張松林，符興鋒，曾 雷

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434）

0 引言

發(fā)展新能源汽車已上升為國家戰(zhàn)略，電動汽車作為新能源汽車的重要組成部分，迎來了爆發(fā)式增長。據(jù)統(tǒng)計，2018年新能源鋰電池裝車122 萬臺，5 867 萬kW·h，同比2017 年增長84%。鋰電池的特性受環(huán)境溫度的影響較大，尤其在低溫環(huán)境中，可用能量和功率衰減嚴(yán)重，且長期低溫環(huán)境使用會加速動力電池的老化，縮短使用壽命[1]。隨著電動汽車市場保有量的增加以及使用范圍的擴(kuò)大，電動汽車環(huán)境適應(yīng)性面臨日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時也成為用戶使用過程中的一大“痛點”。電動汽車的環(huán)境適應(yīng)性作為一項關(guān)鍵指標(biāo)，已成為行業(yè)內(nèi)的重要攻關(guān)課題。美國賓夕法尼亞州立大學(xué)研發(fā)出一款“全氣候電池”，這種新型電池基于第三極鎳箔自加熱，能提升車輛低溫性能；北京理工大學(xué)孫逢春[2]主導(dǎo)開展的全氣候電池技術(shù)研發(fā)及搭載整車集成開發(fā)，解決了極寒環(huán)境下電動汽車無法充放電、整車無法啟動、空調(diào)能耗高等技術(shù)難題。

本文通過分析鋰電池的溫度特性，結(jié)合車輛實際使用工況/場景，對目前電動汽車應(yīng)用的熱管理技術(shù)進(jìn)行綜述，旨在為改善電動汽車的低溫適應(yīng)性及電動汽車熱管理系統(tǒng)開發(fā)提供一定的幫助。

1 動力電池低溫特性

電極/電解液界面上的電化學(xué)反應(yīng)與環(huán)境溫度有關(guān)。電極的反應(yīng)率隨著溫度的下降而下降，同時電池放電電流和功率輸出也會隨之下降。低溫對電池特性影響主要表現(xiàn)在以下幾方面。

1.1 對電池放電容量的影響

國標(biāo)GB/T 31484《電動汽車用動力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗方法》中規(guī)定電池的容量是在(25±5)℃下進(jìn)行測試。在不同的環(huán)境溫度下，實測的電池容量與25 ℃時的容量有所差異，在一定溫度范圍內(nèi)，溫度越低，電池的放電容量越小，反之越大。選取磷酸鐵鋰單體電池進(jìn)行測試，在0 ℃時的容量保持率為60%～70%，-20 ℃時的容量保持率為20%～40%，如圖1所示。

圖1 磷酸鐵鋰電池不同溫度下放電曲線

1.2 對電池內(nèi)阻的影響

在0～30 ℃環(huán)境溫度下放電，電池溫度升高，電池的內(nèi)阻隨之降低。隨著電池溫度的降低，電池的內(nèi)阻逐漸增大且與溫度呈線性變化。當(dāng)環(huán)境溫度降至0 ℃以下，溫度每降低10 ℃，內(nèi)阻增大15%左右。因為電解液黏度變大，降低了電解液中離子活性，增大了電解液比電阻，加重了電極極化影響，電池容量會明顯減小。

1.3 對充電速率的影響

在低溫下充電，擴(kuò)散電流密度明顯減小，而交換電流密度減小不多，所以濃差極化加劇。低溫充電開始時，電池總電壓上升較快，很快達(dá)到充電截止電壓，進(jìn)入恒壓充電，長時間的恒壓階段充電導(dǎo)致動力電池充電時間增加，充電速率明顯下降。

