低温对纯电动汽车性能影响的仿真分析

解清波 储江伟 杨凌洁 李心月

摘 要：纯电动汽车的性能主要受动力电池的充放电特性和功率特性的影响，而低温条件下锂离子动力电池的充放电效率下降，功率特性变差制约了纯电动汽车的推广和发展。为了研究低温条件对纯电动汽车性能的影响，本文通过对锂离子动力电池在不同温度下进行的放电实验，研究低温对锂离子动力电池性能的影响，并结合实验数据，基于CRUISE软件选取纯电动汽车车型在低温时对电动汽车性能的影响，进行仿真分析。仿真结果表明，随着温度的降低，纯电动汽车的性能会有明显的下降。

关键词：低温;锂离子电池;纯电动汽车

中图分类号：U469.72    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2021）01-0073-07

Abstract：The performance of electric vehicles is mainly affected by the charge and discharge characteristics and power characteristics of the power batteries， while the charging and discharging efficiency of lithium-ion power batteries decreases and the power characteristics deteriorate under low temperature conditions， which restricts the promotion and development of electric vehicles. In order to study the impact of low temperature conditions on the performance of electric vehicles， this paper conducts the effect of low temperature on the performance of lithium-ion power battery was studied through discharge experiments at different temperatures， and the influence of low temperature on the performance of electric vehicles was simulated and analyzed based on the experimental data selected by CRUISE software. The simulation results show that as the temperature decreases， the performance of electric vehicles will decrease significantly.

Keywords： Low temperature; lithium-ion battery; electric vehicle

0 引言

新能源汽車迎合了当今时代节能与环保的主题，有着比较好的发展前景。纯电动汽车具有零排放、环境污染小、能源利用率高、噪声小、结构相比传统内燃机汽车更简单等优点，所以新能源汽车目前依然将以纯电动技术路线为主[1]。锂离子动力电池以其比功率高、能量密度大、寿命长、自放电率低、贮藏时间长和无污染等优点，成为纯电动汽车动力电池的主流选择[2-3]。但是锂离子电池的性能受环境温度影响比较显著[4-5]，尤其是在低温环境条件下，电池的可用容量和能量衰减严重[6-9]，降低汽车续航里程和动力性能。而且，长期在低温环境下使用会加速锂离子电池的老化，降低其使用寿命和使用安全性[10-11]。

本文通过对锂离子电池进行不同温度条件下的充放电实验，对比分析低温对锂离子动力电池性能的影响，基于实验数据和结果，运用CRUISE软件根据低温条件下锂离子动力电池性能参数的变化对纯电动汽车续航里程和整车动力性能的影响进行仿真分析。

1 锂离子电池充放电实验

1.1 实验设备及实验对象

本文选用18650型三元锂离子动力电池为实验对象，具体参数见表1。

此外，为了满足研究电池低温充放电特性的需求，放电测试开始之前在常温环境下（25 ℃）将电池充满电，使其SOC（State of Charge）达到100%。然后将电池在低温冰箱中静置4 h，以使电池温度达到设定温度，再进行相应的实验。低温冰箱的技术参数见表2。

电池充放电测试使用美国Arbin（BT2000）电池测试仪，其适用于基本的充放电循环测试、电池温度以及模拟电池实际工况等基本的性能测试。Arbin测量得到的电池电压、电流、容量、能量以及内阻等参数可以实时显示，并可以通过Excel存储和导出。图1为Arbin电池测试系统，其性能参数见表3。

1.2 实验方案

通过Arbin电池测试仪对采用的三元锂电池在常温（25 ℃ ）、低温（0、-10、-15、-20 ℃ ）和不同放电倍率（1、2、3 C）条件下进行恒流放电实验，研究三元锂电池在不同温度条件下的放电性能。电池测试系统组成如图2所示。

1.3 实验步骤

（1）首先将电池在常温条件下，依据锂电池产品使用说明书以标准的恒流恒压（CC-CV）方式进行充电，以0.5 C的电流进行恒流充电，当电压达到充电截止电压4.2 V以后转为4.2 V恒压充电，充电至截止电流51 mA停止充电。

（2）调节低温冰箱至所需的设定温度（0、-10、-15、-20 ℃），将充满电的电池置于低温冰箱内4 h，以使电池达到目标设定温度。

（3）将电池在各个温度下分别以1、2、3 C的放电倍率放电至截止电压2.5 V。

2 实验结果分析

将常温条件下的实验数据和低温条件（0、-10、-15、-20 ℃ ）下的实验数据进行对比分析，并绘制不同放电倍率条件下的放电容量与放电电压之间的关系曲线图，如图3—图5所示。

