動力電池低溫環(huán)境下對車輛性能的影響分析

劉 廣， 吳振磊， 楊河清

（南京依維柯汽車有限公司， 江蘇 南京 211806）

為解決傳統(tǒng)汽車排放污染及能源消耗等問題，純電動汽車作為重要的發(fā)展方向之一發(fā)揮著舉足輕重的作用。其中，動力電池的性能關(guān)乎著整車性能的高低。磷酸鐵鋰電池憑借著安全性高、循環(huán)壽命長、能量密度高等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于純電動汽車的研究中［1］。然而，相比于常溫環(huán)境，磷酸鐵鋰電池在低溫條件下放電性能顯著變差［2］。

低溫性能是動力電池關(guān)鍵性能指標(biāo)之一［3］。動力電池在低溫環(huán)境中的表現(xiàn)是評價整車動力性能的關(guān)鍵一環(huán)。本文選取某款搭載磷酸鐵鋰動力電池的純電動汽車作為研究對象，設(shè)計了低溫放電容量試驗以及低溫動態(tài)電壓測試，將其結(jié)果與室溫下的測試數(shù)據(jù)作對比，分析動力電池在低溫環(huán)境中的放電性能以及對整車性能的影響。

1 試驗準(zhǔn)備

為保證動力電池的低溫環(huán)境要求，將試驗安排在冬季的呼倫貝爾市海拉爾地區(qū)進(jìn)行，當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度平均為-25℃。試驗過程中，整車與動力電池系統(tǒng)部分參數(shù)如表1所示。

表1 整車與動力電池系統(tǒng)部分參數(shù)

本文采取兩個試驗驗證動力電池低溫環(huán)境下對車輛性能的影響，設(shè)計了蓄電池模塊低溫放電容量試驗，對比室溫放電容量曲線，驗證動力電池低溫下的放電能力；設(shè)計了低溫環(huán)境電池動態(tài)電壓測試，驗證低溫環(huán)境下動力電池的最大允許電流的動態(tài)變化，探究其對車輛行駛性能的影響。

2 試驗方案

2.1 蓄電池模塊低溫放電容量試驗

此試驗采用3組蓄電池模塊 （1#、2#、3#）進(jìn)行試驗，每組內(nèi)含5個單體蓄電池，其主要參數(shù)與外形如表2、圖1所示。

圖1 蓄電池單體模塊

表2 蓄電池模塊主要參數(shù)

根據(jù)GB/T 31484-2015標(biāo)準(zhǔn)要求［4］，結(jié)合本次試驗項目，設(shè)計如下試驗方案。

1）蓄電池模塊充滿電。

2）蓄電池模塊在-20℃環(huán)境下放置24h，達(dá)到環(huán)境溫度。

3）蓄電池模塊在-20℃環(huán)境下，1C放電至任一單體蓄電池電壓達(dá)到放電終止電壓。

4）計算放電容量。

對兩組蓄電池模塊分別進(jìn)行低溫放電容量試驗測算。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試驗結(jié)束時蓄電池模塊的放電容量應(yīng)不低于初始容量的70%。

將兩組電池模塊的低溫放電容量曲線與常溫狀態(tài)下的模塊放電曲線進(jìn)行對比，探究低溫環(huán)境對電池模塊放電性能的影響。

2.2 低溫環(huán)境電池動態(tài)電壓測試方案

1）動力電池充滿電，放置在-20℃低溫環(huán)境中12h，使電池溫度與環(huán)境溫度一致。

2）啟動車輛，加速踏板滿行程，行駛至20%SOC。

3）根據(jù)數(shù)據(jù)繪制SOC-電池總電壓曲線，曲線中包含SOC、電池電壓、電池最大允許放電電流以及電池最低溫度等參數(shù)。

測試完成后，將低溫動態(tài)電壓曲線與室溫動態(tài)電壓曲線進(jìn)行對比分析，比較兩種環(huán)境溫度下電池的放電能力。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 低溫對蓄電池容量的影響

試驗中，分別對兩組額定容量為271Ah的蓄電池模塊（1#、2#）進(jìn)行低溫放電容量試驗，放電至截止電壓10.5V（低溫放電終止電壓≥室溫放電終止電壓的80%）時終止試驗。-20℃的低溫放電容量如圖2所示。圖2中3#曲線為室溫下電池模塊的放電容量的測試曲線，放電截止電壓為12.5V。

圖2 -20℃蓄電池模塊低溫放電容量試驗曲線

從圖2中可以看出，1#、2#兩組蓄電池模塊的低溫放電容量曲線基本一致。放電初始電壓為17.2V，在放電過程中的電壓曲線可以分為3段：電池放電初期，由于極化作用電壓快速下降至14V，電壓下降階段的持續(xù)時間長于3#電池模塊；電池放電中期，進(jìn)入平臺區(qū)，此期間，電池電壓變化緩慢，維持在15V左右；電池放電末期，電池電壓開始快速下降至放電截止電壓10.5V。3#曲線為室溫下的放電容量曲線，其初始放電電壓為17.1V，容量曲線同樣分為3段：放電初期，電壓快速下降至16.3V；放電中期，電壓變化穩(wěn)定，維持在16V左右；放電末期，電池電壓快速下降至截止電壓12.5V。