2 動力電池低溫特性對整車性能的影響

2.1 整車動力性能的變化

通過試驗發(fā)現(xiàn)，在低溫環(huán)境下，整車動力性能明顯下降。某車型電池不同溫度下0～100 km/h 加速性能對比如表1所示。

表1 某車型電池不同溫度下動力性測試結(jié)果

從表中可以看出，電池SOC 差不多的情況下，電池溫度較低時，電池峰值放電功率隨電池溫度下降明顯，直接影響到車輛的加速性能；在0 ℃左右，加速時間增加50%左右。

2.2 整車經(jīng)濟(jì)性的變化

三元鋰電池在-10 ℃和-20 ℃環(huán)境下，放電容量分別為標(biāo)稱容量的86%和76%[3]。由于放電容量的下降，整車?yán)m(xù)駛里程會隨之下降。同時，在低溫環(huán)境下，駕駛員會使用空調(diào)制熱及除霜除霧功能，制熱功率一般在2～3 kW，這部分能量消耗也降低了整車的續(xù)航里程。試驗數(shù)據(jù)表明，車輛在開啟空調(diào)的情況下，整車的能耗增加約20%，加上低溫電池容量下降、滾阻及車輛內(nèi)阻增加，在-7 ℃環(huán)境下，電動汽車?yán)m(xù)航里程下降率在30%以上，實測4款車型常溫與低溫續(xù)航結(jié)果如表2所示。

表2 NEDC工況續(xù)駛里程測試結(jié)果

2.3 整車充電時間的變化

電池低溫下只能進(jìn)行小倍率充電，這樣充電時間會大大延長，在低溫環(huán)模艙測試4 款純電動汽車低溫情況下充電時間增長率。如圖2 所示，充電時間增長50%～100%。充

圖2 低溫充電時間增長率(-10 ℃)

電時間增加會影響消費(fèi)者的使用，特別是網(wǎng)約車、出租車等營運(yùn)車輛，營運(yùn)時充電時間占比將直接影響到用戶經(jīng)營狀態(tài)及經(jīng)濟(jì)收益。滴滴優(yōu)享型快車司機(jī)在非工作日大于20 km的服務(wù)里程中，司機(jī)的日平均利潤為38.74 元/h[4]。按照每天充電時間增加1.5 h計算，損失收益約58元/天。

3 提升電動汽車低溫適應(yīng)性

提升電動汽車的低溫適應(yīng)性，可以從3個方面進(jìn)行優(yōu)化。

（1）從電池電芯進(jìn)行優(yōu)化，包括電解液離子電導(dǎo)率、負(fù)極石墨顆粒表面SEI模的電導(dǎo)率、電極電化學(xué)反應(yīng)速率等方面。

（2）從整車架構(gòu)及控制策略出發(fā)，優(yōu)化熱管理架構(gòu)及控制策略，使動力電池在不同環(huán)境溫度下均能保持在“舒適區(qū)”，滿足整車的功率和能量需求，從而使整車達(dá)到最佳性能狀態(tài)。

（3）提升系統(tǒng)效率，降低附件能耗，下文針對（2）、（3）點進(jìn)行詳細(xì)研究分析。

3.1 熱管理技術(shù)應(yīng)用

動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)開發(fā)是目前整車研發(fā)中的重要課題，針對低溫性能，對動力電池進(jìn)行加熱是主要應(yīng)用手段。該方法技術(shù)難度小、成本增加少，結(jié)構(gòu)原理相對簡單，所以得到很多廠家的青睞。

目前實現(xiàn)電池加熱的主要方式有以下幾種。

（1）通過加熱冷卻液在電池內(nèi)部循環(huán)。冷卻液熱量可以通過電加熱器或是發(fā)動機(jī)（HEV 車型）等熱源獲取，將熱水通過水道引入動力電池各單節(jié)電池外表面實現(xiàn)熱交換，通過調(diào)節(jié)冷卻液入水溫度、流量，獲取最快的加熱速率，需要注意平衡好動力電池溫差范圍，將電池溫度維持在最佳區(qū)域。該方式的優(yōu)點是可以保證每個單體之間的溫差較小、控制方式簡單；缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、存在漏液風(fēng)險。

