解清波 儲江偉 楊凌潔 李心月

摘 要：純電動汽車的性能主要受動力電池的充放電特性和功率特性的影響，而低溫條件下鋰離子動力電池的充放電效率下降，功率特性變差制約了純電動汽車的推廣和發(fā)展。為了研究低溫條件對純電動汽車性能的影響，本文通過對鋰離子動力電池在不同溫度下進(jìn)行的放電實(shí)驗(yàn)，研究低溫對鋰離子動力電池性能的影響，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于CRUISE軟件選取純電動汽車車型在低溫時(shí)對電動汽車性能的影響，進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，隨著溫度的降低，純電動汽車的性能會有明顯的下降。

關(guān)鍵詞：低溫;鋰離子電池;純電動汽車

中圖分類號：U469.72 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2021）01-0073-07

Abstract：The performance of electric vehicles is mainly affected by the charge and discharge characteristics and power characteristics of the power batteries， while the charging and discharging efficiency of lithium-ion power batteries decreases and the power characteristics deteriorate under low temperature conditions， which restricts the promotion and development of electric vehicles. In order to study the impact of low temperature conditions on the performance of electric vehicles， this paper conducts the effect of low temperature on the performance of lithium-ion power battery was studied through discharge experiments at different temperatures， and the influence of low temperature on the performance of electric vehicles was simulated and analyzed based on the experimental data selected by CRUISE software. The simulation results show that as the temperature decreases， the performance of electric vehicles will decrease significantly.

Keywords： Low temperature; lithium-ion battery; electric vehicle

0 引言

新能源汽車迎合了當(dāng)今時(shí)代節(jié)能與環(huán)保的主題，有著比較好的發(fā)展前景。純電動汽車具有零排放、環(huán)境污染小、能源利用率高、噪聲小、結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車更簡單等優(yōu)點(diǎn)，所以新能源汽車目前依然將以純電動技術(shù)路線為主[1]。鋰離子動力電池以其比功率高、能量密度大、壽命長、自放電率低、貯藏時(shí)間長和無污染等優(yōu)點(diǎn)，成為純電動汽車動力電池的主流選擇[2-3]。但是鋰離子電池的性能受環(huán)境溫度影響比較顯著[4-5]，尤其是在低溫環(huán)境條件下，電池的可用容量和能量衰減嚴(yán)重[6-9]，降低汽車?yán)m(xù)航里程和動力性能。而且，長期在低溫環(huán)境下使用會加速鋰離子電池的老化，降低其使用壽命和使用安全性[10-11]。

本文通過對鋰離子電池進(jìn)行不同溫度條件下的充放電實(shí)驗(yàn)，對比分析低溫對鋰離子動力電池性能的影響，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，運(yùn)用CRUISE軟件根據(jù)低溫條件下鋰離子動力電池性能參數(shù)的變化對純電動汽車?yán)m(xù)航里程和整車動力性能的影響進(jìn)行仿真分析。

1 鋰離子電池充放電實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)對象

本文選用18650型三元鋰離子動力電池為實(shí)驗(yàn)對象，具體參數(shù)見表1。

此外，為了滿足研究電池低溫充放電特性的需求，放電測試開始之前在常溫環(huán)境下（25 ℃）將電池充滿電，使其SOC（State of Charge）達(dá)到100%。然后將電池在低溫冰箱中靜置4 h，以使電池溫度達(dá)到設(shè)定溫度，再進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。低溫冰箱的技術(shù)參數(shù)見表2。

電池充放電測試使用美國Arbin（BT2000）電池測試儀，其適用于基本的充放電循環(huán)測試、電池溫度以及模擬電池實(shí)際工況等基本的性能測試。Arbin測量得到的電池電壓、電流、容量、能量以及內(nèi)阻等參數(shù)可以實(shí)時(shí)顯示，并可以通過Excel存儲和導(dǎo)出。圖1為Arbin電池測試系統(tǒng)，其性能參數(shù)見表3。