結(jié)合數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)低溫環(huán)境對動力電池的放電性能存在著以下影響：①放電初期電壓下降幅度大，時間長；②電池放電中期的穩(wěn)定電壓低于常溫下電池放電的穩(wěn)定電壓；③低溫放電容量低于常溫電池的放電容量。3組蓄電池模塊累計的放電容量分別為263.41Ah、264.33Ah、278.55Ah，1#、2#電池模塊占各自模塊初始容量的95.6%、95.1%。數(shù)據(jù)表明試驗車輛搭載的動力電池符合低溫放電容量測試標(biāo)準(zhǔn)，可以較好地發(fā)揮低溫性能。3#電池的放電容量為額定容量的102.79%，符合室溫放電容量的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2 低溫環(huán)境電池動態(tài)電壓曲線分析

圖3、圖4分別為-20℃和20℃環(huán)境溫度下動力電池動態(tài)電壓的變化曲線，圖中可以清晰看出動力電池電壓和最大允許放電電流隨動力電池SOC和溫度的變化情況。

圖3 -20℃動力電池動態(tài)電壓曲線

圖4 20℃動力電池動態(tài)電壓曲線

如圖3所示，試驗中動力電池的初始溫度為-20℃，初始電壓為340V，初始最大允許放電電流為135.5A，SOC從100%行駛至25%。在電池放電初期電壓由于電池極化現(xiàn)象快速下降，最低下降到292.7V，之后電池由于溫度逐漸上升，電壓升高穩(wěn)定在328V左右，電池電壓低狀態(tài)共持續(xù)了17min。同時，放電初期由于電池溫度為-20℃，電池的最大允許放電電流僅為135.5A，隨著極化帶來的電壓下降，允許電流維持在96A左右，而后隨著電池溫度的升高，最大允許電流逐漸增大，在電池加熱到0℃時，電池允許放電達(dá)到100%。最后，隨著電池電量下降到30%以下，允許放電電流逐漸降低，當(dāng)SOC=24%時，允許放電電流降低到310A。

如圖4所示，室溫下的動力電池動態(tài)電壓曲線較為平穩(wěn)。動力電池初始溫度為20℃，初始電壓為344V，初始最大允許放電電流為400A。動力電池放電初期，由于極化作用電壓快速下降到327.3V，之后電壓升高一直穩(wěn)定在332.5V左右，電池電壓低狀態(tài)共持續(xù)了30s。從圖中可以看出，常溫下動力電池的最大允許放電電流一直保持在400A，試驗過程中未受到限制。

對比低溫和常溫下的動力電池動態(tài)電壓曲線，可以看出低溫下動力電池對車輛行駛性能有著一定的影響。首先，電池放電初期，電壓下降幅度大，下降時間長。低溫狀態(tài)下動力電池電壓回穩(wěn)緩慢，且穩(wěn)定電壓略低于常溫下電池放電的穩(wěn)定電壓。其次，低溫狀態(tài)下的動力電池會限制最大放電電流。從圖3中可以看出，行駛初期，允許電流限制在96A，僅為滿放電電流的24%，因此會造成車輛起步加速無力，甚至?xí)l(fā)生動力電池放電過流三級故障，進(jìn)而導(dǎo)致車輛下高壓，引發(fā)交通事故。在電池加熱到0℃且SOC不低于30%時，電池允許放電電流達(dá)到400A，可以滿放電。低溫試驗中，電池從-20℃加熱到0℃需要30min。

4 結(jié)論

本文以某款搭載磷酸鐵鋰動力電池的純電動汽車作為研究對象，設(shè)計了低溫放電容量試驗以及低溫動態(tài)電壓測試，將其結(jié)果與室溫下的測試數(shù)據(jù)做對比分析，得出以下結(jié)論。

1）電池低溫環(huán)境動態(tài)電壓變化曲線與低溫放電容量測試曲線相符。

2）低溫環(huán)境下，磷酸鐵鋰電池的放電性能明顯變差，放電電壓明顯降低，放電容量顯著減小。

3）低溫環(huán)境下，動力電池會限制最大允許放電電流，影響車輛行駛，甚至引發(fā)嚴(yán)重的交通事故。

4）動力電池的允許放電電流值與電池溫度、剩余電量、電池系統(tǒng)總電壓密切相關(guān)。

5 改進(jìn)措施

針對本文試驗中存在的問題以及結(jié)論反映的情況，提出幾項改進(jìn)措施，減小動力電池低溫表現(xiàn)不佳引起的整車性能下降問題。

1）低溫環(huán)境中，車輛在行駛前先對動力電池進(jìn)行預(yù)熱，待電池最大允許放電電流解除限制后再行駛以保證車輛的動力性能。

2）增大動力電池系統(tǒng)的加熱功率，提高電池系統(tǒng)的加熱速度。

3）根據(jù)動力電池限制策略優(yōu)化整車控制策略：根據(jù)電池當(dāng)前溫度及剩余電量，計算出電池當(dāng)前允許放電電流，進(jìn)而決定車輛的使用狀態(tài)。