動力電池低溫特性對電動汽車性能影響分析

張松林，符興鋒，曾 雷

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

發展新能源汽車已上升為國家戰略，電動汽車作為新能源汽車的重要組成部分，迎來了爆發式增長。據統計，2018年新能源鋰電池裝車122 萬臺，5 867 萬kW·h，同比2017 年增長84%。鋰電池的特性受環境溫度的影響較大，尤其在低溫環境中，可用能量和功率衰減嚴重，且長期低溫環境使用會加速動力電池的老化，縮短使用壽命[1]。隨著電動汽車市場保有量的增加以及使用范圍的擴大，電動汽車環境適應性面臨日益嚴峻的挑戰，同時也成為用戶使用過程中的一大“痛點”。電動汽車的環境適應性作為一項關鍵指標，已成為行業內的重要攻關課題。美國賓夕法尼亞州立大學研發出一款“全氣候電池”，這種新型電池基于第三極鎳箔自加熱，能提升車輛低溫性能；北京理工大學孫逢春[2]主導開展的全氣候電池技術研發及搭載整車集成開發，解決了極寒環境下電動汽車無法充放電、整車無法啟動、空調能耗高等技術難題。

本文通過分析鋰電池的溫度特性，結合車輛實際使用工況/場景，對目前電動汽車應用的熱管理技術進行綜述，旨在為改善電動汽車的低溫適應性及電動汽車熱管理系統開發提供一定的幫助。

1 動力電池低溫特性

電極/電解液界面上的電化學反應與環境溫度有關。電極的反應率隨著溫度的下降而下降，同時電池放電電流和功率輸出也會隨之下降。低溫對電池特性影響主要表現在以下幾方面。

1.1 對電池放電容量的影響

國標GB/T 31484《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》中規定電池的容量是在(25±5)℃下進行測試。在不同的環境溫度下，實測的電池容量與25 ℃時的容量有所差異，在一定溫度范圍內，溫度越低，電池的放電容量越小，反之越大。選取磷酸鐵鋰單體電池進行測試，在0 ℃時的容量保持率為60%～70%，-20 ℃時的容量保持率為20%～40%，如圖1所示。

圖1 磷酸鐵鋰電池不同溫度下放電曲線

1.2 對電池內阻的影響

在0～30 ℃環境溫度下放電，電池溫度升高，電池的內阻隨之降低。隨著電池溫度的降低，電池的內阻逐漸增大且與溫度呈線性變化。當環境溫度降至0 ℃以下，溫度每降低10 ℃，內阻增大15%左右。因為電解液黏度變大，降低了電解液中離子活性，增大了電解液比電阻，加重了電極極化影響，電池容量會明顯減小。

1.3 對充電速率的影響

在低溫下充電，擴散電流密度明顯減小，而交換電流密度減小不多，所以濃差極化加劇。低溫充電開始時，電池總電壓上升較快，很快達到充電截止電壓，進入恒壓充電，長時間的恒壓階段充電導致動力電池充電時間增加，充電速率明顯下降。

2 動力電池低溫特性對整車性能的影響

2.1 整車動力性能的變化

通過試驗發現，在低溫環境下，整車動力性能明顯下降。某車型電池不同溫度下0～100 km/h 加速性能對比如表1所示。

表1 某車型電池不同溫度下動力性測試結果

從表中可以看出，電池SOC 差不多的情況下，電池溫度較低時，電池峰值放電功率隨電池溫度下降明顯，直接影響到車輛的加速性能；在0 ℃左右，加速時間增加50%左右。

2.2 整車經濟性的變化

三元鋰電池在-10 ℃和-20 ℃環境下，放電容量分別為標稱容量的86%和76%[3]。由于放電容量的下降，整車續駛里程會隨之下降。同時，在低溫環境下，駕駛員會使用空調制熱及除霜除霧功能，制熱功率一般在2～3 kW，這部分能量消耗也降低了整車的續航里程。試驗數據表明，車輛在開啟空調的情況下，整車的能耗增加約20%，加上低溫電池容量下降、滾阻及車輛內阻增加，在-7 ℃環境下，電動汽車續航里程下降率在30%以上，實測4款車型常溫與低溫續航結果如表2所示。

表2 NEDC工況續駛里程測試結果

2.3 整車充電時間的變化

電池低溫下只能進行小倍率充電，這樣充電時間會大大延長，在低溫環模艙測試4 款純電動汽車低溫情況下充電時間增長率。如圖2 所示，充電時間增長50%～100%。充

圖2 低溫充電時間增長率(-10 ℃)

電時間增加會影響消費者的使用，特別是網約車、出租車等營運車輛，營運時充電時間占比將直接影響到用戶經營狀態及經濟收益。滴滴優享型快車司機在非工作日大于20 km的服務里程中，司機的日平均利潤為38.74 元/h[4]。按照每天充電時間增加1.5 h計算，損失收益約58元/天。

