于翔 陳正東 趙文天 王文葵

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013）

1 前言

溫度是車用鋰離子動(dòng)力電池循環(huán)壽命的主要影響因素[1-4]。研究表明，動(dòng)力鋰離子電池的適宜工作溫度范圍是25~40℃，電池單體間溫差應(yīng)小于5℃[5]。電池的溫度高于其適宜的工作溫度后，將加速老化，使循環(huán)壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象。

車用動(dòng)力鋰離子電池的冷卻方式主要包括自然冷卻、風(fēng)冷[6]、液冷[7]和空調(diào)制冷劑直冷，其中應(yīng)用最廣泛的方式是液冷[8]。夏季高溫環(huán)境下電池液冷系統(tǒng)工作時(shí)，壓縮機(jī)等大功率附件使整車的能耗增大，同時(shí)占據(jù)了空調(diào)系統(tǒng)的部分制冷量，影響乘員艙內(nèi)的降溫舒適性，因此控制電池冷卻系統(tǒng)能耗，提升空調(diào)舒適性，效成為液冷技術(shù)的關(guān)鍵目標(biāo)。

目前，電池冷卻系統(tǒng)控制邏輯的研究重點(diǎn)依然是保證電池最高溫度處于安全范圍，且控制參數(shù)僅為電池最高溫度這一單一指標(biāo)[9-10]。此類研究?jī)H在整車使用工況（高速、充電和循環(huán)工況等）下比較不同策略下能耗和電池溫度并進(jìn)行效果驗(yàn)證[9-11]，并未討論整車綜合使用條件下電池溫度與電池壽命的關(guān)系。

本文以保證電池開發(fā)壽命為目標(biāo)和車輛實(shí)際使用工況為基礎(chǔ)，通過整車臺(tái)架試驗(yàn)獲得準(zhǔn)確的車輛生命周期內(nèi)的電池溫度分布，完成電池冷卻策略開發(fā)。

2 整車使用日歷循環(huán)工況

本文的研究對(duì)象為某純電動(dòng)汽車，其電池壽命的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使用8年或行駛12×104km，電池剩余容量不低于70%。車輛的主要銷售區(qū)域是中國南方，使用環(huán)境溫度不低于0℃。本文結(jié)合項(xiàng)目開發(fā)，通過車輛行駛大數(shù)據(jù)分析，確定典型城市車輛使用日歷工況，用于開展整車環(huán)境艙模擬試驗(yàn)與電池循環(huán)壽命評(píng)估的仿真分析。

首先需確定車輛按照日歷每天的出行情況和車輛典型行駛工況。目前，純電動(dòng)汽車行駛場(chǎng)景以城市為主，本文選擇環(huán)境溫度較高、電動(dòng)汽車銷售量較大的深圳完成日歷行駛工況的制定。

2.1 用戶出行鏈制定

為了解深圳市目標(biāo)用戶每日車輛使用情況，引入出行鏈的概念，出行鏈即將一些出行活動(dòng)按照時(shí)間先后順序首尾連接起來的封閉鏈，也稱為往返行程鏈[14]。通過開展日活動(dòng)出行行為調(diào)查，根據(jù)出行目的及出行鏈特點(diǎn)，歸納出最常見的3類往返行程，如表1所示。

表1 深圳市典型出行鏈

出行鏈的時(shí)間分布情況如圖1所示。由圖1可以看出，車輛日行駛時(shí)長(zhǎng)變化規(guī)律與用戶使用場(chǎng)景直接相關(guān)。

圖1 每日出行時(shí)間分布

2.2 日歷行駛工況

本文以世界輕型汽車測(cè)試循環(huán)（World Light Vehicle Test Cycle，WLTC）工況作為車輛典型行駛工況開發(fā)的基礎(chǔ)，通過對(duì)WLTC工況中低速、中速、高速和超高速行駛段進(jìn)行組合形成本研究的日歷行駛工況。針對(duì)工作日出行鏈工況中的行駛車速范圍，將WLTC工況中的低速和中速行駛工況段合并后循環(huán)行駛。合并工況主要行駛參數(shù)與文獻(xiàn)[15]所得數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果如表2所示，通過對(duì)表2中主要參數(shù)進(jìn)行對(duì)比可知，合并工況與實(shí)際工況符合度較高，可以作為環(huán)境艙研究試驗(yàn)工況。

表2 深圳市工作日行駛工況特征參數(shù)