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

通過Arbin電池測試儀對采用的三元鋰電池在常溫（25 ℃ ）、低溫（0、-10、-15、-20 ℃ ）和不同放電倍率（1、2、3 C）條件下進(jìn)行恒流放電實(shí)驗(yàn)，研究三元鋰電池在不同溫度條件下的放電性能。電池測試系統(tǒng)組成如圖2所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）首先將電池在常溫條件下，依據(jù)鋰電池產(chǎn)品使用說明書以標(biāo)準(zhǔn)的恒流恒壓（CC-CV）方式進(jìn)行充電，以0.5 C的電流進(jìn)行恒流充電，當(dāng)電壓達(dá)到充電截止電壓4.2 V以后轉(zhuǎn)為4.2 V恒壓充電，充電至截止電流51 mA停止充電。

（2）調(diào)節(jié)低溫冰箱至所需的設(shè)定溫度（0、-10、-15、-20 ℃），將充滿電的電池置于低溫冰箱內(nèi)4 h，以使電池達(dá)到目標(biāo)設(shè)定溫度。

（3）將電池在各個溫度下分別以1、2、3 C的放電倍率放電至截止電壓2.5 V。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將常溫條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和低溫條件（0、-10、-15、-20 ℃ ）下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并繪制不同放電倍率條件下的放電容量與放電電壓之間的關(guān)系曲線圖，如圖3—圖5所示。

由圖3—圖5分析得知：電池在常溫條件下具有良好的放電性能，隨著溫度的降低，電池的端電壓也不斷降低，電池也會越快地達(dá)到截止電壓，結(jié)束放電。此外，隨著溫度的降低，放電倍率越大電池能放出的容量越少。這主要是因?yàn)殡S著溫度的降低，電池電解液的離子導(dǎo)電率也隨之降低，SEI（Solid Electrolyte Interface）膜電阻和電化學(xué)反應(yīng)電阻也隨著增大，從而導(dǎo)致低溫下電池歐姆極化、電化學(xué)極化以及濃差極化均增大[12-14]，電池內(nèi)阻的分壓增大，電池平均放電電壓和放電容量也就隨溫度的降低而降低。

由電池的放電曲線可知，同一溫度下隨著放電倍率的增大，電池的端電壓隨之降低，放電曲線也隨之向下偏移。此外，在極低溫度（-20 ℃）條件下進(jìn)行放電時(shí)，電壓曲線出現(xiàn)比較明顯的波動，這是因?yàn)殡姵卦诘蜏貤l件下進(jìn)行放電時(shí)，由于初始溫度較低，電池的內(nèi)部活性材料無法充分利用，電池內(nèi)部極化嚴(yán)重，內(nèi)阻增大，而隨著放電的進(jìn)行，在電池內(nèi)部會產(chǎn)生大量熱量使電池溫度快速上升[15-16]，使電池內(nèi)部材料活性得到激活，導(dǎo)致電池電壓會有短暫的上升，放電電流越大，電池的溫升越大，電壓的波動會越明顯。

3 基于CRUISE的純電動汽車性能仿真分析

CRUISE軟件是AVL公司研發(fā)的車輛仿真以及傳動分析的仿真軟件，主要用于動力參數(shù)匹配和汽車性能仿真，具有建模簡單、車型數(shù)據(jù)庫較全、可以進(jìn)行可視化分析等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于整車性能仿真分析，能夠?yàn)榧冸妱悠嚨脑O(shè)計(jì)和開發(fā)提供技術(shù)保障[17]。

