纯电动汽车动力电池系统的低温性能研究

梅周盛，席文倩，夏靖武，周 斌

（汉腾汽车有限公司，江西 上饶 334000）

电池系统作为纯电动汽车的能量源，其性能发展制约着纯电动汽车的性能发展。目前，电动汽车主要使用磷酸铁锂电池和三元锂电池。磷酸铁锂电池安全性高、循环使用寿命长，热稳定性好，随着研发技术不断提高，能量密度也有显著提升，性能优越；三元锂电池则能量密度高、比功率大、自放电率低［1］。磷酸铁锂与三元锂电池应用于不同类型车辆，均有很大的市场占有率和应用前景。动力电池的低温性能提高在一定程度上可以促进新能源汽车的技术发展，而对锂离子电池的低温性能研究，是当前一个重要研究方向。

1 温度对锂电池的性能影响

锂电池的电化学性能受低温环境的影响很大。一定条件下，锂离子电池通过锂离子在正负极之间的迁移实现充电和放电，电池在首次充放电过程中，形成SEI膜，优良的SEI膜可确保锂离子自由嵌入或脱出电极而溶剂分子无法通过［2］。锂电池中，由于锂、电解质、SEI膜的本身特性和充放电条件的影响，一部分锂离子与负电荷结合生成锂，沉积在电极表面且分布不均匀，这种沉淀积累到一定程度形成树枝状结晶，即锂枝晶［3］。低温充电时，电解液粘度增加，锂离子的扩散速度变慢，多次低温充电，更利于析锂使得锂枝晶继续生长，锂枝晶能穿破隔膜导致正负极短路，严重时将引起爆炸，造成安全事故。并且，低温环境下，电池中电解液部分溶剂凝固，电导率降低；电极材料中锂离子的传递阻力增大，活性降低；电极和电解液界面间锂扩散和电荷转移较缓慢；电解液对隔膜的浸湿性以及锂离子对隔膜的穿透性变差等一系列因素会导致电池容量下降。本文以搭载了三元锂电池的纯电动汽车为研究对象，对电池控制系统在低温环境下的性能进行了试验分析，为低温环境下纯电动汽车的性能研究提供一定的依据。

2 动力电池的低温性能研究

2.1 电池系统性能参数

为了对低温环境下动力电池系统的性能进行试验研究和分析，选用某纯电动汽车的三元锂电池为研究对象。该电池系统的额定电压为335.8V，额定容量为160Ah，标称能量为53.2kWh。采用液冷加热、冷却的方式对电池系统进行热管理。电池工作环境温度范围为-20～55℃。

2.2 低温对电池快充性能的影响

电池系统快速充电的实现能够极大地促进纯电动汽车的推广与应用。低温充电时，电池的电化学性能降低，电池充电时间变长。现将整车在不同温度的环境中，静置一定时间后做快速充电实验。电池温升、电压变化情况、充电时间如表1所示。

该电池系统在快充模式下，采用的是多阶梯恒流充电模式。即先以选定的电流倍率恒流充电到截止电压，随后按设定的电流梯度依次降低充电电流继续充电，达到截止电压后切换到下个电压梯度，最后以0.05C倍率的电流充电到截止电压后停止充电。由表1可知，该试验车在低温环境下能正常充电，但随着环境温度的降低，电池充电时间变长，充电接受能力下降。低温环境下，电池包的最高最低温度差值明显，说明充电过程中，电池包温度不均衡。涓流降流过程到充电结束控制在20min以内，整个快充过程中，电池组温差维持在10℃以内，保证了电池组充电使用环境及充电安全性。

表1 电池快充试验数据

2.3 低温对续驶里程的影响

续驶里程是纯电动汽车的重要评价指标，对纯电动汽车的技术发展而言，如何尽可能地提高续驶里程，是目前面临的一个重要问题。电动汽车续驶里程的大小，主要受电池系统的影响。除了电池能量及能量密度影响续驶里程，温度条件也会对续驶里程产生一定的影响。该试验车在不同温度条件下的行车参数如表2所示。

表2 行车续驶里程对比

由表2可知，电池初始温度为-10℃时，行车结束时，电池设置的SOC最低限值比常温更大，行车结束后，电池的剩余电量比较大，且电池系统的百公里能耗高。温度为25℃，能耗较低，行车结束后的电量为4.1kWh，符合电池参数最大放电深度92%。相同控制策略下行车试验，温度变低，电池电解液的离子电导率随之降低，电极材料活性降低，导致低温下欧姆极化、浓差极化和电化学极化均增大，电池放电容量变小［4］。所以，纯电动汽车在低温环境下行驶时，电池放电容量降低，车辆续驶里程减小，能耗大，经济性能变差。

2.4 低温对电池峰值功率的影响

不同温度下、不同的SOC点处电池的峰值放电功率的变化曲线如图1所示。

由图1可以看出，在一定SOC下，温度降低，电池峰值放电功率也随之逐渐降低。电池SOC为30%温度-10℃时，电池的峰值放电功率为55kW，与25℃相比较，峰值放电功率衰减了51%。低温条件下，电池峰值放电功率衰减，是由于电池内部电阻增大，在电流的作用下形成过电势，端电压迅速达到限制电压［5］。电池峰值功率影响整车某些路况下的加速性能，为保证整车的动力性能，有必要对电池进行加热调节，提高温度和电池的功率特性，这对于电动汽车低温运行具有重要意义。

图1 不同温度下电池的峰值放电功率

2.5 低温对电池放电容量的影响

将电池置于恒定温度的环境中，静置一定的时间，使电池以恒定的温度放电，放电电流为36A，电池单体的截止电压为2.8V，分别在25℃、0℃、-10℃、-20℃下进行放电，不同温度下电池放电电压曲线如图2所示。

图2 不同温度下电池放电电压曲线图

由图2可以看出，随着温度的降低，放电电压和放电容量都有明显下降。随着放电容量增加，温度越低，电池的放电电压越先下降到截止电压，此时电池无法继续放电，电池放电容量变小。与25℃的放电容量相比，-10℃时电池放电容量减少了11.6%，-20℃时电池放电容量26.5%。低温环境下，电池的放电电压、放电容量都有一定幅度的下降。

3 束语

电动汽车的性能受电池系统性能的制约，该文以某纯电动汽车动力电池系统的低温性能进行了试验研究。环境温度越低，整体充电时间越长，因此有必要先对电池系统进行预加热，保证低温环境下充电的安全性、可靠性。低温环境下，电池的续驶里程显著下降，峰值功率也发生一定的衰减。与25℃的放电容量和放电电压相比，电池的放电电压、放电容量均有下降。改善电池系统的低温适用性，可以通过优化热管理控制策略，提高电池系统的快速加热能力和保温技术，这对纯电动汽车在高寒地区的推广和应用具有一定的可行性和适用性。