張歡歡，宮閃閃

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，新能源汽車研究院，安徽 合肥 230601）

鋰離子電池純電動(dòng)汽車低溫性能研究

張歡歡，宮閃閃

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，新能源汽車研究院，安徽 合肥 230601）

電動(dòng)汽車的加速性能與動(dòng)力電池的放電特性密切相關(guān)，動(dòng)力電池的放電特性與環(huán)境溫度又密切相關(guān)。文章基于三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池在不同溫度下的放電功率特性，利用 CRUISE軟件搭建整車仿真模型，通過(guò)不同溫度下整車加速性能仿真對(duì)比，三元電池低溫放電功率衰減對(duì)整車加速性能的影響小于磷酸鐵鋰電池。

電動(dòng)汽車；低溫環(huán)境；加速性能；放電功率

前言

近年來(lái)，新能源汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，作為純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力源，鋰離子電池以其低成本、長(zhǎng)壽命、高比能量和高比功率正在成為現(xiàn)階段車用主要的動(dòng)力來(lái)源[1-3]。目前，電動(dòng)汽車主要使用磷酸鐵鋰電池和三元電池。磷酸鐵鋰電池因其良好的安全性能、長(zhǎng)壽命和高性價(jià)比而廣受歡迎。但是，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，磷酸鐵鋰材料的能量密度已遇到瓶頸，已經(jīng)很難滿足未來(lái)電動(dòng)汽車對(duì)長(zhǎng)里程的需求。三元材料 Li(NixCoxMnx)O2電池具有 LiNiO2的高比能量，LiCoO2的優(yōu)良循環(huán)性能，LiMn2O2的高安全性以及低成本等特性，正成為電動(dòng)車動(dòng)力電池的重要選擇。

純電動(dòng)汽車相比燃油車，特別吸引客戶的是純電動(dòng)車電機(jī)有低速大扭矩特性，整車起步加速快，駕乘體驗(yàn)愉悅。但純電動(dòng)車的加速性能受環(huán)境溫度影響較大，特別是低溫加速性能成為衡量一款純電動(dòng)車動(dòng)力性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。低溫加速性能主要取決于動(dòng)力電池低溫放電功率，產(chǎn)業(yè)界開(kāi)發(fā)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境下整車動(dòng)力性與常溫基本相當(dāng)。本文選用電動(dòng)車使用的不同材料的鋰離子動(dòng)力電池包，研究不同環(huán)境溫度下動(dòng)力電池放電功率特性對(duì)整車加速性能的影響。

1 動(dòng)力電池低溫功率特性

1.1 電池包低溫功率測(cè)試方法

根據(jù)容量測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)電池包進(jìn)行恒功率放電，分別測(cè)

1.2 電池包低溫功率性能測(cè)試分析

各選取一款三元和磷酸鐵鋰電池包，兩款電池包容量、額定電壓相當(dāng)，分別對(duì)其開(kāi)展性能測(cè)試，比較三元及磷酸鐵鋰材料的動(dòng)力電池低溫放電功率。具體測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 1。

表1 不同溫度、SOC下的放電功率對(duì)比（單位：kW）

從表1中可以看出，隨著環(huán)境溫度的降低，兩款電池包的放電功率都在下降。這是因?yàn)闇囟冉档?，電池?nèi)部的電化學(xué)活性隨之降低，電池的放電能力減弱。同時(shí)隨著SOC的降低，其放電功率也在逐漸降低，這是因?yàn)殡S著容量降低，電池放電能力逐漸減弱，導(dǎo)致功率值降低。

通過(guò)比較，可發(fā)現(xiàn)三元材料鋰離子電池的低溫放電功率要明顯高于磷酸鐵鋰電池，以電池30%SOC，-10℃的放電功率較25℃為例，三元材料鋰離子電池衰減45%，而磷酸鐵鋰電池衰減58%，三元材料電池在低溫下的功率特性要明顯優(yōu)于磷酸鐵鋰電池。

2 純電動(dòng)汽車建模

純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。純電動(dòng)汽車模型主要包括駕駛員、 主控制器、動(dòng)力電池、電機(jī)、減速器和整車六大模塊。

圖1 純電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 純電動(dòng)汽車部件建模

2.1.1 駕駛員

駕駛員模型為駕駛員模擬器的控制系統(tǒng)，若采取閉環(huán)控制，可轉(zhuǎn)化為對(duì)加速踏板行程的PI控制和對(duì)制動(dòng)踏板行程的PID控制[4]。具體為：

