周知義

（微宏動力系統(tǒng)（湖州）有限公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

隨著全球能源緊缺、環(huán)境污染、氣候變暖等問題日趨嚴重，環(huán)境保護和清潔能源越來越受到各國政府及人民的關注，各行各業(yè)也越來越重視新能源的發(fā)展。目前，我國各地區(qū)都在大力發(fā)展新能源領域，特別是新能源汽車行業(yè)的發(fā)展尤為迅速。在這些領域中，動力電池 PACK 技術是不可或缺的，隨之潛在的一些問題也開始顯現(xiàn)。比如：電動汽車在低溫環(huán)境下運行時，動力電池與電機等主要部件性能出現(xiàn)的動力故障[1]。

在電動汽車的推廣過程中，續(xù)航里程、充電時間和使用安全性主要受動力電池特性的制約[2]。動力鋰離子電池的特性受環(huán)境溫度的影響比較顯著。尤其是在低溫環(huán)境中，動力電池的可用能量和功率衰減比較嚴重。而且，長期低溫環(huán)境下使用會加速動力電池的老化，縮短使用壽命。在 -10 ℃ 時，常用的電動汽車動力鋰離子電池的容量和工作電壓會明顯降低。溫度下降到 -20 ℃ 時，情況就更加惡化，主要表現(xiàn)為：電池的可用能量急劇下降，僅能保持常溫下比容量的 30 %～40 %[3]；續(xù)航里程嚴重縮短。除此之外，低溫環(huán)境下，蓄電池的安全性也大大降低，電池充電也比較困難，而且充電時負極表面容易堆積形成金屬鋰。鋰枝晶的產(chǎn)生會刺穿電池正極板與負極板之間的隔離膜，造成電池內(nèi)部短路，不僅對電池造成永久的損傷，還會誘發(fā)電池熱失控，導致電池的使用安全性大大降低。

1 溫度對電池性能影響機理分析

在眾多環(huán)境因素中，溫度對動力電池性能的影響最大。制約動力電池低溫性能的因素主要是，在低溫環(huán)境下，電解液粘度增大。動力電池中使用的電解質(zhì)是一種有機液體，與潤滑脂相同，在低溫下會發(fā)生粘稠甚至部分固化，電解液的離子導通率會降低，導致電池的電導率下降。鋰離子從正極脫嵌及嵌入負極的阻抗會大幅新增，且嵌入負極阻抗的新增幅度更大，從而引發(fā)析鋰。析出的金屬鋰與電解液發(fā)生反應，其產(chǎn)物沉積導致固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）厚度增加。隨著電池中導電鋰鹽等活性物質(zhì)擴散體系的減弱，電荷轉移阻抗（簡稱 RCT）明顯增大[4]，從而導致鋰電池充放電效率很低，蓄電池在低溫下充電緩慢，充放電電量不足。

蓄電池在低溫環(huán)境中的應用受到限制。除了放電能力嚴重下降外，蓄電池在低溫下也難以充電。在低溫充電過程中，鋰離子在石墨電極上的插層與鋰離子在石墨電極上的鍍鋰反應是同時進行的，并且是相互競爭的[5]。低溫時，鋰離子在石墨中的擴散受到抑制，且電解液的電導率降低，導致包埋率降低，使得石墨表面發(fā)生鍍鋰反應更容易。低溫下蓄電池壽命下降的重要原因是內(nèi)部阻抗的增大和鋰離子沉淀引起的容量下降。低溫下，蓄電池的性能嚴重退化，在蓄電池的充放電過程中會發(fā)生一些副反應。這些副反應重要是鋰離子與電解質(zhì)之間的不可逆反應，會導致蓄電池容量下降，電池性能進一步惡化[6]。

