254 km，由表4可知，節假日每日連續行駛里程為165 km，需要連續進行20個工況循環，具體循環工況如圖11所示。

圖11 節假日行駛工況

由圖4可知，全年節假日用車時段的氣溫范圍為9~33℃，平均氣溫23.1℃，選擇9℃、14℃、19℃、24℃、29℃和33℃共6個溫度點在環境艙內進行模擬試驗。按照工作日工況試驗方法得出節假日工況電池溫度曲線如圖12所示，全年節假日車輛行駛期間電池溫度分布情況如圖13和表8所示。

圖12 節假日行駛工況臺架試驗電池溫度曲線

圖13 全年節假日電池溫度分布

表8 全年節假日電池溫度分布統計

從試驗統計結果中可以看出，臺架試驗模擬全年節假日累計行駛53.7 h，行駛里程4950 km，試驗過程中電池冷卻系統啟動。

3.4 車輛電池溫度全年統計

根據工作日、周末和節假日工況試驗獲得車輛全年總體運行情況，全年累計行駛29000 km，總運行時長757.4 h，行駛時間占全年總時長的8.65%。電池溫度統計結果如表9所示。

表9 車輛使用條件下電池溫度分布占比

由表9可知，全年車輛使用條件下93.6%的時間電池工作溫度低于35℃，電池最大溫度達到40℃，電池溫度超過39℃的時間不到1%。

3.5 充電工況試驗

車輛使用過程中快充和慢充結合使用，由表3和表4可知，一年內車輛快充70次，平均每5.2天一次，慢充110次，平均每3.2天一次。平均行駛160 km充電一次，滿足續駛里程大于400 km的電動車需求。充電過程中電池溫升與充電功率相關性最強，充電功率越大，電池溫升速率越高。目前，充電方式主要為交流慢充和直流快充，直流快充常見充電功率為60 kW，交流慢充常見的最大充電功率僅為7 kW。

電池在25~40℃區間運行可實現最佳的功率輸出和輸入，以及最長的循環壽命[7]。根據日歷循環整車試驗結果統計可知，在行車后進行電池充電的條件下，充電時電池初始溫度大部分在15~35℃范圍內，由于慢充的充電功率小，電池溫度上升幅度小，充電期間電池溫度基本在最佳范圍內，對壽命幾乎沒有影響，故本文重點研究直流快充條件下的電池溫度。

在不同溫度下進行車輛快充試驗，充電過程如圖14所示。

圖14 快充試驗過程

從圖14中可以看出：在SOC達到80%前，充電電流保持較高水平，即使在電池冷卻系統工作的條件下，電池依然保持較高的工作溫度；在SOC超過80%后，充電電流下降，在冷卻系統的作用下，電池溫度迅速降低。不同環境溫度和不同初始電池溫度下的快充試驗結果如表10所示。

表10 快充試驗結果

由試驗結果可以看出，不同環境溫度和電池初始溫度下，充電期間電池的平均溫度在39℃以上。大功率快充時間一般不超過1 h。全年累計計算，充電工況下電池溫度大于39℃的時間累計共70 h左右。

3.6 車輛存放工況

全年車輛存放時長約7432 h，占全年總時長的84.8%。車輛存放期間的電池溫度不會升高，以全年行駛工況和充電工況結束后的電池溫度作為車輛放置條件下的電池溫度。這樣簡單處理會使電池壽命評估結果苛刻，但有利于產品開發。

行車次數和充電次數全年累計698次，根據試驗結果計算存放工況下電池溫度時長分布情況如圖15所示，統計結果如表11所示。

圖15 車輛存放工況下電池溫度時長分布

表11 車輛存放條件下電池溫度分布占比

4 電池循環壽命評估

電動汽車行駛過程中，電池的電壓、電流都隨車速實時變化，電池組輸出功率與車輛行駛阻功率對應，因此以車輛行駛阻功率代替電池輸出功率是合理的[14]，計算結果作為電池臺架試驗的輸入條件。當前，采用等效替換法獲得汽車行駛過程中電池組功率-時間曲線是簡單有效的方法。根據車輛行駛動力學方程，得到純電動汽車功率平衡公式為：

式中，U、I分別為電池組工作電壓、電流；μT為機械傳動效率；μE為電池充放電效率；m為試驗車輛質量；f為滾動阻力系數；ua為車輛行駛車速；CD為風阻系數；A為車輛迎風面積；δ為車輛旋轉質量換算系數；du/dt為車輛行駛加速度。

將WLTC工況分解成多個小區間，每一區間分別對應勻加速、勻減速和勻速工況，通過式（2）計算每個區間的電池需求功率，得出模擬表3和表4日歷循環工況的電池系統動態測試工況。應用整車臺架電池溫升試驗結果校正電池臺架動態循環試驗工況結果，根據此循環工況進行電池臺架試驗及壽命預估，壽命評估結果如圖16所示。

圖16 電池壽命評估結果

從圖16中可以看出，在電池最大SOC降低到初始的70%時，車輛預測使用時間是11年，行駛里程達到24×104km，遠超開發目標，充分說明電池冷卻策略開發已經具備優先考慮舒適性和能耗需求的條件。

