陳永勝 喬延濤 裴小娟 孟祥宇 周琪

（1. 中國(guó)第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長(zhǎng)春130013；2. 汽車振動(dòng)噪聲與安全控制綜合技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春130013）

主題詞：電動(dòng)汽車 低溫 動(dòng)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(shí)電動(dòng)汽車的使用，所以動(dòng)力電池低溫性能的研究和應(yīng)用成為動(dòng)力電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。結(jié)合電動(dòng)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目，對(duì)動(dòng)力電池的低溫性能、低溫應(yīng)用策略做了深入分析與試驗(yàn)驗(yàn)證。本文研究對(duì)象為插電式混合動(dòng)力汽車。在產(chǎn)品開發(fā)初期，由于動(dòng)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(dòng)力電池頻繁報(bào)故障。通過(guò)對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池低溫性能研究，經(jīng)過(guò)低溫環(huán)境艙驗(yàn)證，動(dòng)力電池?zé)o故障，達(dá)到了開發(fā)目標(biāo)。

2 動(dòng)力電池低溫特性、影響因素和使用要求

2.1 動(dòng)力電池低溫特性

在動(dòng)力電池產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中，對(duì)選用的單體進(jìn)行不同溫度下充/放電內(nèi)阻測(cè)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(shí)的放電電阻約為25 ℃時(shí)的12 倍，25 ℃時(shí)的充電電阻約為-25 ℃時(shí)的17倍。

圖2 單體不同溫度下SOC-充電內(nèi)阻

對(duì)電池系統(tǒng)充/放電功率臺(tái)架測(cè)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(shí)的放電功率約為25 ℃時(shí)的11%，-25 ℃時(shí)的充電功率約為25 ℃時(shí)的3%。通過(guò)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(jiàn)，動(dòng)力電池低溫特性極大影響電池系統(tǒng)性能，從而進(jìn)一步影響整車使用。

2.2 動(dòng)力電池低溫性能影響因素

影響鋰離子動(dòng)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(shí)鋰離子電池在放電時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)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L(zhǎng)iPF6，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(guò)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(shí)降低電池內(nèi)阻。

2.3 電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)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(dòng)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(zhǎng)春月平均最低溫度低于-15 ℃，極端氣溫會(huì)達(dá)到-25 ℃以下，因此，必須對(duì)動(dòng)力電池低溫性能進(jìn)行摸底，合理設(shè)計(jì)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(shí)，對(duì)于插電式混合動(dòng)力汽車，即使有發(fā)動(dòng)機(jī)，但到了電池在低溫時(shí)不能出現(xiàn)影響車輛正常行駛的安全故障。

3 動(dòng)力電池低溫性能應(yīng)用方案

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

(1)單體低溫安全電壓閾值設(shè)計(jì)。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(jì)。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(jì)。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(wú)法從根本上解決電池本體特性問(wèn)題，比如長(zhǎng)時(shí)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(kù)、充電設(shè)施等。

從電池材料層面來(lái)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(shí)不容易產(chǎn)Li枝晶，可以解決電池低溫充電時(shí)的安全問(wèn)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(dòng)力電池低溫性能臺(tái)架測(cè)試及結(jié)果分析

結(jié)合電動(dòng)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)品開發(fā)項(xiàng)目，對(duì)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(jì)方案，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)力電池單體安全電壓閾值設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

電池電壓閾值的設(shè)計(jì)原則是保證安全的前提下，將電池不同級(jí)別故障電壓閾值盡可能放寬。為了保證不同級(jí)別故障閾值設(shè)置的合理性，從單體層面驗(yàn)證電池允許的最高充電電壓和最低放電電壓。過(guò)充和過(guò)放試驗(yàn)方案分別舉例如下。

過(guò)充電測(cè)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(jìn)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(guò)程重復(fù)100次。之后將該單體拆解，通過(guò)肉眼即可看到析鋰嚴(yán)重，如圖5所示。

圖5 單體低溫過(guò)充電閾值測(cè)試結(jié)果

4.2 動(dòng)力電池系統(tǒng)低溫功率設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

電池系統(tǒng)功率值是通過(guò)單體功率值推算所得，存在部分值高出電池實(shí)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(guò)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(duì)電池進(jìn)行功率復(fù)驗(yàn)。測(cè)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(shí)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(dá)到截止電壓，說(shuō)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(shí)間為4.2 s，仍然低于10 s，繼續(xù)下降到6 kW，持續(xù)時(shí)間11.4 s，滿足整車需求。根據(jù)測(cè)試結(jié)果將該點(diǎn)的功率值由11 kW下調(diào)為6 kW。

整體測(cè)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(gè)進(jìn)行降低驗(yàn)證，保證所有功率值不超出電池實(shí)際能力。避免因?yàn)楣β试O(shè)置偏高，導(dǎo)致電池低溫應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)充電或過(guò)放電故障，影響整車正常運(yùn)行。

4.3 電池SOC使用窗口設(shè)計(jì)

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(shí)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(dòng)力汽車為例，在-20 ℃環(huán)境溫度下，車輛起動(dòng)時(shí)對(duì)動(dòng)力電池的需求瞬時(shí)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(duì)應(yīng)電池功率Map中瞬時(shí)放電功率為14.4 kW。這樣，當(dāng)環(huán)境溫度為-20 ℃時(shí)，整車行車過(guò)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(dòng)車輛。

低溫環(huán)境通過(guò)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(jì)是電池安全性和整車經(jīng)濟(jì)性的平衡過(guò)程。提高SOC下限使用窗口會(huì)導(dǎo)致整車在低溫下發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)頻繁，增加整車油耗。這種設(shè)計(jì)思路是確保安全第一的設(shè)計(jì)原則，后續(xù)需要通過(guò)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(shí)車驗(yàn)證

通過(guò)以上設(shè)計(jì)后，動(dòng)力電池搭載整車進(jìn)行環(huán)境倉(cāng)試驗(yàn)。選取-20 ℃進(jìn)行整車驗(yàn)證，試驗(yàn)前將后備箱打開寢車12 h，如圖6 為運(yùn)行WLTC（全球輕型車測(cè)試循環(huán)）工況下的電池SOC、最低溫度和電流。試驗(yàn)結(jié)果表明，低溫環(huán)境下電池系統(tǒng)安全可靠工作，未報(bào)故障。

圖6 環(huán)境溫度-20 ℃搭載整車運(yùn)行WLTC工況

圖7為WLTC工況運(yùn)行過(guò)程中動(dòng)力電池單體最高電壓，如圖所示，整個(gè)過(guò)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(yùn)行過(guò)程中動(dòng)力電池單體最低電壓，如圖所示，整個(gè)過(guò)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(yùn)行過(guò)程中單體壓差，如圖所示最大壓差275 mV，低于低溫壓差報(bào)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(dòng)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(duì)其低溫性能摸底測(cè)試才能進(jìn)行最合理的應(yīng)用，從而更好的滿足整車使用需求。通過(guò)對(duì)動(dòng)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(yàn)驗(yàn)證，有效地保證了電池在安全的前提下得以充分應(yīng)用。