2 研究測試用車輛配置信息

在研究要用的車輛為 12 m 純電動公交汽車。關于該車配置的動力電池，標稱電壓為 543 V，標稱容量為 216 Ah，標稱電量為 119 kWh。

3 不同溫度下電池容量變化分析

蓄電池組在不同溫度下的容量差異主要體現(xiàn)在溫度降低時，在同樣的充電截至條件下的可充入容量有不同程度的下降。對比早上低溫時和車輛運營1 d 后，常溫狀態(tài)下充電時充入電量，以分析不同溫度對電池容量的影響。外部環(huán)境溫度在 -15～-10 ℃時，早上第 1 次充電時電池箱內(nèi)部電池組的平均溫度約在 3.7 ℃，充完電后電池組中單體的平均開路電壓（OCV）約在 3.93 V。通過 SOC 與 OCV 的關系曲線可知，該溫度下電池組 SOC 約為 83 %，相應電池總電量為 99.7 kWh（標稱狀態(tài)下總電量為 119 kWh）。運營 1 d 后，電池組的平均溫度上升至 15.3 ℃，充完電的平均開路電壓約在 3.99 V，對應電池組的 SOC 約為 93 %，相應地電池總電量為 111 kWh。通過對比測試數(shù)據(jù)可知，當電池箱內(nèi)部電池組溫度在 0 ℃ 左右時，其可充入電量比在15 ℃ 時減少了 10 %，比在常溫 25 ℃ 時減少了 17 %。由此可見，蓄電池組的可用容量是隨著溫度的降低而減少，隨著溫度的回升而增加。

4 蓄電池內(nèi)阻變化分析

對比分析不同溫度下電池組運營時的電流、電壓變化情況，初步測算動力電池在不同溫度下的直流內(nèi)阻，得到如圖1 所示結果。由圖1 可知，隨著溫度的降低，蓄電池的內(nèi)阻升高，與蓄電池本身初始內(nèi)阻隨溫度變化的趨勢相同，且數(shù)值相差不大。當電池箱內(nèi)電池組的溫度在 -6 ℃ 時，充電直流內(nèi)阻為 73.4 mΩ，放電直流內(nèi)阻為 51.13 mΩ。當電池箱內(nèi)電池組溫度在 0 ℃ 時，充電直流內(nèi)阻為 34.69 mΩ，放電直流內(nèi)阻為 24.06 mΩ。當電池箱內(nèi)電池組溫度在 6 ℃ 時，充電直流內(nèi)阻為11.67 mΩ，放電直流內(nèi)阻為 10.49 mΩ。總體而言，由于純電動汽車用蓄電池并聯(lián)數(shù)量較大，經(jīng)過并聯(lián)后其總的直流內(nèi)阻較小，對蓄電池組充放電影響不大。蓄電池組的內(nèi)阻隨溫度升高而降低，反之電池溫度降低時，電池的內(nèi)阻逐漸增大，也就是電池內(nèi)阻與溫度基本呈線性變化關系。

圖1 不同溫度下的蓄電池組直流內(nèi)阻

5 蓄電池溫升情況分析

5.1 起車前與運行 1 圈后的電池溫度變化

對比以下車輛早上起車前電池組最高、最低溫度和運營 1 圈后電池組最高、最低溫度，以分析車輛運營后放電過程對電池組溫度的影響：

（1）對于編號為 00001 的車輛，外部環(huán)境溫度最低為 -14 ℃ 時，電池組放置一晚上后，電池箱內(nèi)部最低溫度約為 -1 ℃。車輛運營 1 圈用時 131 min，運行里程約 30 km。車輛運行前，電池組中最低單體電壓為 3.72 V，運行后最低單體電壓為 3.12 V。運行前電池的 SOC 為 98 %，運行后 SOC 為 53 %。運行后電池最低溫度從 -1 ℃ 上升至 5 ℃，溫升為 6 ℃。

（2）對于編號為 00002 的車輛，外部環(huán)境溫度最低 -14 ℃ 時，電池組放置一晚上后，電池箱內(nèi)部最低溫度約為 -1 ℃。車輛運營 1 圈用時 144 min，運行里程約 45 km。車輛運行前最低單體電壓 3.89 V，運行后最低單體電壓 3.33 V。運行前電池的 SOC為 100 %，運行后 SOC 為 52 %。運行后電池的最低溫度從 -1 ℃ 上升至 4 ℃，溫升為 5 ℃。

（3）對于編號為 00003 的車輛，外部環(huán)境溫度最低為 -4 ℃ 時，電池組放置一晚上后，電池箱內(nèi)部最低溫度約為 0 ℃。車輛運營 1 圈用時 192 min，運行里程約 61 km。車輛運行前，電池組中最低單體電壓為 3.66 V，運行后最低單體電壓為 2.96 V。運行前電池的 SOC 為 98 %，運行后 SOC 為 39 %。運行后電池最低溫度從 0 ℃ 上升至 6 ℃，溫升為 6 ℃。

