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低温对纯电动汽车动力电池系统性能的影响分析

  次浏览  南京依维柯汽车有限公司  2021/06/15

 引言

纯电动汽车的发展主要依赖于动力电池技术的进步与发展,依照电池类型发展来看,经过了铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池3 个时代。由于锂离子电池具有长寿命、大倍率、高能量密度、无污染等优势,已经成为时代的主流,而镍钴锰三元锂电池和磷酸铁锂电池由于能量密度高、成本低而被广泛应用。但是锂离子电池的电化学性能与正极材料、负极材料、电解液、导电剂及黏结剂的性质有较大关系。在低温环境下,正负极材料的活性、电解液通过性及黏结剂的性质均会降低,因此,随着温度下降,锂离子电池电化学性能急剧降低。

在低温环境中,动力电池系统的实际容量、放电倍率和电压平台会降低,影响着其在整车上的表现,例如续航里程减少、最大放电功率降低等。这些参数都影响着电池管理系统SOC 的估算,以及过充过放等安全策略的定义。本文针对搭载磷酸铁锂动力电池系统的某轻型商用电动车,研究其在低温环境中动力电池系统的性能,为电池管理系统低温策略提供依据。

1 低温对充电时效的影响

由于在低温环境中磷酸铁锂动力电池的电化学性能降低,不能进行充放电或者充放电效率降低,为了解决这一问题,动力电池系统采用热管理系统,对电池包进行加热处理,使电芯在最佳的温度范围内工作。表1 所示为某轻型商用电动车在低温环境与常温时充电时效的对比。

 
由表可见,在- 10 ℃时动力电池系统所需要的充电时间更长,其原因是低温电池管理系统会首先启动热管理程序,对动力电池系统进行加热,只有加热到电芯适合充电的温度时才能进行充电,这个过程不仅需要时间,而且也会消耗动力电池系统的电量。因此,一般在低温环境中使用车辆时,需设置的SOC 最低限值比常温更大,以满足低温加热的需求。在低温条件下完成充电时,动力电池系统的总电压及单体电压均要小于在常温时,这是由于温度越低,电池的内阻越大,Li +扩散阻抗越大所致。

2 低温对续航里程的影响

随着电动汽车技术的进步及普及,电动汽车的续航里程也有了较大的提升。然而在低温条件下,常用的电动汽车锂离子动力电池的容量和工作电压会明显降低,这就导致了电动汽车续航里程的降低。表2 所示为某轻型商用电动车在常温与低温环境下续航里程的对比。由表可见,在- 10 ℃时动力电池的能量为常温25 ℃时能量的94%,但在相同工况条件下续航里程却仅为常温时的68%,百公里能耗也是常温时的134%。

 
 
百公里能耗是纯电动汽车反映经济性及续航里程的一个重要参数,其与电池的特性及电机的效率有关。图1 所示为某轻型商用电动车在常温及低温条件下,不同行驶速度时的百公里能耗。由图可见,在低温- 10 ℃条件下,无论在什么车速下行驶,百公里能耗总是高于在常温25 ℃时。无论在低温- 10 ℃还是在常温25 ℃时,能耗最低的行驶速度为40 km/h,随着速度的增大,能耗值几乎呈线性增长。这与电机效率有关,车辆在时速40 km/h 匀速行驶时电机效率最高。且随着时速的增大,电池瞬时的放电功率增大,放电电流也增大。而对锂电池而言,放电电流越大,相应的内阻消耗也更大。

3 低温对输出功率的影响

 
   
动力电池的输出功率与速度和环境温度都有关,图2 所示为在低温- 10 ℃及常温25 ℃条件下,不同时速匀速行驶时电池的输出功率。在低温条件下,动力电池的输出功率要大于常温时的输出功率,且随着车速的变大,差值变小。这是因为在低温时,电池需要启动加热系统,通过自加热来提高电池的温度以达到电池允许使用的温度范围。而车速越大,功率越大,动力电池的放电电流则越大,此时电池内阻产生的热量更多,因此需要额外消耗进行自加热的能量更小。

4 低温环境下系统电压的变化
 
图3 所示为某轻型商用电动车在低温- 10 ℃环境下以40 km/h 匀速行驶过程中的系统电压变化曲线。在行驶过程中,电压总体趋势在下降,在电池系统温度过低,特别是在0 ℃以下时,电池内阻增加较为明显,故电池端电压较低;随着电池系统温度的升高,电池内阻减小,电池端电压随之升高;在电池系统温度上升到一定程度后,随着电池能量减小,系统电压也随之减小。

5 低温环境下单体温度的变化

 
图4 所示为某轻型商用电动车在低温- 10 ℃环境下以40 km/h 匀速行驶过程中的动力电池单体温度的变化曲线。由图可见,在低温环境下,动力电池系统首先进行自加热,此过程电池的温度逐渐升高,当单体最高温度达到BMS 系统设定的温度时,停止加热。但是由于低温环境下电池自身放电产生的内阻热不足,因此此时电芯温度逐渐下降,直到电芯最低温度达到限值,又重新启动自加热。如此变化,最终电芯最高温度在17 - 20 ℃范围内波动,而电芯最低温度在13 -15 ℃范围内波动。

6 结语

(1) 动力电池在低温- 10 ℃环境下比常温25 ℃时需要的充电时间长,且充电静置后系统电压低。这是由于低温时电池的内阻大,Li +扩散阻抗大所致;且在低温环境下,电池需进行加热至电池允许的充电温度范围才能启动充电。

(2) 动力电池在低温- 10 ℃ 环境下比常温25 ℃时能量低、续航里程短且百公里能耗高;在任何车速下,动力电池在低温- 10 ℃环境下比常温25 ℃时输出的功率大。这是由于动力电池在低温环境中需要进行自加热消耗能量。

(3) 低温环境下,系统电压会呈现先急剧下降后上升再下降的变化规律;单体温度呈现先上升后下降,然后在一定范围内波动的趋势。
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