應(yīng)用WLTC工況中的高速行駛工況段代表周末出行鏈，應(yīng)用超高速工況段代表節(jié)假日出行鏈。

本文研究的某純電動(dòng)汽車WLTC工況續(xù)駛里程大于400 km，在日歷工況中插入充電工況，包含交流慢充和直流快充。綜合出行鏈信息和行駛工況制定的年日歷行駛工況如表3、表4所示。

表3 工作日日歷循環(huán)工況

2.3 出行環(huán)境溫度條件

由表3、表4可知，工作日、周末和小長(zhǎng)假各時(shí)間段車輛使用前都有不少于5 h的存放時(shí)間，此時(shí)電池溫度與環(huán)境溫度基本相同，故可根據(jù)深圳市2020年氣象大數(shù)據(jù)確定工作日和周末以及節(jié)假日工況的試驗(yàn)環(huán)境溫度和初始電池溫度，如圖2~圖4所示。試驗(yàn)中充電工況均在行車工況后，充電前的電池溫度根據(jù)行車試驗(yàn)結(jié)果確定。

表4 周末和節(jié)假日日歷循環(huán)工況

圖2 全年工作日出行環(huán)境溫度分布

圖4 全年節(jié)假日出行環(huán)境溫度分布

3 整車臺(tái)架試驗(yàn)

本文純電動(dòng)汽車的主要技術(shù)參數(shù)如表5所示。

表5 整車主要技術(shù)參數(shù)

將該車輛在環(huán)境艙內(nèi)采用所開發(fā)的日歷行駛工況進(jìn)行試驗(yàn)，得到相應(yīng)的電池溫度數(shù)據(jù)。電池冷卻系統(tǒng)按照典型的液冷式動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)控制策略執(zhí)行：

a.冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)條件為環(huán)境溫度≥10℃且動(dòng)力電池最大溫度≥39℃；

b.冷卻系統(tǒng)關(guān)閉條件為動(dòng)力電池最大溫度<35℃。

3.1 工作日行駛工況試驗(yàn)

工作日行駛代表工況為WLTC中的低速、中速段組合工況，單次循環(huán)里程為7.83 km，由表3可知，工作日上下班的日行駛里程為31.3 km，需要連續(xù)進(jìn)行4個(gè)組合工況循環(huán)，具體試驗(yàn)循環(huán)工況如圖5所示。

圖5 工作日行駛工況

由圖2可知，全年工作日用車時(shí)段的氣溫范圍為7~35℃，平均氣溫為22℃。選擇7℃、12℃、17℃、22℃、27℃、32℃和35℃共7個(gè)溫度點(diǎn)在環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)前將車輛同溫處理不少于10 h，保證電池溫度與環(huán)境溫度相同，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 工作日行駛工況臺(tái)架試驗(yàn)電池溫度曲線

全年工作日車輛行駛期間電池溫度情況如圖7和表6所示。

圖7 全年工作日電池溫度分布

表6 全年工作日電池溫度分布統(tǒng)計(jì)

由圖7可以得出，工作日行駛工況試驗(yàn)每個(gè)溫度點(diǎn)的電池溫度均升高3℃，僅上升過程略有差別，可以推測(cè)在7~35℃范圍內(nèi)，其他環(huán)境溫度下電池溫升過程也與上述試驗(yàn)相同。

根據(jù)各環(huán)境溫度下的試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算全年工作日行駛工況下動(dòng)力電池各溫度下的累計(jì)工作時(shí)長(zhǎng)：

式中，Hm為電池在溫度m下的全年累計(jì)工作時(shí)長(zhǎng)；Xn為全年環(huán)境溫度n出現(xiàn)的次數(shù)；hn為在環(huán)境溫度為n時(shí)，一個(gè)行駛工況下電池溫度為m的時(shí)長(zhǎng)。

從試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以看出，臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M全年工作日累計(jì)行駛555 h，行駛里程15650 km，試驗(yàn)過程中電池冷卻系統(tǒng)未啟動(dòng)。

3.2 周末行駛工況試驗(yàn)

周末行駛代表工況為WLTC中的高速工況，單次循環(huán)里程為7.127 km，由表4可知，周末每日連續(xù)行駛里程為50 km，需要連續(xù)進(jìn)行7個(gè)工況循環(huán)，具體試驗(yàn)循環(huán)工況如圖8所示。

圖8 周末試驗(yàn)行駛工況

由圖3可知，全年周末用車時(shí)段的氣溫范圍為8~36℃，平均氣溫為24.3℃，選擇8℃、13℃、18℃、23℃、28℃、33℃和36℃共7個(gè)溫度點(diǎn)在環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。按照工作日工況試驗(yàn)方法得出周末工況電池溫度曲線如圖9所示，全年周末車輛行駛期間電池溫度變化情況如圖10和表7所示。

