電動汽車動力電池低溫性能研究與應用

陳永勝 喬延濤 裴小娟 孟祥宇 周琪

（1. 中國第一汽車股份有限公司 新能源開發院，長春130013；2. 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：電動汽車 低溫 動力電池 內阻 SOC 續駛里程

1 引言

鋰離子電池在低溫條件下，充放電性能明顯衰減，嚴重影響用戶在低溫時電動汽車的使用，所以動力電池低溫性能的研究和應用成為動力電池系統設計的關鍵技術之一。結合電動汽車動力電池產品開發項目，對動力電池的低溫性能、低溫應用策略做了深入分析與試驗驗證。本文研究對象為插電式混合動力汽車。在產品開發初期，由于動力電池低溫功率偏高、電壓故障閾值設置不合理的因素導致動力電池頻繁報故障。通過對電動汽車動力電池低溫性能研究，經過低溫環境艙驗證，動力電池無故障，達到了開發目標。

2 動力電池低溫特性、影響因素和使用要求

2.1 動力電池低溫特性

在動力電池產品開發過程中，對選用的單體進行不同溫度下充/放電內阻測試，如圖1、圖2所示。

圖1 單體不同溫度下SOC-放電內阻

以SOC(荷電狀態)=50%為例，電池單體-25 ℃時的放電電阻約為25 ℃時的12 倍，25 ℃時的充電電阻約為-25 ℃時的17倍。

圖2 單體不同溫度下SOC-充電內阻

對電池系統充/放電功率臺架測試，結果如圖3、圖4所示。

圖3 電池系統不同溫度下SOC-放電功率

圖4 電池系統不同溫度下SOC-充電功率

以SOC=50%為例，電池系統-25 ℃時的放電功率約為25 ℃時的11%，-25 ℃時的充電功率約為25 ℃時的3%。通過以上分析可知，在低溫使用環境下，電池單體的充/放電內阻值較常溫值明顯提高，電池系統的充/放電功率值明顯降低。

可見，動力電池低溫特性極大影響電池系統性能，從而進一步影響整車使用。

2.2 動力電池低溫性能影響因素

影響鋰離子動力電池低溫性能的主要因素如下：

(1)正極材料影響（低溫放電）

鋰離子電池目前主要采用的正極材料有磷酸亞鐵鋰、錳酸鋰系、三元材料。低溫時鋰離子電池在放電時正極材料與鋰離子的反應慢，表現在電池特性上即為電池反應內阻大；

(2)負極材料影響（低溫充電）

鋰離子電池目前主要采用碳類負極材料（例如：石墨、硬碳、軟碳）。低溫時碳類負極材料與鋰離子反應活性較低，鋰離子難于嵌入負極中而相對較易從負極中脫出，導致容量下降，而且容易形成鋰金屬枝晶沉積，影響電池壽命和安全性。低溫時負極摻雜一定比例軟碳能明顯改善電池的低溫充電性能[1]。

(3)電解液影響

鋰離子電池目前主要采用電解液為脂類（例如：EC、DMC、EMC）溶劑，電解質為LiPF6，根據電池用途不同，電解液中可以添加一定的添加劑。低溫電解液的改性主要包括鋰鹽、溶劑和添加劑方面[2]。功率/低溫型電解液，通過加入活性較大的添加劑，可提高鋰離子傳導活性，在大功率/低溫使用時降低電池內阻。

2.3 電動汽車對動力電池低溫使用要求

為滿足整車在低溫城市的使用，以純電動汽車為例：一般要求整車工作環境溫度-30 ℃～55 ℃。東北地區冬季氣溫較低，冬季長春月平均最低溫度低于-15 ℃，極端氣溫會達到-25 ℃以下，因此，必須對動力電池低溫性能進行摸底，合理設計應用策略，才能在保證電池安全的前提下最大限度發揮其性能。同時，對于插電式混合動力汽車，即使有發動機，但到了電池在低溫時不能出現影響車輛正常行駛的安全故障。

3 動力電池低溫性能應用方案

從整車應用層面來講，電池系統的低溫應用方案主要有如下5個方面：

(1)單體低溫安全電壓閾值設計。該方案可保證電池單體在最大的安全電壓范圍內得以應用。

(2)電池系統準確的低溫功率設計。該方案可保證電池性能得以合理應用。

(3)電池SOC使用窗口設計。在保證電池安全的前提下，與整車控制策略相適應，保證整車行車安全。

(4)采用保溫、加熱技術。該方案是提升低溫性能的重要解決措施，但仍無法從根本上解決電池本體特性問題，比如長時間的低溫室外駐車仍影響整車性能。

(5)限定整車使用工況、為車輛建造配套的停車暖庫、充電設施等。

從電池材料層面來講，可以采用非碳類負極材料的鋰電池，如鈦酸鋰負極材料，在大倍率及低溫使用時不容易產Li枝晶，可以解決電池低溫充電時的安全問題。也可以采用其他類型的電池，如固溶體電池、燃料電池等新技術體系。

