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低温对纯电动汽车动力电池系统性能的影响分析
2020-03-31 09:04:28· 来源：《温对纯电动汽车动力电池系统性能的影响分析》 作者：南京依维柯汽车有限公司
0 引言纯电动汽车的发展主要依赖于动力电池技术的进步与发展，依照电池类型发展来看，经过了铅酸蓄电池､镍氢电池､锂离子电池3 个时代｡由于锂离子电池具有长寿
0 引言
纯电动汽车的发展主要依赖于动力电池技术的进步与发展，依照电池类型发展来看，经过了铅酸蓄电池､镍氢电池､锂离子电池3 个时代｡由于锂离子电池具有长寿命､大倍率､高能量密度､无污染等优势，已经成为时代的主流，而镍钴锰三元锂电池和磷酸铁锂电池由于能量密度高､成本低而被广泛应用｡但是锂离子电池的电化学性能与正极材料､负极材料､电解液､导电剂及黏结剂的性质有较大关系｡在低温环境下，正负极材料的活性､电解液通过性及黏结剂的性质均会降低，因此，随着温度下降，锂离子电池电化学性能急剧降低｡
在低温环境中，动力电池系统的实际容量､放电倍率和电压平台会降低，影响着其在整车上的表现，例如续航里程减少､最大放电功率降低等｡这些参数都影响着电池管理系统SOC 的估算，以及过充过放等安全策略的定义｡本文针对搭载磷酸铁锂动力电池系统的某轻型商用电动车，研究其在低温环境中动力电池系统的性能，为电池管理系统低温策略提供依据｡
1 低温对充电时效的影响
由于在低温环境中磷酸铁锂动力电池的电化学性能降低，不能进行充放电或者充放电效率降低，为了解决这一问题，动力电池系统采用热管理系统，对电池包进行加热处理，使电芯在最佳的温度范围内工作｡表1 所示为某轻型商用电动车在低温环境与常温时充电时效的对比｡
由表可见，在- 10 ℃时动力电池系统所需要的充电时间更长，其原因是低温电池管理系统会首先启动热管理程序，对动力电池系统进行加热，只有加热到电芯适合充电的温度时才能进行充电，这个过程不仅需要时间，而且也会消耗动力电池系统的电量｡因此，一般在低温环境中使用车辆时，需设置的SOC 最低限值比常温更大，以满足低温加热的需求｡在低温条件下完成充电时，动力电池系统的总电压及单体电压均要小于在常温时，这是由于温度越低，电池的内阻越大，Li +扩散阻抗越大所致｡
2 低温对续航里程的影响
随着电动汽车技术的进步及普及，电动汽车的续航里程也有了较大的提升｡然而在低温条件下，常用的电动汽车锂离子动力电池的容量和工作电压会明显降低，这就导致了电动汽车续航里程的降低｡表2 所示为某轻型商用电动车在常温与低温环境下续航里程的对比｡由表可见，在- 10 ℃时动力电池的能量为常温25 ℃时能量的94%，但在相同工况条件下续航里程却仅为常温时的68%，百公里能耗也是常温时的134%｡
百公里能耗是纯电动汽车反映经济性及续航里程的一个重要参数，其与电池的特性及电机的效率有关｡图1 所示为某轻型商用电动车在常温及低温条件下，不同行驶速度时的百公里能耗｡由图可见，在低温- 10 ℃条件下，无论在什么车速下行驶，百公里能耗总是高于在常温25 ℃时｡无论在低温- 10 ℃还是在常温25 ℃时，能耗最低的行驶速度为40 km/h，随着速度的增大，能耗值几乎呈线性增长｡这与电机效率有关，车辆在时速40 km/h 匀速行驶时电机效率最高｡且随着时速的增大，电池瞬时的放电功率增大，放电电流也增大｡而对锂电池而言，放电电流越大，相应的内阻消耗也更大｡
3 低温对输出功率的影响
动力电池的输出功率与速度和环境温度都有关，图2 所示为在低温- 10 ℃及常温25 ℃条件下，不同时速匀速行驶时电池的输出功率｡在低温条件下，动力电池的输出功率要大于常温时的输出功率，且随着车速的变大，差值变小｡这是因为在低温时，电池需要启动加热系统，通过自加热来提高电池的温度以达到电池允许使用的温度范围｡而车速越大，功率越大，动力电池的放电电流则越大，此时电池内阻产生的热量更多，因此需要额外消耗进行自加热的能量更小｡
4 低温环境下系统电压的变化
图3 所示为某轻型商用电动车在低温- 10 ℃环境下以40 km/h 匀速行驶过程中的系统电压变化曲线｡在行驶过程中，电压总体趋势在下降，在电池系统温度过低，特别是在0 ℃以下时，电池内阻增加较为明显，故电池端电压较低；随着电池系统温度的升高，电池内阻减小，电池端电压随之升高；在电池系统温度上升到一定程度后，随着电池能量减小，系统电压也随之减小｡
5 低温环境下单体温度的变化
图4 所示为某轻型商用电动车在低温- 10 ℃环境下以40 km/h 匀速行驶过程中的动力电池单体温度的变化曲线｡由图可见，在低温环境下，动力电池系统首先进行自加热，此过程电池的温度逐渐升高，当单体最高温度达到BMS 系统设定的温度时，停止加热｡但是由于低温环境下电池自身放电产生的内阻热不足，因此此时电芯温度逐渐下降，直到电芯最低温度达到限值，又重新启动自加热｡如此变化，最终电芯最高温度在17 - 20 ℃范围内波动，而电芯最低温度在13 -15 ℃范围内波动｡
6 结语
(1) 动力电池在低温- 10 ℃环境下比常温25 ℃时需要的充电时间长，且充电静置后系统电压低｡这是由于低温时电池的内阻大，Li +扩散阻抗大所致；且在低温环境下，电池需进行加热至电池允许的充电温度范围才能启动充电｡
(2) 动力电池在低温- 10 ℃ 环境下比常温25 ℃时能量低､续航里程短且百公里能耗高；在任何车速下，动力电池在低温- 10 ℃环境下比常温25 ℃时输出的功率大｡这是由于动力电池在低温环境中需要进行自加热消耗能量｡
(3) 低温环境下，系统电压会呈现先急剧下降后上升再下降的变化规律；单体温度呈现先上升后下降，然后在一定范围内波动的趋势｡
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