圖3 全年周末出行環(huán)境溫度分布

圖9 周末行駛工況臺(tái)架試驗(yàn)電池溫度曲線

圖10 全年周末電池溫度分布

表7 全年周末電池溫度分布統(tǒng)計(jì)

由試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M全年周末累計(jì)行駛148.6 h，行駛里程8400 km，試驗(yàn)過程中電池冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)。

3.3 節(jié)假日行駛工況試驗(yàn)

節(jié)假日行駛代表工況為WLTC中的超高速工況，單次循環(huán)里程為8.254 km，由表4可知，節(jié)假日每日連續(xù)行駛里程為165 km，需要連續(xù)進(jìn)行20個(gè)工況循環(huán)，具體循環(huán)工況如圖11所示。

圖11 節(jié)假日行駛工況

由圖4可知，全年節(jié)假日用車時(shí)段的氣溫范圍為9~33℃，平均氣溫23.1℃，選擇9℃、14℃、19℃、24℃、29℃和33℃共6個(gè)溫度點(diǎn)在環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。按照工作日工況試驗(yàn)方法得出節(jié)假日工況電池溫度曲線如圖12所示，全年節(jié)假日車輛行駛期間電池溫度分布情況如圖13和表8所示。

圖12 節(jié)假日行駛工況臺(tái)架試驗(yàn)電池溫度曲線

圖13 全年節(jié)假日電池溫度分布

表8 全年節(jié)假日電池溫度分布統(tǒng)計(jì)

從試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以看出，臺(tái)架試驗(yàn)?zāi)M全年節(jié)假日累計(jì)行駛53.7 h，行駛里程4950 km，試驗(yàn)過程中電池冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)。

3.4 車輛電池溫度全年統(tǒng)計(jì)

根據(jù)工作日、周末和節(jié)假日工況試驗(yàn)獲得車輛全年總體運(yùn)行情況，全年累計(jì)行駛29000 km，總運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)757.4 h，行駛時(shí)間占全年總時(shí)長(zhǎng)的8.65%。電池溫度統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表9所示。

表9 車輛使用條件下電池溫度分布占比

由表9可知，全年車輛使用條件下93.6%的時(shí)間電池工作溫度低于35℃，電池最大溫度達(dá)到40℃，電池溫度超過39℃的時(shí)間不到1%。

3.5 充電工況試驗(yàn)

車輛使用過程中快充和慢充結(jié)合使用，由表3和表4可知，一年內(nèi)車輛快充70次，平均每5.2天一次，慢充110次，平均每3.2天一次。平均行駛160 km充電一次，滿足續(xù)駛里程大于400 km的電動(dòng)車需求。充電過程中電池溫升與充電功率相關(guān)性最強(qiáng)，充電功率越大，電池溫升速率越高。目前，充電方式主要為交流慢充和直流快充，直流快充常見充電功率為60 kW，交流慢充常見的最大充電功率僅為7 kW。

電池在25~40℃區(qū)間運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)最佳的功率輸出和輸入，以及最長(zhǎng)的循環(huán)壽命[7]。根據(jù)日歷循環(huán)整車試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)可知，在行車后進(jìn)行電池充電的條件下，充電時(shí)電池初始溫度大部分在15~35℃范圍內(nèi)，由于慢充的充電功率小，電池溫度上升幅度小，充電期間電池溫度基本在最佳范圍內(nèi)，對(duì)壽命幾乎沒有影響，故本文重點(diǎn)研究直流快充條件下的電池溫度。

在不同溫度下進(jìn)行車輛快充試驗(yàn)，充電過程如圖14所示。

圖14 快充試驗(yàn)過程

從圖14中可以看出：在SOC達(dá)到80%前，充電電流保持較高水平，即使在電池冷卻系統(tǒng)工作的條件下，電池依然保持較高的工作溫度；在SOC超過80%后，充電電流下降，在冷卻系統(tǒng)的作用下，電池溫度迅速降低。不同環(huán)境溫度和不同初始電池溫度下的快充試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 快充試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同環(huán)境溫度和電池初始溫度下，充電期間電池的平均溫度在39℃以上。大功率快充時(shí)間一般不超過1 h。全年累計(jì)計(jì)算，充電工況下電池溫度大于39℃的時(shí)間累計(jì)共70 h左右。

3.6 車輛存放工況

全年車輛存放時(shí)長(zhǎng)約7432 h，占全年總時(shí)長(zhǎng)的84.8%。車輛存放期間的電池溫度不會(huì)升高，以全年行駛工況和充電工況結(jié)束后的電池溫度作為車輛放置條件下的電池溫度。這樣簡(jiǎn)單處理會(huì)使電池壽命評(píng)估結(jié)果苛刻，但有利于產(chǎn)品開發(fā)。