5 電池壽命衰減工況分解

根據圖16可以計算得到電池壽命年衰減率為2.73%。根據電池試驗數據，在25~35℃溫度范圍內，存放狀態的電池壽命衰減率為1.2%，且溫度越低，壽命衰減率越低。從圖15中可以得出，存放工況下電池溫度在11~35℃范圍內的時間占總時間的92%，且一年中電池存放時間占總時間的84.8%，由此可以計算出，車輛電池壽命年衰減率2.73%中，受車輛存放所影響的電池壽命年衰減率為1%。由此可得，車輛在使用條件下電池年壽命衰減率為1.73%。

該電池充、放電使用期間，以環境溫度25℃條件下的電池壽命為基礎，進行電池在35℃和40℃下的電池臺架壽命試驗，由試驗結果可知，在35℃和40℃下，電池壽命分別為25℃下壽命的3/4和2/3。

根據車輛行駛和充電的溫度分布統計結果，可以分別計算得出：車輛行駛工況下電池溫度低于35℃時的電池年壽命衰減率為1.53%；車輛行駛工況下電池溫度不小于35℃時的電池年壽命衰減率為0.07%；車輛快速充電條件下，電池年壽命衰減率為0.13%。

車輛行駛條件下，根據電池冷卻策略，冷卻系統關閉的條件為電池溫度低于35℃，在電池溫度不低于35℃時，電池年壽命衰減率為0.07%。

綜上所述，車輛各使用工況對電池年壽命衰減影響程度如表12所示。

表12 車輛各工況對電池年壽命衰減的影響

6 電池冷卻系統控制策略優化

根據電池壽命衰減工況分解結果可知，影響電池壽命的主要工況是車輛存放和電池溫度低于35℃的行駛工況。在車輛行駛條件下，電池溫度超過35℃的情況一般是在環境溫度≥33℃或者平均車速≥80 km/h條件下出現的，這種工況在用戶使用過程中相對較少出現，對電池壽命衰減影響很小。根據以上輸入條件，制定電池冷卻系統控制策略。

6.1 車輛行駛工況冷卻系統控制策略

電池冷卻系統啟動需同時具備以下條件：電池溫度≥39℃，環境溫度≥10℃，乘員艙內溫度≤25℃，電池SOC≥40%。當電池溫度≤35℃時冷卻系統關閉。

與傳統控制策略相比，本文控制策略增加了對電池SOC和乘員艙內溫度的要求，為駕駛舒適性和能耗讓步，原因是在車輛行駛條件下，電池溫度超過39℃的情況對電池循環壽命損害影響程度較小。

6.2 車輛充電工況冷卻系統控制策略

電池冷卻系統啟動條件是電池溫度≥37℃，同時環境溫度≥10℃。電池溫度≤30℃時冷卻系統關閉。

與傳統控制策略相比，本文控制策略提高了電池冷卻系統開啟的電池溫度并降低了電池冷卻系統關閉的電池溫度。充電條件下電池冷卻優先級更高，由于充電時間較長，人員在車內的情況較少，車輛一般處于不使用狀態，舒適性要求不高，較好的電池冷卻充電策略能夠使其對電池循環壽命的影響程度控制在4%以內。

6.3 車輛存放工況冷卻系統控制策略

電池冷卻系統的啟動條件是電池溫度≥35℃，同時環境溫度≥10℃。電池溫度≤30℃時冷卻系統關閉。

傳統控制策略未針對此工況制定單獨的控制策略，本文增加該策略的主要原因是車輛存放時間占比較大，對電池循環壽命影響程度最大，需要考慮存放期間的電池溫度盡可能在最佳溫度范圍內。車輛存放狀態時，不必考慮舒適性且電池不會發熱，故電池冷卻系統能夠快速降低電池溫度，消耗電量也很少。

6.4 優化策略試驗驗證

在環境溫度38℃，WLTC工況下優化策略與原策略對比試驗結果如表13所示。

表13 優化策略與原策略試驗結果對比

由表13可以看出，優化策略條件下，車輛行駛過程中電池冷卻系統介入時長占比大幅度下降，續駛里程明顯提升，電池平均溫度升高較小，且駕駛員反饋主觀評價空調舒適性提升，達到預期效果。

7 結束語

本文從電池循環壽命入手，通過整車試驗，建立車輛使用工況下電池溫度分布與電池循環壽命衰減的關系，確定各使用工況對電池循環壽命的影響程度，分別考慮車輛行駛、車輛充電以及車輛存放工況，并且增加了電池SOC、乘員艙內溫度控制參數，制定細化的電池冷卻策略，臺架對比試驗結果表明，策略優化后整車能耗、空調舒適性大幅改善。

隨著純電動汽車續駛里程的大幅度提高、充電功率超過400 kW的超級快充開發、換電技術的廣泛應用和充電設施的進一步完善，純電動汽車的用戶使用工況將會很大程度地發生改變，故需持續分析純電動車的用戶使用工況，不斷優化電池冷卻策略，提升續駛里程和空調舒適性，提高用戶滿意度。