4 動力電池低溫性能臺架測試及結果分析

結合電動汽車動力電池產品開發項目，對電池單體低溫安全電壓閾值、系統的低溫功率、SOC使用窗口做了詳細的設計方案，通過試驗驗證，保證了電池系統低溫性能的安全、合理應用，從而保證整車的低溫性能。

4.1 動力電池單體安全電壓閾值設計及驗證

電池電壓閾值的設計原則是保證安全的前提下，將電池不同級別故障電壓閾值盡可能放寬。為了保證不同級別故障閾值設置的合理性，從單體層面驗證電池允許的最高充電電壓和最低放電電壓。過充和過放試驗方案分別舉例如下。

過充電測試制度為：將電池調整到SOC為85%，在-10 ℃下靜置12 h，以50 W恒功率將其充電至4.4 V，靜置10 min，重復進行5次充電，記錄充入的總電量C1，緊接著以0.1 C 電流放出C1電量，以上過程重復100次。之后將該單體拆解，通過肉眼即可看到析鋰嚴重，如圖5所示。

圖5 單體低溫過充電閾值測試結果

4.2 動力電池系統低溫功率設計及驗證

電池系統功率值是通過單體功率值推算所得，存在部分值高出電池實際功率能力的可能性。為了保證功率值的準確性，綜合考慮電池壽命過程中內阻的增加等因素，選取部分典型功率值，從電池系統層面對電池進行功率復驗。測試電池在不同溫度不同SOC下，按照恒功率充放電的持續時間是否可以滿足整車需求。以-25 ℃、SOC=15%為例，電池在該狀態下以11 kW 恒功率放電2 s（整車要求10 s）即達到截止電壓，說明11 kW 偏高，緊接著將功率值適當降低至8.5 kW，持續到截止電壓的時間為4.2 s，仍然低于10 s，繼續下降到6 kW，持續時間11.4 s，滿足整車需求。根據測試結果將該點的功率值由11 kW下調為6 kW。

整體測試結果顯示功率Map 中有12%的功率值偏高，將這些功率值逐個進行降低驗證，保證所有功率值不超出電池實際能力。避免因為功率設置偏高，導致電池低溫應用過程中出現過充電或過放電故障，影響整車正常運行。

4.3 電池SOC使用窗口設計

低溫下電池的性能衰減嚴重，為保證電池安全性及壽命要求，應調整電池的SOC使用區間，適當提高窗口的下限值。確定該下限值時應考慮整車的功率需求、環境溫度的變化以及SOC估算誤差。以某款插電式混合動力汽車為例，在-20 ℃環境溫度下，車輛起動時對動力電池的需求瞬時功率為7 kW，考慮環境溫度可能驟變5～10 ℃，SOC估算值可能存在5%左右的誤差，根據電池功率Map，將環境溫度-20 ℃的SOC使用下限設置為25%，對應電池功率Map中瞬時放電功率為14.4 kW。這樣，當環境溫度為-20 ℃時，整車行車過程保證SOC高于25%，停車后即使環境溫度下降一定幅度內也能正常起動車輛。

低溫環境通過設置不同的SOC使用窗口，能夠保障在電池能力范圍內使用，避免出現電池故障，又能滿足整車的功率需求。低溫SOC使用窗口的設計是電池安全性和整車經濟性的平衡過程。提高SOC下限使用窗口會導致整車在低溫下發動機啟動頻繁，增加整車油耗。這種設計思路是確保安全第一的設計原則，后續需要通過提升電池單體一致性以及降低單體內阻，從而放寬低溫SOC使用窗口，改善油耗。

4.4 實車驗證

通過以上設計后，動力電池搭載整車進行環境倉試驗。選取-20 ℃進行整車驗證，試驗前將后備箱打開寢車12 h，如圖6 為運行WLTC（全球輕型車測試循環）工況下的電池SOC、最低溫度和電流。試驗結果表明，低溫環境下電池系統安全可靠工作，未報故障。

圖6 環境溫度-20 ℃搭載整車運行WLTC工況

圖7為WLTC工況運行過程中動力電池單體最高電壓，如圖所示，整個過程電池最高電壓為4.108 V，低于電池單體安全工作電壓閾值4.2 V。

圖7 環境溫度-20 ℃WLTC工況電池單體最高電壓

圖8 環境溫度-20 ℃WLTC工況電池單體最低電壓

圖8為WLTC工況運行過程中動力電池單體最低電壓，如圖所示，整個過程電池最低電壓為2.848 V，高于電池單體下限安全工作電壓閾值2.1 V。圖9 為工況運行過程中單體壓差，如圖所示最大壓差275 mV，低于低溫壓差報警值350 mV。

圖9 環境溫度-20 ℃WLTC工況電池單體壓差

5 結論

動力電池低溫性能衰減不可避免，在保證電池安全的前提下，對其低溫性能摸底測試才能進行最合理的應用，從而更好的滿足整車使用需求。通過對動力電池低溫性能的研究，從電池單體、系統和應用等角度提出低溫應用方案并試驗驗證，有效地保證了電池在安全的前提下得以充分應用。