行車次數(shù)和充電次數(shù)全年累計(jì)698次，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算存放工況下電池溫度時(shí)長(zhǎng)分布情況如圖15所示，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表11所示。

圖15 車輛存放工況下電池溫度時(shí)長(zhǎng)分布

表11 車輛存放條件下電池溫度分布占比

4 電池循環(huán)壽命評(píng)估

電動(dòng)汽車行駛過程中，電池的電壓、電流都隨車速實(shí)時(shí)變化，電池組輸出功率與車輛行駛阻功率對(duì)應(yīng)，因此以車輛行駛阻功率代替電池輸出功率是合理的[14]，計(jì)算結(jié)果作為電池臺(tái)架試驗(yàn)的輸入條件。當(dāng)前，采用等效替換法獲得汽車行駛過程中電池組功率-時(shí)間曲線是簡(jiǎn)單有效的方法。根據(jù)車輛行駛動(dòng)力學(xué)方程，得到純電動(dòng)汽車功率平衡公式為：

式中，U、I分別為電池組工作電壓、電流；μT為機(jī)械傳動(dòng)效率；μE為電池充放電效率；m為試驗(yàn)車輛質(zhì)量；f為滾動(dòng)阻力系數(shù)；ua為車輛行駛車速；CD為風(fēng)阻系數(shù)；A為車輛迎風(fēng)面積；δ為車輛旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)；du/dt為車輛行駛加速度。

將WLTC工況分解成多個(gè)小區(qū)間，每一區(qū)間分別對(duì)應(yīng)勻加速、勻減速和勻速工況，通過式（2）計(jì)算每個(gè)區(qū)間的電池需求功率，得出模擬表3和表4日歷循環(huán)工況的電池系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)試工況。應(yīng)用整車臺(tái)架電池溫升試驗(yàn)結(jié)果校正電池臺(tái)架動(dòng)態(tài)循環(huán)試驗(yàn)工況結(jié)果，根據(jù)此循環(huán)工況進(jìn)行電池臺(tái)架試驗(yàn)及壽命預(yù)估，壽命評(píng)估結(jié)果如圖16所示。

圖16 電池壽命評(píng)估結(jié)果

從圖16中可以看出，在電池最大SOC降低到初始的70%時(shí)，車輛預(yù)測(cè)使用時(shí)間是11年，行駛里程達(dá)到24×104km，遠(yuǎn)超開發(fā)目標(biāo)，充分說明電池冷卻策略開發(fā)已經(jīng)具備優(yōu)先考慮舒適性和能耗需求的條件。

5 電池壽命衰減工況分解

根據(jù)圖16可以計(jì)算得到電池壽命年衰減率為2.73%。根據(jù)電池試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在25~35℃溫度范圍內(nèi)，存放狀態(tài)的電池壽命衰減率為1.2%，且溫度越低，壽命衰減率越低。從圖15中可以得出，存放工況下電池溫度在11~35℃范圍內(nèi)的時(shí)間占總時(shí)間的92%，且一年中電池存放時(shí)間占總時(shí)間的84.8%，由此可以計(jì)算出，車輛電池壽命年衰減率2.73%中，受車輛存放所影響的電池壽命年衰減率為1%。由此可得，車輛在使用條件下電池年壽命衰減率為1.73%。

該電池充、放電使用期間，以環(huán)境溫度25℃條件下的電池壽命為基礎(chǔ)，進(jìn)行電池在35℃和40℃下的電池臺(tái)架壽命試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果可知，在35℃和40℃下，電池壽命分別為25℃下壽命的3/4和2/3。

根據(jù)車輛行駛和充電的溫度分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以分別計(jì)算得出：車輛行駛工況下電池溫度低于35℃時(shí)的電池年壽命衰減率為1.53%；車輛行駛工況下電池溫度不小于35℃時(shí)的電池年壽命衰減率為0.07%；車輛快速充電條件下，電池年壽命衰減率為0.13%。

車輛行駛條件下，根據(jù)電池冷卻策略，冷卻系統(tǒng)關(guān)閉的條件為電池溫度低于35℃，在電池溫度不低于35℃時(shí)，電池年壽命衰減率為0.07%。

