动力电池低温环境下对车辆性能的影响分析

刘 广， 吴振磊， 杨河清

（南京依维柯汽车有限公司， 江苏 南京 211806）

为解决传统汽车排放污染及能源消耗等问题，纯电动汽车作为重要的发展方向之一发挥着举足轻重的作用。其中，动力电池的性能关乎着整车性能的高低。磷酸铁锂电池凭借着安全性高、循环寿命长、能量密度高等优点广泛应用于纯电动汽车的研究中［1］。然而，相比于常温环境，磷酸铁锂电池在低温条件下放电性能显著变差［2］。

低温性能是动力电池关键性能指标之一［3］。动力电池在低温环境中的表现是评价整车动力性能的关键一环。本文选取某款搭载磷酸铁锂动力电池的纯电动汽车作为研究对象，设计了低温放电容量试验以及低温动态电压测试，将其结果与室温下的测试数据作对比，分析动力电池在低温环境中的放电性能以及对整车性能的影响。

1 试验准备

为保证动力电池的低温环境要求，将试验安排在冬季的呼伦贝尔市海拉尔地区进行，当地环境温度平均为-25℃。试验过程中，整车与动力电池系统部分参数如表1所示。

表1 整车与动力电池系统部分参数

本文采取两个试验验证动力电池低温环境下对车辆性能的影响，设计了蓄电池模块低温放电容量试验，对比室温放电容量曲线，验证动力电池低温下的放电能力；设计了低温环境电池动态电压测试，验证低温环境下动力电池的最大允许电流的动态变化，探究其对车辆行驶性能的影响。

2 试验方案

2.1 蓄电池模块低温放电容量试验

此试验采用3组蓄电池模块 （1#、2#、3#）进行试验，每组内含5个单体蓄电池，其主要参数与外形如表2、图1所示。

图1 蓄电池单体模块

表2 蓄电池模块主要参数

根据GB/T 31484-2015标准要求［4］，结合本次试验项目，设计如下试验方案。

1）蓄电池模块充满电。

2）蓄电池模块在-20℃环境下放置24h，达到环境温度。

3）蓄电池模块在-20℃环境下，1C放电至任一单体蓄电池电压达到放电终止电压。

4）计算放电容量。

对两组蓄电池模块分别进行低温放电容量试验测算。标准规定，试验结束时蓄电池模块的放电容量应不低于初始容量的70%。

将两组电池模块的低温放电容量曲线与常温状态下的模块放电曲线进行对比，探究低温环境对电池模块放电性能的影响。

2.2 低温环境电池动态电压测试方案

1）动力电池充满电，放置在-20℃低温环境中12h，使电池温度与环境温度一致。

2）启动车辆，加速踏板满行程，行驶至20%SOC。

3）根据数据绘制SOC-电池总电压曲线，曲线中包含SOC、电池电压、电池最大允许放电电流以及电池最低温度等参数。

测试完成后，将低温动态电压曲线与室温动态电压曲线进行对比分析，比较两种环境温度下电池的放电能力。

3 试验结果分析

3.1 低温对蓄电池容量的影响

试验中，分别对两组额定容量为271Ah的蓄电池模块（1#、2#）进行低温放电容量试验，放电至截止电压10.5V（低温放电终止电压≥室温放电终止电压的80%）时终止试验。-20℃的低温放电容量如图2所示。图2中3#曲线为室温下电池模块的放电容量的测试曲线，放电截止电压为12.5V。

图2 -20℃蓄电池模块低温放电容量试验曲线

从图2中可以看出，1#、2#两组蓄电池模块的低温放电容量曲线基本一致。放电初始电压为17.2V，在放电过程中的电压曲线可以分为3段：电池放电初期，由于极化作用电压快速下降至14V，电压下降阶段的持续时间长于3#电池模块；电池放电中期，进入平台区，此期间，电池电压变化缓慢，维持在15V左右；电池放电末期，电池电压开始快速下降至放电截止电压10.5V。3#曲线为室温下的放电容量曲线，其初始放电电压为17.1V，容量曲线同样分为3段：放电初期，电压快速下降至16.3V；放电中期，电压变化稳定，维持在16V左右；放电末期，电池电压快速下降至截止电压12.5V。