3 提升電動汽車低溫適應性

提升電動汽車的低溫適應性，可以從3個方面進行優化。

（1）從電池電芯進行優化，包括電解液離子電導率、負極石墨顆粒表面SEI模的電導率、電極電化學反應速率等方面。

（2）從整車架構及控制策略出發，優化熱管理架構及控制策略，使動力電池在不同環境溫度下均能保持在“舒適區”，滿足整車的功率和能量需求，從而使整車達到最佳性能狀態。

（3）提升系統效率，降低附件能耗，下文針對（2）、（3）點進行詳細研究分析。

3.1 熱管理技術應用

動力電池熱管理系統開發是目前整車研發中的重要課題，針對低溫性能，對動力電池進行加熱是主要應用手段。該方法技術難度小、成本增加少，結構原理相對簡單，所以得到很多廠家的青睞。

目前實現電池加熱的主要方式有以下幾種。

（1）通過加熱冷卻液在電池內部循環。冷卻液熱量可以通過電加熱器或是發動機（HEV 車型）等熱源獲取，將熱水通過水道引入動力電池各單節電池外表面實現熱交換，通過調節冷卻液入水溫度、流量，獲取最快的加熱速率，需要注意平衡好動力電池溫差范圍，將電池溫度維持在最佳區域。該方式的優點是可以保證每個單體之間的溫差較小、控制方式簡單；缺點是結構復雜、體積較大、存在漏液風險。

（2）通過在動力電池單體、模組之間布置電加熱絲對電池進行加熱，該方式加熱速度快、能量利用效率較高、結構簡單，但其可靠性有待檢驗。

（3）電池內部加熱。利用電流通過有一定電阻值的導體所產生的焦耳熱來加熱動力電池，導體為動力電池本身[1]。由于動力電池低溫下內阻加大，通過加熱控制器PWM信號調節動力電池母線電流頻率和幅值，電流通過動力電池內阻產生熱量使動力電池產生溫升。該方式的主要優點是結構簡單、體積小、加熱速度快；缺點是程序控制較復雜、相關工作零部件溫升較高，電磁輻射、電磁噪聲等問題都有待驗證解決。

（4）在動力電池周圍布置風道，將熱風引入動力電池內部實現溫升。優點是結構相對簡單，既可以實現電池加熱，又可以利用風道實現冷卻；缺點是加熱速度慢、單體電池間溫差較大，EV 車型由于電池包體積大，空間緊湊布置難度大，所以該技術主要應用于HEV車型。

3.2 提升系統效率，降低附件能耗

燃油車乘員艙采暖是通過發動機余熱滿足乘員艙的采暖及除霜/除霧需求，電動汽車車電動力總成工作時，冷卻液溫升慢、最高溫度低，無法滿足乘員艙的采暖及除霜除霧需求，所以在電動汽車設計了一套獨立的空調采暖系統。低溫環境下，空調能耗約占整車能耗比20%左右甚至更高。降低空調能耗對提升電池包能量利用率，降低車輛運行成本如費用、時間等有較大幫助。

（1）PTC 電加熱系統。通過使用動力電池電量來加熱PTC，加熱介質分為液體（如乙二醇型冷卻液）和空氣兩種。該系統優點是結構簡單、可靠性高；缺點是熱效率低、能耗較高。

（2）熱泵空調系統。制熱時，壓縮機壓縮制冷劑，高溫高壓制冷劑經過四通換向閥到達空調暖風芯體時與乘員艙空氣進行換熱，滿足車內采暖需求，然后流經雙向膨脹閥到達車外散熱器，換熱后經過四通閥回到壓縮機。該系統的顯著優點是能效高。例如，當室外環境溫度-10 ℃，車內采暖溫度25 ℃時，熱泵系統最高極限效率可達8.5，遠高于PTC制熱效率1。日本電裝公司為電動汽車開發的全封閉電動旋渦壓縮機熱泵系統在此工況下熱效率可達2.3[5]，對純電動汽車續航里程貢獻率約在10%左右。該系統的缺點是在更低環境溫度下，節能效果不明顯。

4 結束語

隨著電動汽車的推廣普及，車輛將承受各種惡劣環境、復雜工況的考驗，通過熱水/熱風、電熱絲、電池內部加熱等手段來提高動力電池的溫度，使其維持在正常溫度，發揮優良的充放電特性；同時提升系統效率，降低附件能耗，能夠達到改善整車低溫適應性的目的。不同設計方案在整車上面的應用需要考慮空間結構、成本效益、電器架構等多方面因素，在電動汽車開發中，需要經過多輪測試、改進、驗證，使產品達到量產指標，實現提高整車低溫適應性的目的。