低溫對(duì)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的影響分析

陳德兵，葉 磊，楊 杰

（重慶車輛檢測(cè)研究院 國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，重慶 401122）

近幾年來，我國(guó)電動(dòng)汽車技術(shù)取得了重大成就，但是動(dòng)力電池及其成組應(yīng)用技術(shù)仍然是電動(dòng)汽車發(fā)展的技術(shù)瓶頸[1]。純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程一直是人們關(guān)注的首要問題，而續(xù)駛里程的長(zhǎng)短主要取決于動(dòng)力電池的充放電特性的優(yōu)劣。在低溫條件下（-20℃以下），動(dòng)力電池的充放特性一般都不理想。資料顯示，相比25℃的常溫環(huán)境，鋰電池在0℃容量保持率為60%～70%，-10℃時(shí)為40%～55%，-20℃時(shí)僅有20%～40%[2]。為了推動(dòng)新能源汽車的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，財(cái)政部聯(lián)合科技部已在全國(guó)25個(gè)城市開展新能源汽車示范推廣試點(diǎn)工作。這25個(gè)城市，北到長(zhǎng)春，南至海口，氣溫差異很大，尤其在北方地區(qū)，冬天最低氣溫達(dá)到-40℃左右。如何使純電動(dòng)汽車在低溫條件下實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的續(xù)駛里程，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以重慶車輛檢測(cè)研究院國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的實(shí)車試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行論述。

1 動(dòng)力電池的溫度充放電特性

動(dòng)力電池在不同溫度下的充放電特性相差很大。對(duì)于常用的鋰離子電池，其正常工作溫度一般為0～60℃。在更低的溫度下，如-40℃的環(huán)境下，其單體電池的放電容量只有室溫（20℃）的12%左右，這主要是由于在低溫環(huán)境中，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流的速度比室溫條件下慢很多[3]。當(dāng)這種化學(xué)反應(yīng)變得極為緩慢時(shí)，電池就沒電了，這也是電池容量隨溫度下降的主要原因之一[2]。

為了研究動(dòng)力電池在不同溫度下的充放電特性，國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心按照我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 743-2006《電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池》[4]的規(guī)定，對(duì)某一單體容量11.6 Ah、電壓3.2 V的鋰離子電池分別在室溫、0℃、-10℃和-20℃四種環(huán)境條件下進(jìn)行充放電容量測(cè)試，充放電電流均為1/3倍容量，其數(shù)值為3.9 A，充電起始電壓和放電截止電壓為2.0 V，得出其充放電曲線（見圖1和圖 2）。

圖1給出的該鋰離子電池在不同溫度下的充電特性曲線，鋰離子電池在0℃、-10℃、-20℃的環(huán)境溫度下，電池的充電容量依次為11.2 Ah、10.8 Ah和8.6 Ah，分別相當(dāng)于室溫充電容量（11.6 Ah）的96.6%、93.1%和74.1%；電池的充電平臺(tái)電壓（充電曲線的積分面積/充電容量）逐漸上升，依次為3.01 V、3.12 V和3.25 V，分別相當(dāng)于室溫充電平臺(tái)電壓（2.95 V）的1.02%、1.06%和1.10%。從充電特性曲線上也可以得到，隨著環(huán)境溫度的下降，電池的恒流充電容量逐漸降低，尤其當(dāng)溫度低于-20℃時(shí)，電池的恒流充電容量下降較快，主要原因是隨著溫度降低，電池的整體內(nèi)阻增大造成歐姆極化增大，電化學(xué)極化增大和濃差極化提前,使充電電壓很快達(dá)到充電上限電壓,充電方式很快由恒流充電轉(zhuǎn)化為恒壓充電[5]。

從圖2中可以看出，在0℃、-10℃、-20℃時(shí)，鋰離子電池的放電容量依次為11.4 Ah、10.8 Ah和9.0 Ah，分別相當(dāng)于室溫放電容量（11.6 Ah）的98.3%、93.1%和77.6%；放電平臺(tái)電壓（放電曲線的積分面積/放電容量）依次為2.76 V、2.65 V和2.33 V，分別相當(dāng)于室溫放電平臺(tái)電壓（2.92 V）的94.5%、90.8%和79.8%。從上述數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的降低，鋰離子電池的放電容量和放電平臺(tái)電壓都有所下降，尤其當(dāng)溫度低于-20℃時(shí),電池的放電容量下降較快。這是因?yàn)殡S著溫度的降低，電解液的離子電導(dǎo)率隨之降低，電極材料活性降低，導(dǎo)致低溫下歐姆極化、濃差極化和電化學(xué)極化均增大。在電池的放電曲線上表現(xiàn)為放電容量隨著溫度降低而降低[6]。

2 續(xù)駛里程的數(shù)學(xué)模型

純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程是整車性能指標(biāo)中最重要的一項(xiàng)指標(biāo)，也是目前決定著純電動(dòng)汽車能否被市場(chǎng)所接受和被廣泛應(yīng)用的最主要因素[6]。對(duì)于純電動(dòng)汽車，動(dòng)力電池的輸出功率和汽車行駛狀態(tài)密切相關(guān)，即電池組的輸出功率必須滿足汽車行駛過程中的需求功率。根據(jù)汽車?yán)碚揫7]，車輛功率平衡方程為