式中：△v為目標(biāo)車速與實(shí)際車速之間的差值；vdesired為理想工況車速；vactual為當(dāng)前實(shí)際車速；αe為加速踏板行程；kpt和kit為 PI 控制器中的比例系數(shù)和積分系數(shù)。

式中：βe為制動(dòng)踏板行程；kdt為 PID 控制器的微分系數(shù)。

2.1.2 電機(jī)

電機(jī)模型是基于駕駛員意圖來(lái)計(jì)算電機(jī)需求扭矩，基于電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的效率 MAP轉(zhuǎn)化為實(shí)際功率并輸出至電池和變速器模塊。

式中：Treq為需求扭矩；nm為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；ig為變速器速比；i0為主減速比；r為車輪半徑；ηm為電機(jī)效率。

2.1.3 動(dòng)力電池

動(dòng)力電池模型主要基于充放電功率參數(shù)計(jì)算電池電量、電壓、電流和內(nèi)阻等狀態(tài)信息的變化情況。

電池SOC估算采用安時(shí)積分法[5]：

式中：CN為電池的可用容量；i為電池電流，正值表示放電，負(fù)值表示充電；ηb為電池組效率。

2.1.4 減速器

純電動(dòng)汽車的減速器一般為兩級(jí)變速的單速比形式，系統(tǒng)效率達(dá)93%。

式中：Tout為減速器輸出轉(zhuǎn)矩；Tin為減速器輸入轉(zhuǎn)矩；ig為減速器速比，ηt為減速器效率。

2.1.5 整車

首先是行駛阻力模型。

在水平道路上滑行時(shí)，整車行駛阻力可簡(jiǎn)化為：

式中：δ為旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；G為整車重力；f0、 f1、f2為滾動(dòng)阻力系數(shù)；Cd為風(fēng)阻系數(shù)；Ad為迎風(fēng)面積。

利用該純電動(dòng)汽車在同一路面上采集到的多次道路滑行數(shù)據(jù)，并對(duì)濾波后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，最終得到整車的行駛阻力曲線如圖2所示。

圖2 行駛阻力擬合曲線

第二是制動(dòng)能量回收模型。制動(dòng)能量回收模型基于理想的制動(dòng)力分配曲線，若制動(dòng)時(shí)前后輪同時(shí)發(fā)生抱死，則路面附著利用率會(huì)比較高，由此帶來(lái)更好的制動(dòng)穩(wěn)定性。前后軸理想制動(dòng)力應(yīng)滿足：

式中：Fu1、Fu2分別為前后輪制動(dòng)力；φ為路面附著系數(shù)；L1為質(zhì)心到前軸的距離；L2為質(zhì)心到后軸的距離；hg為質(zhì)心高度。

2.2 整車性能仿真模型建立

基于上述思路，采用理論建模和數(shù)值建模相結(jié)合的方法，在 AVL-CRUISE性能仿真軟件中建立純電動(dòng)汽車前向仿真模型[4-5]，如圖3所示。

圖3 整車仿真模型

樣車主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

3 常溫和低溫電動(dòng)汽車加速性能仿真分析

由于低溫環(huán)境下，低SOC放電功率下降更加明顯，現(xiàn)階段整車動(dòng)力性開(kāi)發(fā)目標(biāo)一般是達(dá)成 30%SOC的加速性能與常溫基本相當(dāng)，差別不大?；谡囆阅芊抡婺Ｐ?，選擇電池 30%SOC下的功率特性，分別開(kāi)展常溫和低溫（-10℃）下整車加速性能仿真分析。仿真計(jì)算時(shí)，電池初始荷電狀態(tài)為30%SOC，設(shè)定電動(dòng)汽車載荷狀態(tài)為半載。加速性能仿真

結(jié)果如表3所示。

表2 樣車主要技術(shù)參數(shù)