由图3—图5分析得知：电池在常温条件下具有良好的放电性能，随着温度的降低，电池的端电压也不断降低，电池也会越快地达到截止电压，结束放电。此外，随着温度的降低，放电倍率越大电池能放出的容量越少。这主要是因为随着温度的降低，电池电解液的离子导电率也随之降低，SEI（Solid Electrolyte Interface）膜电阻和电化学反应电阻也随着增大，从而导致低温下电池欧姆极化、电化学极化以及浓差极化均增大[12-14]，电池内阻的分压增大，电池平均放电电压和放电容量也就随温度的降低而降低。

由电池的放电曲线可知，同一温度下随着放电倍率的增大，电池的端电压随之降低，放电曲线也随之向下偏移。此外，在极低温度（-20 ℃）条件下进行放电时，电压曲线出现比较明显的波动，这是因为电池在低温条件下进行放电时，由于初始温度较低，电池的内部活性材料无法充分利用，电池内部极化严重，内阻增大，而随着放电的进行，在电池内部会产生大量热量使电池温度快速上升[15-16]，使电池内部材料活性得到激活，导致电池电压会有短暂的上升，放电电流越大，电池的温升越大，电压的波动会越明显。

3 基于CRUISE的纯电动汽车性能仿真分析

CRUISE软件是AVL公司研发的车辆仿真以及传动分析的仿真软件，主要用于动力参数匹配和汽车性能仿真，具有建模简单、车型数据库较全、可以进行可视化分析等优点，所以被广泛应用于整车性能仿真分析，能够为纯电动汽车的设计和开发提供技术保障[17]。

3.1 纯电动汽车仿真模型的建立

为了研究低温条件下动力电池参数的变化对纯电动汽车性能的影响，选取某车型的基本参数为基础建立整车模型，车型基本参数见表4。选取实验所得温度25、0、-20 ℃、3 C放电倍率条件下的电池的实验数据作为电池模块的参数输入，建立纯电动汽车仿真模型，如图6所示。以NEDC（New Eurpean Driving Cycle）工况（包括城市循环工况与市郊循环工况）、百公里加速时间和最大爬坡度作为计算任务进行整车动力性能仿真分析以及最大续航里程，分析不同温度条件下对纯电动汽车性能的影响。

3.2 仿真结果分析

在NEDC循环工况条件下，温度为25 ℃时，汽车的续航里程为277.98 km;0 ℃条件下，续航里程降为211.06 km，相比25 ℃ 时下降了24.07%;而-20 ℃条件下，汽车的续航里程降为166.46 km，相比25 ℃ 时下降了40.12%。可见，随着温度的降低，电池的可用容量所能输出的能量值也随之不断降低。在低温条件下电池内阻增大，一部分能量都转化为热量，电池所能输出的能量减少，使得汽车续航里程的减少。

图7—图9分别为25、0、-20 ℃条件下，汽车在NEDC循环工况下运行到动力电池SOC降低到5%的电池SOC、电压、电流以及时间的关系曲线图。

由图7—图9可得，随着温度的降低，电池的初始电压和SOC均随温度的降低而降低。低温大倍率放电时动力电池输出电压的降低会影响动力电池的功率输出，具体会影响整车的加速性能和爬坡性能。3种温度条件下整车动力性能变化见表5。

由仿真结果可知随着温度的降低，电动汽车的动力性能也随之降低，百公里加速时间明显增加，爬坡性能减弱。

4 结论

本文在常温、0、-10、-15、-20 ℃温度条件下对三元锂离子动力电池进行了放电实验，结果表明随着温度的降低电池放电性能随之变差，电池内阻增大，放电电压和放电容量显著降低。基于25、0、-20 ℃条件下的实验数据运用CRUISE软件对纯电动汽车的性能进行仿真分析，结果表明随着温度的降低，电动车的续航里程会明显地降低，百公里加速时間变长，爬坡性能变差。在实际的应用中，低温环境下应该采用适当的电池加热系统对电池进行加热以提高电池的性能。

【参 考 文 献】

[1]张琦，朱恒伟.纯电动汽车的关键技术发展综述[J].汽车实用技术，2019，45（23）：23-24.

ZHANG Q， ZHU H W. Overview of key technologies development of electric vehicles[J]. Automobile Applied Technology， 2019， 45（23）： 23-24.

[2]雷治国，张承宁，李军求，等.电动车用锂离子电池低温性能研究[J].汽车工程，2013，35（10）：927-933.