式中：Pe為車輛工況行駛的功率需求，kW；η為電機(jī)輸出至驅(qū)動(dòng)輪的機(jī)械傳動(dòng)裝置的總效率；m為汽車總質(zhì)量，kg；g為重力加速度，取 9.8 m/s2；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；a為汽車在坡度上行駛的坡度角；CD為空氣阻力系數(shù)；A為車輛迎風(fēng)面積，m3；va為車速，km/h；δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；d v/d t為行駛加速度。

以M3類純電動(dòng)城市客車為例，根據(jù)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18386-2005《電動(dòng)汽車 能量消耗率和續(xù)駛里程 試驗(yàn)方法》規(guī)定[8]，M3類汽車在水平路面上以40 km/h的速度進(jìn)行等速法測(cè)試，根據(jù)試驗(yàn)道路和試驗(yàn)工況的要求，公式（1）簡(jiǎn)化為

另外，在不考慮動(dòng)力電池充放電效率的情況下，汽車在水平良好路面上進(jìn)行等速法測(cè)試的續(xù)駛里程的等效計(jì)算模型，筆者定義：

式中：D為續(xù)駛里程，km；Vbatt為電池組的總電壓，V；Cbatt為電池組的總?cè)萘?，Ah；SOCL為電池組低壓報(bào)警時(shí)的荷電狀態(tài)。

動(dòng)力電池的充放電特性容易受到環(huán)境溫度的影響，在不同溫度條件下其充放電容量和充放電平臺(tái)電壓都有明顯變化，在忽略單體電池之間一致性的前提下，認(rèn)為單體電池經(jīng)過各種組合方式組合成動(dòng)力電池包之后，其充放電特性基本不發(fā)生變化，因此，可以得到純電動(dòng)汽車在不同溫度下的續(xù)駛里程的等效計(jì)算模型：

式中：DT為不同溫度下的續(xù)駛里程，km為放電平臺(tái)電壓變化系數(shù)為充電平臺(tái)電壓變化系數(shù)為放電容量變化系數(shù)為充電容量變化系數(shù)。

3 實(shí)例對(duì)比分析

重慶車輛檢測(cè)研究院國(guó)家客車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對(duì)某款6100型純電動(dòng)汽車依據(jù)文獻(xiàn)[9]分別在交通部公路汽車試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行室溫（試驗(yàn)時(shí)間：2011.4.9-11,氣溫18°C左右）和黑龍江省漠河縣進(jìn)行低溫（試驗(yàn)時(shí)間：2011.4.3-5,氣溫-18.5°C左右）條件下的續(xù)駛里程試驗(yàn)。樣車主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 某6100型純電動(dòng)城市客車主要技術(shù)參數(shù)

樣車在水平路面上以40 km/h的速度行駛，試驗(yàn)載荷為半載狀態(tài)，則需求功率Pe為

最后，等效計(jì)算和實(shí)際測(cè)試得到的結(jié)果如表2所示。

表2 續(xù)駛里程

通過等效計(jì)算和實(shí)際測(cè)量的結(jié)果可以看出，相對(duì)于室溫條件，低溫條件下的純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程降低比較明顯。另外，等效計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)比較接近，存在差異的主要原因是由于單體電池間存在一致性差異，單體電池在不同溫度下的充放電特性也不能完全替代整個(gè)電池包的充放電特性。

動(dòng)力電池的充放電容量除了受正負(fù)極材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響之外，使用時(shí)的環(huán)境溫度也是影響其容量的重要因素[9]。建議可以從以下幾個(gè)方面來提高純電動(dòng)汽車在低溫條件下的續(xù)駛里程：

1）由于動(dòng)力電池在低溫條件下的容量保持率很差，長(zhǎng)時(shí)間的低溫放置自身的容量會(huì)隨之下降，從而會(huì)增加其充電容量[10]。因此，在車輛不運(yùn)行的情況下，盡量將汽車停放在溫暖的室內(nèi)停車庫里面。

2）為了避免在低溫環(huán)境下，動(dòng)力電池充電容量低的特點(diǎn)，在連接外部電源充電時(shí)，自動(dòng)給電池預(yù)熱并一直保溫，讓電池始終處于最佳溫度狀態(tài)。

3）在汽車行駛過程中，應(yīng)盡量保持一定的放電強(qiáng)度，利用放電產(chǎn)生的熱量為電池本身提供一定的溫度。

4）為動(dòng)力電池增加一定的外部保溫措施的同時(shí)，在極為寒冷的條件下，也有必要采取一定的加熱措施。當(dāng)動(dòng)力電池本身的溫度低于某一限值時(shí)，啟動(dòng)加熱器給動(dòng)力電池加熱，以保證電池在正常的溫度下放電工作，以提供合適的續(xù)駛里程。

4 結(jié)論

1）隨著環(huán)境溫度的降低，動(dòng)力鋰電池的充放電特性變差，充放電容量和充放電效率也隨之降低[11]。

2）純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程受環(huán)境溫度的影響很大，尤其在低溫環(huán)境中，由于動(dòng)力電池的充放電特性變差，充電容量和放電容量較常溫環(huán)境都明顯減少，從而嚴(yán)重影響整車的續(xù)駛里程。

3）等效計(jì)算得到的結(jié)果與試驗(yàn)值比較接近，表明等效計(jì)算的方法可以在純電動(dòng)汽車整車匹配設(shè)計(jì)初期可用于進(jìn)行續(xù)駛里程的計(jì)算。

4）為了增加純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，提高動(dòng)力電池使用環(huán)境的溫度是解決這一問題的有效途徑。但是采取升溫措施勢(shì)必會(huì)消耗動(dòng)力電池自身的一部分能量，如何在這兩者之間找到平衡仍需繼續(xù)探索。

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