電動汽車動力電池低溫性能研究與應(yīng)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(fā)院，長春130013；2. 汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：電動汽車 低溫 動力電池 內(nèi)阻 SOC 續(xù)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(yán)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(yīng)用成為動力電池系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。結(jié)合電動汽車動力電池產(chǎn)品開發(fā)項目，對動力電池的低溫性能、低溫應(yīng)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(chǎn)品開發(fā)初期，由于動力電池低溫功率偏高、電壓故障閾值設(shè)置不合理的因素導(dǎo)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(jīng)過低溫環(huán)境艙驗證，動力電池?zé)o故障，達到了開發(fā)目標(biāo)。

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(chǎn)品開發(fā)過程中，對選用的單體進行不同溫度下充/放電內(nèi)阻測試，如圖1、圖2所示。

圖1 單體不同溫度下SOC-放電內(nèi)阻

以SOC(荷電狀態(tài))=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(nèi)阻

對電池系統(tǒng)充/放電功率臺架測試，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 電池系統(tǒng)不同溫度下SOC-放電功率

圖4 電池系統(tǒng)不同溫度下SOC-充電功率

以SOC=50%為例，電池系統(tǒng)-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(huán)境下，電池單體的充/放電內(nèi)阻值較常溫值明顯提高，電池系統(tǒng)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(tǒng)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(yīng)慢，表現(xiàn)在電池特性上即為電池反應(yīng)內(nèi)阻大；

(2)負(fù)極材料影響（低溫充電）

鋰離子電池目前主要采用碳類負(fù)極材料（例如：石墨、硬碳、軟碳）。低溫時碳類負(fù)極材料與鋰離子反應(yīng)活性較低，鋰離子難于嵌入負(fù)極中而相對較易從負(fù)極中脫出，導(dǎo)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(fù)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(zhì)為LiPF6，根據(jù)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(dǎo)活性，在大功率/低溫使用時降低電池內(nèi)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(huán)境溫度-30 ℃～55 ℃。東北地區(qū)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(shè)計應(yīng)用策略，才能在保證電池安全的前提下最大限度發(fā)揮其性能。同時，對于插電式混合動力汽車，即使有發(fā)動機，但到了電池在低溫時不能出現(xiàn)影響車輛正常行駛的安全故障。

3 動力電池低溫性能應(yīng)用方案

從整車應(yīng)用層面來講，電池系統(tǒng)的低溫應(yīng)用方案主要有如下5個方面：

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

(2)電池系統(tǒng)準(zhǔn)確的低溫功率設(shè)計。該方案可保證電池性能得以合理應(yīng)用。

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

(4)采用保溫、加熱技術(shù)。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(shè)施等。

從電池材料層面來講，可以采用非碳類負(fù)極材料的鋰電池，如鈦酸鋰負(fù)極材料，在大倍率及低溫使用時不容易產(chǎn)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(shù)體系。

4 動力電池低溫性能臺架測試及結(jié)果分析

結(jié)合電動汽車動力電池產(chǎn)品開發(fā)項目，對電池單體低溫安全電壓閾值、系統(tǒng)的低溫功率、SOC使用窗口做了詳細(xì)的設(shè)計方案，通過試驗驗證，保證了電池系統(tǒng)低溫性能的安全、合理應(yīng)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(shè)計及驗證

電池電壓閾值的設(shè)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(shè)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(diào)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(fù)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(fù)100次。之后將該單體拆解，通過肉眼即可看到析鋰嚴(yán)重，如圖5所示。

圖5 單體低溫過充電閾值測試結(jié)果

4.2 動力電池系統(tǒng)低溫功率設(shè)計及驗證

電池系統(tǒng)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(zhǔn)確性，綜合考慮電池壽命過程中內(nèi)阻的增加等因素，選取部分典型功率值，從電池系統(tǒng)層面對電池進行功率復(fù)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(xù)時間是否可以滿足整車需求。以-25 ℃、SOC=15%為例，電池在該狀態(tài)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(dāng)降低至8.5 kW，持續(xù)到截止電壓的時間為4.2 s，仍然低于10 s，繼續(xù)下降到6 kW，持續(xù)時間11.4 s，滿足整車需求。根據(jù)測試結(jié)果將該點的功率值由11 kW下調(diào)為6 kW。

整體測試結(jié)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(shè)置偏高，導(dǎo)致電池低溫應(yīng)用過程中出現(xiàn)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(shè)計

低溫下電池的性能衰減嚴(yán)重，為保證電池安全性及壽命要求，應(yīng)調(diào)整電池的SOC使用區(qū)間，適當(dāng)提高窗口的下限值。確定該下限值時應(yīng)考慮整車的功率需求、環(huán)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(huán)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(huán)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(jù)電池功率Map，將環(huán)境溫度-20 ℃的SOC使用下限設(shè)置為25%，對應(yīng)電池功率Map中瞬時放電功率為14.4 kW。這樣，當(dāng)環(huán)境溫度為-20 ℃時，整車行車過程保證SOC高于25%，停車后即使環(huán)境溫度下降一定幅度內(nèi)也能正常起動車輛。

低溫環(huán)境通過設(shè)置不同的SOC使用窗口，能夠保障在電池能力范圍內(nèi)使用，避免出現(xiàn)電池故障，又能滿足整車的功率需求。低溫SOC使用窗口的設(shè)計是電池安全性和整車經(jīng)濟性的平衡過程。提高SOC下限使用窗口會導(dǎo)致整車在低溫下發(fā)動機啟動頻繁，增加整車油耗。這種設(shè)計思路是確保安全第一的設(shè)計原則，后續(xù)需要通過提升電池單體一致性以及降低單體內(nèi)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(shè)計后，動力電池搭載整車進行環(huán)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(huán)）工況下的電池SOC、最低溫度和電流。試驗結(jié)果表明，低溫環(huán)境下電池系統(tǒng)安全可靠工作，未報故障。

圖6 環(huán)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(huán)境溫度-20 ℃WLTC工況電池單體最高電壓

圖8 環(huán)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(huán)境溫度-20 ℃WLTC工況電池單體壓差

5 結(jié)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(yīng)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(tǒng)和應(yīng)用等角度提出低溫應(yīng)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(yīng)用。