低温对纯电动汽车续驶里程的影响分析

陈德兵，叶 磊，杨 杰

（重庆车辆检测研究院 国家客车质量监督检验中心，重庆 401122）

近几年来，我国电动汽车技术取得了重大成就，但是动力电池及其成组应用技术仍然是电动汽车发展的技术瓶颈[1]。纯电动汽车的续驶里程一直是人们关注的首要问题，而续驶里程的长短主要取决于动力电池的充放电特性的优劣。在低温条件下（-20℃以下），动力电池的充放特性一般都不理想。资料显示，相比25℃的常温环境，锂电池在0℃容量保持率为60%～70%，-10℃时为40%～55%，-20℃时仅有20%～40%[2]。为了推动新能源汽车的技术进步和产业化发展，财政部联合科技部已在全国25个城市开展新能源汽车示范推广试点工作。这25个城市，北到长春，南至海口，气温差异很大，尤其在北方地区，冬天最低气温达到-40℃左右。如何使纯电动汽车在低温条件下实现较长的续驶里程，具有重要的现实意义。本文以重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心的实车试验数据为基础进行论述。

1 动力电池的温度充放电特性

动力电池在不同温度下的充放电特性相差很大。对于常用的锂离子电池，其正常工作温度一般为0～60℃。在更低的温度下，如-40℃的环境下，其单体电池的放电容量只有室温（20℃）的12%左右，这主要是由于在低温环境中，电池内部的化学反应产生的电流的速度比室温条件下慢很多[3]。当这种化学反应变得极为缓慢时，电池就没电了，这也是电池容量随温度下降的主要原因之一[2]。

为了研究动力电池在不同温度下的充放电特性，国家客车质量监督检验中心按照我国标准QC/T 743-2006《电动汽车用锂离子蓄电池》[4]的规定，对某一单体容量11.6 Ah、电压3.2 V的锂离子电池分别在室温、0℃、-10℃和-20℃四种环境条件下进行充放电容量测试，充放电电流均为1/3倍容量，其数值为3.9 A，充电起始电压和放电截止电压为2.0 V，得出其充放电曲线（见图1和图 2）。

图1给出的该锂离子电池在不同温度下的充电特性曲线，锂离子电池在0℃、-10℃、-20℃的环境温度下，电池的充电容量依次为11.2 Ah、10.8 Ah和8.6 Ah，分别相当于室温充电容量（11.6 Ah）的96.6%、93.1%和74.1%；电池的充电平台电压（充电曲线的积分面积/充电容量）逐渐上升，依次为3.01 V、3.12 V和3.25 V，分别相当于室温充电平台电压（2.95 V）的1.02%、1.06%和1.10%。从充电特性曲线上也可以得到，随着环境温度的下降，电池的恒流充电容量逐渐降低，尤其当温度低于-20℃时，电池的恒流充电容量下降较快，主要原因是随着温度降低，电池的整体内阻增大造成欧姆极化增大，电化学极化增大和浓差极化提前,使充电电压很快达到充电上限电压,充电方式很快由恒流充电转化为恒压充电[5]。

从图2中可以看出，在0℃、-10℃、-20℃时，锂离子电池的放电容量依次为11.4 Ah、10.8 Ah和9.0 Ah，分别相当于室温放电容量（11.6 Ah）的98.3%、93.1%和77.6%；放电平台电压（放电曲线的积分面积/放电容量）依次为2.76 V、2.65 V和2.33 V，分别相当于室温放电平台电压（2.92 V）的94.5%、90.8%和79.8%。从上述数据可知，随着温度的降低，锂离子电池的放电容量和放电平台电压都有所下降，尤其当温度低于-20℃时,电池的放电容量下降较快。这是因为随着温度的降低，电解液的离子电导率随之降低，电极材料活性降低，导致低温下欧姆极化、浓差极化和电化学极化均增大。在电池的放电曲线上表现为放电容量随着温度降低而降低[6]。

2 续驶里程的数学模型

纯电动汽车的续驶里程是整车性能指标中最重要的一项指标，也是目前决定着纯电动汽车能否被市场所接受和被广泛应用的最主要因素[6]。对于纯电动汽车，动力电池的输出功率和汽车行驶状态密切相关，即电池组的输出功率必须满足汽车行驶过程中的需求功率。根据汽车理论[7]，车辆功率平衡方程为

式中：Pe为车辆工况行驶的功率需求，kW；η为电机输出至驱动轮的机械传动装置的总效率；m为汽车总质量，kg；g为重力加速度，取 9.8 m/s2；f为滚动阻力系数；a为汽车在坡度上行驶的坡度角；CD为空气阻力系数；A为车辆迎风面积，m3；va为车速，km/h；δ为旋转质量换算系数；d v/d t为行驶加速度。

以M3类纯电动城市客车为例，根据我国标准GB/T 18386-2005《电动汽车 能量消耗率和续驶里程 试验方法》规定[8]，M3类汽车在水平路面上以40 km/h的速度进行等速法测试，根据试验道路和试验工况的要求，公式（1）简化为