（4）對于編號為 00004 的車輛，外部環(huán)境溫度最低為 -17 ℃ 時，電池組放置一晚上后，電池箱內(nèi)部最低溫度約為 -7 ℃。車輛運營 1 圈用時 123 min，運行里程約 29 km。車輛運行前，電池組中最低單體電壓為 3.85 V，運行后最低單體電壓為 2.94 V。運行前電池的 SOC 為 100 %，運行后 SOC 為 45 %。運行后電池最低溫度從 -7 ℃ 上升至 -1 ℃，溫升為 6 ℃。

從上述數(shù)據(jù)可知，蓄電池組運營 1 d，再靜置一晚后，電池組最低溫度約高于環(huán)境溫度 10 ℃ 左右，運營 1 圈后電池組溫度上升約為 6 ℃。

5.2 同一輛車一整天運營電池溫度變化

隨機采集車輛運營 1 d 過程中蓄電池溫度不同時段變化情況進行分析（參見圖2）。外部環(huán)境溫度為 -4～1 ℃ 時，早上 8 點左右起車時，電池箱內(nèi)部蓄電池組最高溫度約為 20 ℃，最低溫度為 4 ℃。在車輛運營初始階段，由于電池放電，電池箱內(nèi)部溫度傳感器探測到最低溫度上升較快。車輛運營至中午時段，蓄電池溫度上升不再明顯。下午電池最高溫度基本維持在 28～30 ℃，最低溫度維持在 12～14 ℃，基本達到熱平衡狀態(tài)。由此可見，前期溫度較低時由于內(nèi)阻較大，電池產(chǎn)生的熱量較大，蓄電池溫升較快。后期蓄電池內(nèi)阻下降，產(chǎn)生的熱量隨之減少。另外，電池產(chǎn)生的熱量與外部環(huán)境消耗的熱量相互作用，使蓄電池整體溫度基本平衡。

圖2 汽車白天運營時電池組溫度變化曲線

5.3 不同車輛充電過程中的電池溫度變化

分析不同車輛進行快速充電時電池的溫度變化情況。由表1 可知，由于電池的剩余電量和電池箱內(nèi)部電池組的溫度的不同，電池充電時間也有所不同，基本維持在 9～15 min 之間。快速充電過程中受蓄電池內(nèi)阻的影響，電池溫度呈上升趨勢，且在低溫時上升較多，一般上升 4～5 ℃。溫度超過 20 ℃時，充電溫升趨于緩和。

表1 不同車輛充電過程溫度升高情況

6 蓄電池能耗情況分析

分析車輛能耗與溫度之間的關系。車輛晚上運行時電池組最低平均溫度在 10～13 ℃，車輛能耗平均值為 1.55 kWh/km。車輛早上運行時電池組最低平均溫度在 -5～2.2 ℃，車輛能耗平均值為2.06 kWh/km。早上運營時車輛能耗比下午運營時高出 33 % 左右。

7 總結及建議

從上述分析可知：

1) 蓄電池組隨著溫度的降低，大電流充電時可充入電量下降，將導致蓄電池可用容量下降。

2) 蓄電池內(nèi)阻隨著溫度的降低呈上升趨勢，但由于其總內(nèi)阻相對較低，對車輛運營影響不大。

3) 蓄電池組靜置 1 晚后其最低溫度約高于環(huán)境溫度 10 ℃ 左右，運營 1 圈后其溫度上升約為 6 ℃左右?？焖俪潆?1 次后蓄電池組溫度可上升約 4～5 ℃。蓄電池組運營約 4～5 h 后溫度基本達到平衡，最高溫度約為 25～30 ℃，最低溫度約為 15～20 ℃，溫差約在 10 ℃ 左右。

4) 在運營過程中低溫時整車能耗偏高，導致

綜上所述，車輛在低溫時運營里程下降主要是由可充入電量下降和整車能耗增加導致的。因此，提出以下建議：① 優(yōu)化充電方案。低溫時增加小電流充電步驟，以便充入更多電量，增加蓄電池組可用容量。② 增加電池低溫加熱措施。在低溫情況下，先對電池進行預加熱，然后進行充電，增加實際充入電量，從而提高續(xù)航里程。③ 低溫時減少使用 PTC 制熱空調(diào)，減少電耗，增加續(xù)航里程。