表3 加速性能仿真結(jié)果

加速過(guò)程中三元電池和磷酸鐵鋰電池的輸出功率變化曲線如圖4、圖5所示。

圖4 加速過(guò)程三元電池輸出功率變化曲線

圖5 加速過(guò)程磷酸鐵鋰電池輸出功率變化曲線

加速性能仿真結(jié)果表明，鋰離子電池低溫下的放電功率較常溫有衰減，是導(dǎo)致整車低溫加速性能變差的主要原因。

比較0-100km/h加速時(shí)間，裝配三元材料電池的電動(dòng)汽車低溫加速性能較常溫衰減35%，而裝配磷酸鐵鋰材料電池的電動(dòng)汽車低溫放電功率較常溫衰減過(guò)大，導(dǎo)致整車在低溫環(huán)境下的最高車速僅達(dá)到80km/h，低溫性能受到很大影響。

對(duì)比分析0-80km/h的時(shí)間，裝配三元材料電池的電動(dòng)汽車低溫加速性能較常溫衰減32%，而裝配磷酸鐵鋰材料電池的電動(dòng)汽車低溫加速性能較常溫衰減61%。

通過(guò)上述對(duì)比分析，可發(fā)現(xiàn)三元材料電池的低溫放電功率衰減率要明顯小于磷酸鐵鋰電池，相應(yīng)的，裝配三元材料電池的電動(dòng)汽車低溫加速性能明顯優(yōu)于裝配磷酸鐵鋰電池的電動(dòng)汽車。

4 結(jié)論

作為電動(dòng)汽車唯一的動(dòng)力源，動(dòng)力電池的放電特性直接影響整車的性能。通過(guò)動(dòng)力電池不同環(huán)境溫度下的放電功率特性對(duì)比，三元材料電池的功率衰減要低于磷酸鐵鋰電池。由整車性能仿真結(jié)果可看出，電池功率衰減帶來(lái)的直接影響是整車低溫加速性能降低。由于磷酸鐵鋰電池的功率衰減較嚴(yán)重，導(dǎo)致裝配磷酸鐵鋰電池的電動(dòng)汽車低溫加速性能較三元電池相差較大，在低溫低電量條件下，甚至無(wú)法達(dá)到最高車速。用三元材料電池代替磷酸鐵鋰電池，作為解決高寒地區(qū)電動(dòng)汽車低溫加速性能不足的重要措施，具有一定的可行性和適用性。

[1] 夏順禮,秦李偉,趙久志等.某純電動(dòng)車電池可靠性性能分析[J].汽車工程學(xué)報(bào),2011,1（3）:215-220.

[2] 夏順禮,秦李偉,趙久志等.某純電動(dòng)車型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證[J].汽車工程學(xué)報(bào),2011,1（2）:140-146.

[3] 丁楚雄.鋰離子電池三元正極與鈦酸鋰負(fù)極材料的濕化學(xué)法制備及表征.中國(guó)科技大學(xué)博士學(xué)位論文.2012.

[4] 吳春玲.儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)力特性對(duì)電動(dòng)汽車性能影響的仿真研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

[5] 王洪偉,杜春麗,王常波.鋰離子電池的低溫性能研究[J].電池,2009,（4）:208-210.

Research on Low Temperature Performance of Lithium Battery EV

Zhang Huanhuan, Gong Shanshan
( New Energy Vehicle Academy, Technical Center, Anhui Jianghuai Automobile CO., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Acceleration performance of electric vehicle are closely related to discharging characteristics of power batteries and also closely related to the ambient temperature. Based on the discharging power characteristics at different temperatures of NCM lithium battery and LFP lithium battery, a vehicle simulation model by CRUISE software is built. The acceleration performance simulation results at different temperatures show that, the vehicle accelerate performance is influenced by the reduction of discharging power in low temperature, and the influence to NCM lithium battery is less than LFP lithium battery.

electric vehicle; low temperature; acceleration performance; discharging power

U469.72

A

1671-7988 (2017)21-119-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.040

CLC NO.: U469.72

A

1671-7988 (2017)21-119-04

張歡歡（1983-），女，研究生學(xué)歷，就職于江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。新能源汽車研究院院長(zhǎng)助理，負(fù)責(zé)整車系統(tǒng)集成業(yè)務(wù)及純電動(dòng)車平臺(tái)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。宮閃閃（1988-），男，研究生學(xué)歷，就職于江淮汽車集團(tuán)股份有限公司 技術(shù)中心 新能源汽車研究院系統(tǒng)集成部，負(fù)責(zé)整車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、駕駛性等開(kāi)發(fā)。試SOC 90%、70%、50%、30%、20%五個(gè)點(diǎn)的持續(xù)10s的放電功率值。