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低溫對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池系統(tǒng)性能的影響分析

2020-03-31 09:04:28·  來(lái)源：《溫對(duì)純電動(dòng)汽車動(dòng)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(dòng)汽車的發(fā)展主要依賴于動(dòng)力電池技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，依照電池類型發(fā)展來(lái)看，經(jīng)過(guò)了鉛酸蓄電池?鎳氫電池?鋰離子電池3 個(gè)時(shí)代?由于鋰離子電池具有長(zhǎng)壽
0 引言

純電動(dòng)汽車的發(fā)展主要依賴于動(dòng)力電池技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，依照電池類型發(fā)展來(lái)看，經(jīng)過(guò)了鉛酸蓄電池?鎳氫電池?鋰離子電池3 個(gè)時(shí)代?由于鋰離子電池具有長(zhǎng)壽命?大倍率?高能量密度?無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為時(shí)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(xué)性能與正極材料?負(fù)極材料?電解液?導(dǎo)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(fù)極材料的活性?電解液通過(guò)性及黏結(jié)劑的性質(zhì)均會(huì)降低，因此，隨著溫度下降，鋰離子電池電化學(xué)性能急劇降低?

在低溫環(huán)境中，動(dòng)力電池系統(tǒng)的實(shí)際容量?放電倍率和電壓平臺(tái)會(huì)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(guò)充過(guò)放等安全策略的定義?本文針對(duì)搭載磷酸鐵鋰動(dòng)力電池系統(tǒng)的某輕型商用電動(dòng)車，研究其在低溫環(huán)境中動(dòng)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(duì)充電時(shí)效的影響

由于在低溫環(huán)境中磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的電化學(xué)性能降低，不能進(jìn)行充放電或者充放電效率降低，為了解決這一問(wèn)題，動(dòng)力電池系統(tǒng)采用熱管理系統(tǒng)，對(duì)電池包進(jìn)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(dòng)車在低溫環(huán)境與常溫時(shí)充電時(shí)效的對(duì)比?

 
由表可見，在- 10 ℃時(shí)動(dòng)力電池系統(tǒng)所需要的充電時(shí)間更長(zhǎng)，其原因是低溫電池管理系統(tǒng)會(huì)首先啟動(dòng)熱管理程序，對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行加熱，只有加熱到電芯適合充電的溫度時(shí)才能進(jìn)行充電，這個(gè)過(guò)程不僅需要時(shí)間，而且也會(huì)消耗動(dòng)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(shí)，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(shí)，動(dòng)力電池系統(tǒng)的總電壓及單體電壓均要小于在常溫時(shí)，這是由于溫度越低，電池的內(nèi)阻越大，Li +擴(kuò)散阻抗越大所致?

2 低溫對(duì)續(xù)航里程的影響

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的進(jìn)步及普及，電動(dòng)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(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池的容量和工作電壓會(huì)明顯降低，這就導(dǎo)致了電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的降低?表2 所示為某輕型商用電動(dòng)車在常溫與低溫環(huán)境下續(xù)航里程的對(duì)比?由表可見，在- 10 ℃時(shí)動(dòng)力電池的能量為常溫25 ℃時(shí)能量的94%，但在相同工況條件下續(xù)航里程卻僅為常溫時(shí)的68%，百公里能耗也是常溫時(shí)的134%?

 
 
百公里能耗是純電動(dòng)汽車反映經(jīng)濟(jì)性及續(xù)航里程的一個(gè)重要參數(shù)，其與電池的特性及電機(jī)的效率有關(guān)?圖1 所示為某輕型商用電動(dòng)車在常溫及低溫條件下，不同行駛速度時(shí)的百公里能耗?由圖可見，在低溫- 10 ℃條件下，無(wú)論在什么車速下行駛，百公里能耗總是高于在常溫25 ℃時(shí)?無(wú)論在低溫- 10 ℃還是在常溫25 ℃時(shí)，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(zhǎng)?這與電機(jī)效率有關(guān)，車輛在時(shí)速40 km/h 勻速行駛時(shí)電機(jī)效率最高?且隨著時(shí)速的增大，電池瞬時(shí)的放電功率增大，放電電流也增大?而對(duì)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(duì)輸出功率的影響

 
   
動(dòng)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(shí)速勻速行駛時(shí)電池的輸出功率?在低溫條件下，動(dòng)力電池的輸出功率要大于常溫時(shí)的輸出功率，且隨著車速的變大，差值變小?這是因?yàn)樵诘蜏貢r(shí)，電池需要啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，通過(guò)自加熱來(lái)提高電池的溫度以達(dá)到電池允許使用的溫度范圍?而車速越大，功率越大，動(dòng)力電池的放電電流則越大，此時(shí)電池內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量更多，因此需要額外消耗進(jìn)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(dòng)車在低溫- 10 ℃環(huán)境下以40 km/h 勻速行駛過(guò)程中的系統(tǒng)電壓變化曲線?在行駛過(guò)程中，電壓總體趨勢(shì)在下降，在電池系統(tǒng)溫度過(guò)低，特別是在0 ℃以下時(shí)，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(dòng)車在低溫- 10 ℃環(huán)境下以40 km/h 勻速行駛過(guò)程中的動(dòng)力電池單體溫度的變化曲線?由圖可見，在低溫環(huán)境下，動(dòng)力電池系統(tǒng)首先進(jìn)行自加熱，此過(guò)程電池的溫度逐漸升高，當(dāng)單體最高溫度達(dá)到BMS 系統(tǒng)設(shè)定的溫度時(shí)，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(shí)電芯溫度逐漸下降，直到電芯最低溫度達(dá)到限值，又重新啟動(dòng)自加熱?如此變化，最終電芯最高溫度在17 - 20 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)，而電芯最低溫度在13 -15 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)?

6 結(jié)語(yǔ)

(1) 動(dòng)力電池在低溫- 10 ℃環(huán)境下比常溫25 ℃時(shí)需要的充電時(shí)間長(zhǎng)，且充電靜置后系統(tǒng)電壓低?這是由于低溫時(shí)電池的內(nèi)阻大，Li +擴(kuò)散阻抗大所致；且在低溫環(huán)境下，電池需進(jìn)行加熱至電池允許的充電溫度范圍才能啟動(dòng)充電?

(2) 動(dòng)力電池在低溫- 10 ℃ 環(huán)境下比常溫25 ℃時(shí)能量低?續(xù)航里程短且百公里能耗高；在任何車速下，動(dòng)力電池在低溫- 10 ℃環(huán)境下比常溫25 ℃時(shí)輸出的功率大?這是由于動(dòng)力電池在低溫環(huán)境中需要進(jìn)行自加熱消耗能量?

(3) 低溫環(huán)境下，系統(tǒng)電壓會(huì)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(dòng)的趨勢(shì)?
 
 
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