3.1 純電動汽車仿真模型的建立

為了研究低溫條件下動力電池參數(shù)的變化對純電動汽車性能的影響，選取某車型的基本參數(shù)為基礎(chǔ)建立整車模型，車型基本參數(shù)見表4。選取實(shí)驗(yàn)所得溫度25、0、-20 ℃、3 C放電倍率條件下的電池的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為電池模塊的參數(shù)輸入，建立純電動汽車仿真模型，如圖6所示。以NEDC（New Eurpean Driving Cycle）工況（包括城市循環(huán)工況與市郊循環(huán)工況）、百公里加速時(shí)間和最大爬坡度作為計(jì)算任務(wù)進(jìn)行整車動力性能仿真分析以及最大續(xù)航里程，分析不同溫度條件下對純電動汽車性能的影響。

3.2 仿真結(jié)果分析

在NEDC循環(huán)工況條件下，溫度為25 ℃時(shí)，汽車的續(xù)航里程為277.98 km;0 ℃條件下，續(xù)航里程降為211.06 km，相比25 ℃ 時(shí)下降了24.07%;而-20 ℃條件下，汽車的續(xù)航里程降為166.46 km，相比25 ℃ 時(shí)下降了40.12%?？梢?，隨著溫度的降低，電池的可用容量所能輸出的能量值也隨之不斷降低。在低溫條件下電池內(nèi)阻增大，一部分能量都轉(zhuǎn)化為熱量，電池所能輸出的能量減少，使得汽車?yán)m(xù)航里程的減少。

圖7—圖9分別為25、0、-20 ℃條件下，汽車在NEDC循環(huán)工況下運(yùn)行到動力電池SOC降低到5%的電池SOC、電壓、電流以及時(shí)間的關(guān)系曲線圖。

由圖7—圖9可得，隨著溫度的降低，電池的初始電壓和SOC均隨溫度的降低而降低。低溫大倍率放電時(shí)動力電池輸出電壓的降低會影響動力電池的功率輸出，具體會影響整車的加速性能和爬坡性能。3種溫度條件下整車動力性能變化見表5。

由仿真結(jié)果可知隨著溫度的降低，電動汽車的動力性能也隨之降低，百公里加速時(shí)間明顯增加，爬坡性能減弱。

4 結(jié)論

本文在常溫、0、-10、-15、-20 ℃溫度條件下對三元鋰離子動力電池進(jìn)行了放電實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明隨著溫度的降低電池放電性能隨之變差，電池內(nèi)阻增大，放電電壓和放電容量顯著降低?；?5、0、-20 ℃條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用CRUISE軟件對純電動汽車的性能進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明隨著溫度的降低，電動車的續(xù)航里程會明顯地降低，百公里加速時(shí)間變長，爬坡性能變差。在實(shí)際的應(yīng)用中，低溫環(huán)境下應(yīng)該采用適當(dāng)?shù)碾姵丶訜嵯到y(tǒng)對電池進(jìn)行加熱以提高電池的性能。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]張琦，朱恒偉.純電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019，45（23）：23-24.

ZHANG Q， ZHU H W. Overview of key technologies development of electric vehicles[J]. Automobile Applied Technology， 2019， 45（23）： 23-24.

[2]雷治國，張承寧，李軍求，等.電動車用鋰離子電池低溫性能研究[J].汽車工程，2013，35（10）：927-933.

LEI Z G， ZHANG C N， LI J Q， et al. A study on the low-temperature performance of lithium-ion battery for electric vehicles[J]. Automotive Engineering， 2013， 35（10）： 927-933.

[3]陳小丹，岳明玥，馬改，等.混合動力汽車用鋰離子動力電池技術(shù)進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2016，40（9）：1884-1887.

CHEN X D， YUE M Y， MA G， et al. Technical development of Li-ion power battery for hybrid vehicle[J]. Chinese Journal of Power Sources， 2016， 40（9）： 1884-1887.

[4] JAGUEMONT J， BOULON L， DUB Y. A comprehensive review of lithium-ion batteries used in hybrid and electric vehicles at cold temperatures[J]. Applied Energy， 2016， 164： 99-114.