LEI Z G， ZHANG C N， LI J Q， et al. A study on the low-temperature performance of lithium-ion battery for electric vehicles[J]. Automotive Engineering， 2013， 35（10）： 927-933.

[3]陈小丹，岳明玥，马改，等.混合动力汽车用锂离子动力电池技术进展[J].电源技术，2016，40（9）：1884-1887.

CHEN X D， YUE M Y， MA G， et al. Technical development of Li-ion power battery for hybrid vehicle[J]. Chinese Journal of Power Sources， 2016， 40（9）： 1884-1887.

[4] JAGUEMONT J， BOULON L， DUB Y. A comprehensive review of lithium-ion batteries used in hybrid and electric vehicles at cold temperatures[J]. Applied Energy， 2016， 164： 99-114.

[5]JI Y， ZHANG Y C， WANG C Y. Li-ion cell operation at low temperatures[J]. Journal of the Electrochemical Society， 2013， 160（4）： A636-A649.

[6]SENYSHYN A， MHLBAUER M J， DOLOTKO O， et al. Low-temperature performance of Li-ion batteries： The behavior of lithiated graphite[J]. Journal of Power Sources， 2015， 282： 235-240.

[7]PETZL M， KASPER M， DANZER M A. Lithium plating in a commercial lithium-ion battery - A low-temperature aging study[J]. Journal of Power Sources， 2015， 275： 799-807.

[8]鱼乐，戴海峰，李丽珍.锂离子电池低温充电容量衰减规律分析[J].电池，2020，50（2）：136-140.

YU （L|Y）， DAI H F， LI L Z. Exploration of charge capacity degradation law of Li-ion battery at low temperature[J]. Battery Bimonthly， 2020， 50（2）： 136-140.

[9]雷治国，张承宁，雷学国，等.电传动车辆用锂离子电池组低温加热方法研究[J].电源学报，2016，14（1）：102-108.

LEI Z G， ZHANG C N， LEI X G， et al. Study on heating method of lithium-ion battery used in electric vehicle[J]. Journal of Power Supply， 2016， 14（1）： 102-108.

[10]徐智慧，阮海军，姜久春，等.温度自适应的锂离子电池低温自加热方法[J].电源技术，2019，43（12）：1989-1992.

XU Z H， RUAN H J， JIANG J C， et al. Temperature-adaptive internal heating strategy for lithium ion battery at low temperature[J]. Chinese Journal of Power Sources， 2019， 43（12）： 1989-1992.

[11]顾月茹，赵卫民，苏长虎，等.锂离子电池低温性能改善研究进展[J].电化学，2018，24（5）：488-496.

GU Y R， ZHAO W M， SU C H， et al. Research on improvement of low temperature performance of lithium ion battery[J]. Journal of Electrochemistry， 2018， 24（5）：488-496.

[12]朱建功，孫泽昌，魏学哲，等.车用锂离子电池低温特性与加热方法研究进展[J].汽车工程，2019，41（5）：571-581.

ZHU J G， SUN Z C， WEI X Z， et al. Research progress on low-temperature characteristics and heating techniques of vehicle lithium-ion battery[J]. Automotive Engineering， 2019， 41（5）： 571-581.

[13]YANG X G， WANG C Y. Understanding the trilemma of fast charging， energy density and cycle life of lithium-ion batteries[J]. Journal of Power Sources， 2018， 402： 489-498.

[14]鲍恺婧，蔡亚果，朴贤卿.低温锂离子电池的研究进展[J].电池，2019，49（5）：435-439.

BAO K J， CAI Y G， PIAO X Q. Research progress in low temperature Li-ion battery[J]. Battery Bimonthly， 2019， 49（5）： 435-439.

[15]WANG C Y， ZHANG G S， GE S H， et al. Lithium-ion battery structure that self-heats at low temperatures[J]. Nature， 2016， 529（7587）： 515-518.

[16]黄德扬，陈自强，周诗尧，等.极寒环境下动力锂离子电池特性[J].上海交通大学学报，2019，53（9）：1051-1057.

HUANG D Y， CHEN Z Q， ZHOU S Y， et al. Characteristics of power lithium-ion batteries at extreme cold environment[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University， 2019， 53（9）： 1051-1057.

[17]申彩英.串联混合动力汽车能量优化管理策略研究[D].天津：天津大学，2010.

SHEN C Y. Study on energy optimal management for series hybrid electric vehicles[D]. Tianjin： Tianjin University， 2010.