綜上所述，車輛各使用工況對(duì)電池年壽命衰減影響程度如表12所示。

表12 車輛各工況對(duì)電池年壽命衰減的影響

6 電池冷卻系統(tǒng)控制策略優(yōu)化

根據(jù)電池壽命衰減工況分解結(jié)果可知，影響電池壽命的主要工況是車輛存放和電池溫度低于35℃的行駛工況。在車輛行駛條件下，電池溫度超過35℃的情況一般是在環(huán)境溫度≥33℃或者平均車速≥80 km/h條件下出現(xiàn)的，這種工況在用戶使用過程中相對(duì)較少出現(xiàn)，對(duì)電池壽命衰減影響很小。根據(jù)以上輸入條件，制定電池冷卻系統(tǒng)控制策略。

6.1 車輛行駛工況冷卻系統(tǒng)控制策略

電池冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)需同時(shí)具備以下條件：電池溫度≥39℃，環(huán)境溫度≥10℃，乘員艙內(nèi)溫度≤25℃，電池SOC≥40%。當(dāng)電池溫度≤35℃時(shí)冷卻系統(tǒng)關(guān)閉。

與傳統(tǒng)控制策略相比，本文控制策略增加了對(duì)電池SOC和乘員艙內(nèi)溫度的要求，為駕駛舒適性和能耗讓步，原因是在車輛行駛條件下，電池溫度超過39℃的情況對(duì)電池循環(huán)壽命損害影響程度較小。

6.2 車輛充電工況冷卻系統(tǒng)控制策略

電池冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)條件是電池溫度≥37℃，同時(shí)環(huán)境溫度≥10℃。電池溫度≤30℃時(shí)冷卻系統(tǒng)關(guān)閉。

與傳統(tǒng)控制策略相比，本文控制策略提高了電池冷卻系統(tǒng)開啟的電池溫度并降低了電池冷卻系統(tǒng)關(guān)閉的電池溫度。充電條件下電池冷卻優(yōu)先級(jí)更高，由于充電時(shí)間較長(zhǎng)，人員在車內(nèi)的情況較少，車輛一般處于不使用狀態(tài)，舒適性要求不高，較好的電池冷卻充電策略能夠使其對(duì)電池循環(huán)壽命的影響程度控制在4%以內(nèi)。

6.3 車輛存放工況冷卻系統(tǒng)控制策略

電池冷卻系統(tǒng)的啟動(dòng)條件是電池溫度≥35℃，同時(shí)環(huán)境溫度≥10℃。電池溫度≤30℃時(shí)冷卻系統(tǒng)關(guān)閉。

傳統(tǒng)控制策略未針對(duì)此工況制定單獨(dú)的控制策略，本文增加該策略的主要原因是車輛存放時(shí)間占比較大，對(duì)電池循環(huán)壽命影響程度最大，需要考慮存放期間的電池溫度盡可能在最佳溫度范圍內(nèi)。車輛存放狀態(tài)時(shí)，不必考慮舒適性且電池不會(huì)發(fā)熱，故電池冷卻系統(tǒng)能夠快速降低電池溫度，消耗電量也很少。

6.4 優(yōu)化策略試驗(yàn)驗(yàn)證

在環(huán)境溫度38℃，WLTC工況下優(yōu)化策略與原策略對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表13所示。

表13 優(yōu)化策略與原策略試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表13可以看出，優(yōu)化策略條件下，車輛行駛過程中電池冷卻系統(tǒng)介入時(shí)長(zhǎng)占比大幅度下降，續(xù)駛里程明顯提升，電池平均溫度升高較小，且駕駛員反饋主觀評(píng)價(jià)空調(diào)舒適性提升，達(dá)到預(yù)期效果。

7 結(jié)束語

本文從電池循環(huán)壽命入手，通過整車試驗(yàn)，建立車輛使用工況下電池溫度分布與電池循環(huán)壽命衰減的關(guān)系，確定各使用工況對(duì)電池循環(huán)壽命的影響程度，分別考慮車輛行駛、車輛充電以及車輛存放工況，并且增加了電池SOC、乘員艙內(nèi)溫度控制參數(shù)，制定細(xì)化的電池冷卻策略，臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，策略優(yōu)化后整車能耗、空調(diào)舒適性大幅改善。

隨著純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的大幅度提高、充電功率超過400 kW的超級(jí)快充開發(fā)、換電技術(shù)的廣泛應(yīng)用和充電設(shè)施的進(jìn)一步完善，純電動(dòng)汽車的用戶使用工況將會(huì)很大程度地發(fā)生改變，故需持續(xù)分析純電動(dòng)車的用戶使用工況，不斷優(yōu)化電池冷卻策略，提升續(xù)駛里程和空調(diào)舒適性，提高用戶滿意度。