[5]JI Y， ZHANG Y C， WANG C Y. Li-ion cell operation at low temperatures[J]. Journal of the Electrochemical Society， 2013， 160（4）： A636-A649.

[6]SENYSHYN A， MHLBAUER M J， DOLOTKO O， et al. Low-temperature performance of Li-ion batteries： The behavior of lithiated graphite[J]. Journal of Power Sources， 2015， 282： 235-240.

[7]PETZL M， KASPER M， DANZER M A. Lithium plating in a commercial lithium-ion battery - A low-temperature aging study[J]. Journal of Power Sources， 2015， 275： 799-807.

[8]魚樂，戴海峰，李麗珍.鋰離子電池低溫充電容量衰減規(guī)律分析[J].電池，2020，50（2）：136-140.

YU （L|Y）， DAI H F， LI L Z. Exploration of charge capacity degradation law of Li-ion battery at low temperature[J]. Battery Bimonthly， 2020， 50（2）： 136-140.

[9]雷治國，張承寧，雷學(xué)國，等.電傳動車輛用鋰離子電池組低溫加熱方法研究[J].電源學(xué)報(bào)，2016，14（1）：102-108.

LEI Z G， ZHANG C N， LEI X G， et al. Study on heating method of lithium-ion battery used in electric vehicle[J]. Journal of Power Supply， 2016， 14（1）： 102-108.

[10]徐智慧，阮海軍，姜久春，等.溫度自適應(yīng)的鋰離子電池低溫自加熱方法[J].電源技術(shù)，2019，43（12）：1989-1992.

XU Z H， RUAN H J， JIANG J C， et al. Temperature-adaptive internal heating strategy for lithium ion battery at low temperature[J]. Chinese Journal of Power Sources， 2019， 43（12）： 1989-1992.

[11]顧月茹，趙衛(wèi)民，蘇長虎，等.鋰離子電池低溫性能改善研究進(jìn)展[J].電化學(xué)，2018，24（5）：488-496.

GU Y R， ZHAO W M， SU C H， et al. Research on improvement of low temperature performance of lithium ion battery[J]. Journal of Electrochemistry， 2018， 24（5）：488-496.

[12]朱建功，孫澤昌，魏學(xué)哲，等.車用鋰離子電池低溫特性與加熱方法研究進(jìn)展[J].汽車工程，2019，41（5）：571-581.

ZHU J G， SUN Z C， WEI X Z， et al. Research progress on low-temperature characteristics and heating techniques of vehicle lithium-ion battery[J]. Automotive Engineering， 2019， 41（5）： 571-581.

[13]YANG X G， WANG C Y. Understanding the trilemma of fast charging， energy density and cycle life of lithium-ion batteries[J]. Journal of Power Sources， 2018， 402： 489-498.

[14]鮑愷婧，蔡亞果，樸賢卿.低溫鋰離子電池的研究進(jìn)展[J].電池，2019，49（5）：435-439.

BAO K J， CAI Y G， PIAO X Q. Research progress in low temperature Li-ion battery[J]. Battery Bimonthly， 2019， 49（5）： 435-439.

[15]WANG C Y， ZHANG G S， GE S H， et al. Lithium-ion battery structure that self-heats at low temperatures[J]. Nature， 2016， 529（7587）： 515-518.

[16]黃德?lián)P，陳自強(qiáng)，周詩堯，等.極寒環(huán)境下動力鋰離子電池特性[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，53（9）：1051-1057.

HUANG D Y， CHEN Z Q， ZHOU S Y， et al. Characteristics of power lithium-ion batteries at extreme cold environment[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University， 2019， 53（9）： 1051-1057.

[17]申彩英.串聯(lián)混合動力汽車能量優(yōu)化管理策略研究[D].天津：天津大學(xué)，2010.

SHEN C Y. Study on energy optimal management for series hybrid electric vehicles[D]. Tianjin： Tianjin University， 2010.