（2）通過在動力電池單體、模組之間布置電加熱絲對電池進(jìn)行加熱，該方式加熱速度快、能量利用效率較高、結(jié)構(gòu)簡單，但其可靠性有待檢驗。

（3）電池內(nèi)部加熱。利用電流通過有一定電阻值的導(dǎo)體所產(chǎn)生的焦耳熱來加熱動力電池，導(dǎo)體為動力電池本身[1]。由于動力電池低溫下內(nèi)阻加大，通過加熱控制器PWM信號調(diào)節(jié)動力電池母線電流頻率和幅值，電流通過動力電池內(nèi)阻產(chǎn)生熱量使動力電池產(chǎn)生溫升。該方式的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小、加熱速度快；缺點是程序控制較復(fù)雜、相關(guān)工作零部件溫升較高，電磁輻射、電磁噪聲等問題都有待驗證解決。

（4）在動力電池周圍布置風(fēng)道，將熱風(fēng)引入動力電池內(nèi)部實現(xiàn)溫升。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)相對簡單，既可以實現(xiàn)電池加熱，又可以利用風(fēng)道實現(xiàn)冷卻；缺點是加熱速度慢、單體電池間溫差較大，EV 車型由于電池包體積大，空間緊湊布置難度大，所以該技術(shù)主要應(yīng)用于HEV車型。

3.2 提升系統(tǒng)效率，降低附件能耗

燃油車乘員艙采暖是通過發(fā)動機(jī)余熱滿足乘員艙的采暖及除霜/除霧需求，電動汽車車電動力總成工作時，冷卻液溫升慢、最高溫度低，無法滿足乘員艙的采暖及除霜除霧需求，所以在電動汽車設(shè)計了一套獨(dú)立的空調(diào)采暖系統(tǒng)。低溫環(huán)境下，空調(diào)能耗約占整車能耗比20%左右甚至更高。降低空調(diào)能耗對提升電池包能量利用率，降低車輛運(yùn)行成本如費(fèi)用、時間等有較大幫助。

（1）PTC 電加熱系統(tǒng)。通過使用動力電池電量來加熱PTC，加熱介質(zhì)分為液體（如乙二醇型冷卻液）和空氣兩種。該系統(tǒng)優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高；缺點是熱效率低、能耗較高。

（2）熱泵空調(diào)系統(tǒng)。制熱時，壓縮機(jī)壓縮制冷劑，高溫高壓制冷劑經(jīng)過四通換向閥到達(dá)空調(diào)暖風(fēng)芯體時與乘員艙空氣進(jìn)行換熱，滿足車內(nèi)采暖需求，然后流經(jīng)雙向膨脹閥到達(dá)車外散熱器，換熱后經(jīng)過四通閥回到壓縮機(jī)。該系統(tǒng)的顯著優(yōu)點是能效高。例如，當(dāng)室外環(huán)境溫度-10 ℃，車內(nèi)采暖溫度25 ℃時，熱泵系統(tǒng)最高極限效率可達(dá)8.5，遠(yuǎn)高于PTC制熱效率1。日本電裝公司為電動汽車開發(fā)的全封閉電動旋渦壓縮機(jī)熱泵系統(tǒng)在此工況下熱效率可達(dá)2.3[5]，對純電動汽車?yán)m(xù)航里程貢獻(xiàn)率約在10%左右。該系統(tǒng)的缺點是在更低環(huán)境溫度下，節(jié)能效果不明顯。

4 結(jié)束語

隨著電動汽車的推廣普及，車輛將承受各種惡劣環(huán)境、復(fù)雜工況的考驗，通過熱水/熱風(fēng)、電熱絲、電池內(nèi)部加熱等手段來提高動力電池的溫度，使其維持在正常溫度，發(fā)揮優(yōu)良的充放電特性；同時提升系統(tǒng)效率，降低附件能耗，能夠達(dá)到改善整車低溫適應(yīng)性的目的。不同設(shè)計方案在整車上面的應(yīng)用需要考慮空間結(jié)構(gòu)、成本效益、電器架構(gòu)等多方面因素，在電動汽車開發(fā)中，需要經(jīng)過多輪測試、改進(jìn)、驗證，使產(chǎn)品達(dá)到量產(chǎn)指標(biāo)，實現(xiàn)提高整車低溫適應(yīng)性的目的。