结合数据，不难发现低温环境对动力电池的放电性能存在着以下影响：①放电初期电压下降幅度大，时间长；②电池放电中期的稳定电压低于常温下电池放电的稳定电压；③低温放电容量低于常温电池的放电容量。3组蓄电池模块累计的放电容量分别为263.41Ah、264.33Ah、278.55Ah，1#、2#电池模块占各自模块初始容量的95.6%、95.1%。数据表明试验车辆搭载的动力电池符合低温放电容量测试标准，可以较好地发挥低温性能。3#电池的放电容量为额定容量的102.79%，符合室温放电容量的标准要求。

3.2 低温环境电池动态电压曲线分析

图3、图4分别为-20℃和20℃环境温度下动力电池动态电压的变化曲线，图中可以清晰看出动力电池电压和最大允许放电电流随动力电池SOC和温度的变化情况。

图3 -20℃动力电池动态电压曲线

图4 20℃动力电池动态电压曲线

如图3所示，试验中动力电池的初始温度为-20℃，初始电压为340V，初始最大允许放电电流为135.5A，SOC从100%行驶至25%。在电池放电初期电压由于电池极化现象快速下降，最低下降到292.7V，之后电池由于温度逐渐上升，电压升高稳定在328V左右，电池电压低状态共持续了17min。同时，放电初期由于电池温度为-20℃，电池的最大允许放电电流仅为135.5A，随着极化带来的电压下降，允许电流维持在96A左右，而后随着电池温度的升高，最大允许电流逐渐增大，在电池加热到0℃时，电池允许放电达到100%。最后，随着电池电量下降到30%以下，允许放电电流逐渐降低，当SOC=24%时，允许放电电流降低到310A。

如图4所示，室温下的动力电池动态电压曲线较为平稳。动力电池初始温度为20℃，初始电压为344V，初始最大允许放电电流为400A。动力电池放电初期，由于极化作用电压快速下降到327.3V，之后电压升高一直稳定在332.5V左右，电池电压低状态共持续了30s。从图中可以看出，常温下动力电池的最大允许放电电流一直保持在400A，试验过程中未受到限制。

对比低温和常温下的动力电池动态电压曲线，可以看出低温下动力电池对车辆行驶性能有着一定的影响。首先，电池放电初期，电压下降幅度大，下降时间长。低温状态下动力电池电压回稳缓慢，且稳定电压略低于常温下电池放电的稳定电压。其次，低温状态下的动力电池会限制最大放电电流。从图3中可以看出，行驶初期，允许电流限制在96A，仅为满放电电流的24%，因此会造成车辆起步加速无力，甚至会发生动力电池放电过流三级故障，进而导致车辆下高压，引发交通事故。在电池加热到0℃且SOC不低于30%时，电池允许放电电流达到400A，可以满放电。低温试验中，电池从-20℃加热到0℃需要30min。

4 结论

本文以某款搭载磷酸铁锂动力电池的纯电动汽车作为研究对象，设计了低温放电容量试验以及低温动态电压测试，将其结果与室温下的测试数据做对比分析，得出以下结论。

1）电池低温环境动态电压变化曲线与低温放电容量测试曲线相符。

2）低温环境下，磷酸铁锂电池的放电性能明显变差，放电电压明显降低，放电容量显著减小。

3）低温环境下，动力电池会限制最大允许放电电流，影响车辆行驶，甚至引发严重的交通事故。

4）动力电池的允许放电电流值与电池温度、剩余电量、电池系统总电压密切相关。

5 改进措施

针对本文试验中存在的问题以及结论反映的情况，提出几项改进措施，减小动力电池低温表现不佳引起的整车性能下降问题。

1）低温环境中，车辆在行驶前先对动力电池进行预热，待电池最大允许放电电流解除限制后再行驶以保证车辆的动力性能。

2）增大动力电池系统的加热功率，提高电池系统的加热速度。

3）根据动力电池限制策略优化整车控制策略：根据电池当前温度及剩余电量，计算出电池当前允许放电电流，进而决定车辆的使用状态。