另外，在不考虑动力电池充放电效率的情况下，汽车在水平良好路面上进行等速法测试的续驶里程的等效计算模型，笔者定义：

式中：D为续驶里程，km；Vbatt为电池组的总电压，V；Cbatt为电池组的总容量，Ah；SOCL为电池组低压报警时的荷电状态。

动力电池的充放电特性容易受到环境温度的影响，在不同温度条件下其充放电容量和充放电平台电压都有明显变化，在忽略单体电池之间一致性的前提下，认为单体电池经过各种组合方式组合成动力电池包之后，其充放电特性基本不发生变化，因此，可以得到纯电动汽车在不同温度下的续驶里程的等效计算模型：

式中：DT为不同温度下的续驶里程，km为放电平台电压变化系数为充电平台电压变化系数为放电容量变化系数为充电容量变化系数。

3 实例对比分析

重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心对某款6100型纯电动汽车依据文献[9]分别在交通部公路汽车试验场进行室温（试验时间：2011.4.9-11,气温18°C左右）和黑龙江省漠河县进行低温（试验时间：2011.4.3-5,气温-18.5°C左右）条件下的续驶里程试验。样车主要技术参数见表1。

表1 某6100型纯电动城市客车主要技术参数

样车在水平路面上以40 km/h的速度行驶，试验载荷为半载状态，则需求功率Pe为

最后，等效计算和实际测试得到的结果如表2所示。

表2 续驶里程

通过等效计算和实际测量的结果可以看出，相对于室温条件，低温条件下的纯电动汽车的续驶里程降低比较明显。另外，等效计算结果和实测结果相对比较接近，存在差异的主要原因是由于单体电池间存在一致性差异，单体电池在不同温度下的充放电特性也不能完全替代整个电池包的充放电特性。

动力电池的充放电容量除了受正负极材料和内部结构的影响之外，使用时的环境温度也是影响其容量的重要因素[9]。建议可以从以下几个方面来提高纯电动汽车在低温条件下的续驶里程：

1）由于动力电池在低温条件下的容量保持率很差，长时间的低温放置自身的容量会随之下降，从而会增加其充电容量[10]。因此，在车辆不运行的情况下，尽量将汽车停放在温暖的室内停车库里面。

2）为了避免在低温环境下，动力电池充电容量低的特点，在连接外部电源充电时，自动给电池预热并一直保温，让电池始终处于最佳温度状态。

3）在汽车行驶过程中，应尽量保持一定的放电强度，利用放电产生的热量为电池本身提供一定的温度。

4）为动力电池增加一定的外部保温措施的同时，在极为寒冷的条件下，也有必要采取一定的加热措施。当动力电池本身的温度低于某一限值时，启动加热器给动力电池加热，以保证电池在正常的温度下放电工作，以提供合适的续驶里程。

4 结论

1）随着环境温度的降低，动力锂电池的充放电特性变差，充放电容量和充放电效率也随之降低[11]。

2）纯电动汽车的续驶里程受环境温度的影响很大，尤其在低温环境中，由于动力电池的充放电特性变差，充电容量和放电容量较常温环境都明显减少，从而严重影响整车的续驶里程。

3）等效计算得到的结果与试验值比较接近，表明等效计算的方法可以在纯电动汽车整车匹配设计初期可用于进行续驶里程的计算。

4）为了增加纯电动汽车的续驶里程，提高动力电池使用环境的温度是解决这一问题的有效途径。但是采取升温措施势必会消耗动力电池自身的一部分能量，如何在这两者之间找到平衡仍需继续探索。

[1]杨磊.纯电动汽车能耗经济性研究[J].农业装备与车辆工程，2007，(9):24-26.

[2]Plichta E,Behl WK.A Low-temperature Electrolyte for Lithium and LithiumIon Batteries[J].JPowerSources,2000,88（2）:192-196.

[3]杨春巍，张若昕，胡信国.LiFePO4锂离子电池低温性能研究进展[J].电池工业，2009，(14):125-128.

[4]QC/T 743-2006，电动汽车用锂离子蓄电池[S].

[5]王洪伟，杜春丽，王常波.锂离子电池的低温性能研究[J].电池，2009，(4):208-210.

[6]谢晓华，解晶莹，夏保佳.锂离子电池低温充放电性能的研究[J].化学世界，2008，（10）:581-582.

[7]余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社,2003.

[8]GB/T 18386-2005,电动汽车 能量消耗率和续驶里程 试验方法[S].北京：中国标准出版社,2005.

[9]韩景立，于燕，陈健，等，锂离子电池电解液低温导电性能的研究[J].电化学，2003,9（2）:222-228.

[10]赵新兵，谢健.新型锂离子电池正极材料LiFePO4的研究进展[J].机械工程学报，2007,43（1）:69-77.

[11]徐顺余，曹辉.锂离子动力电池受高温影响的试验分析[J].客车技术与研究，2011，33（4）：53-55.