10.16638/jki.1671-7988.2017.21.040
张欢欢，宫闪闪
（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，新能源汽车研究院，安徽合肥230601）
摘要：电动汽车的加速性能与动力电池的放电特性密切相关，动力电池的放电特性与环境温度又密切相关。文章基于三元锂离子电池和磷酸铁锂电池在不同温度下的放电功率特性，利用CRUISE软件搭建整车仿真模型，通过不同温度下整车加速性能仿真对比，三元电池低温放电功率衰减对整车加速性能的影响小于磷酸铁锂电池。 关键词：电动汽车；低温环境；加速性能；放电功率
中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)21-119-04
Research on Low Temperature Performance of Lithium Battery EV
Zhang Huanhuan, Gong Shanshan
( New Energy Vehicle Academy, Technical Center, Anhui Jianghuai Automobile CO., Ltd., Anhui Hefei 230601 )
Abstract: Acceleration performance of electric vehicle are closely related to discharging characteristics of power batteries and also closely related to the ambient temperature. Based on the discharging power characteristics at different temperatures of NCM lithium battery and LFP lithium battery, a vehicle simulation model by CRUISE software is built. The acceleration performance simulation results at different temperatures show that, the vehicle accelerate performance is influenced by the reduction of discharging power in low temperature, and the influence to NCM lithium battery is less than LFP lithium battery. Keywords: electric vehicle; low temperature; acceleration performance; discharging power
CLC NO.: U469.72 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)21-119-04
前言
近年来，新能源汽车产业迅猛发展，作为纯电动汽车和混合动力汽车的动力源，锂离子电池以其低成本
、长寿命、高比能量和高比功率正在成为现阶段车用主要的动力来源[1-3]。目前，电动汽车主要使用磷酸铁锂电池和三元电池。磷酸铁锂电池因其良好的安全性能、长寿命和高性价比而广受欢迎。但是，随着技术的不断发展，磷酸铁锂材料的能量密度已遇到瓶颈，已经很难满足未来电动汽车对长里程的需求。三元材料Li(NixCoxMnx)O2电池具有LiNiO2的高比能量，LiCoO2的优良循环性能，LiMn2O2的高安全性以及低成本等特性，正成为电动车动力电池的重要选择。
纯电动汽车相比燃油车，特别吸引客户的是纯电动车电机有低速大扭矩特性，整车起步加速快，驾乘体验愉悦。但纯电动车的加速性能受环境温度影响较大，特别是低温加速性能成为衡量一款纯电动车动力性能优劣的重要指标。低温加速性能主要取决于动力电池低温放电功率，产业界开发的目标是实现低温环境下整车动力性与常温基本相当。本文选用电动车使用的不同材料的锂离子动力电池包，研究不同环境温度下动力电池放电功率特性对整车加速性能的影响。
1 动力电池低温功率特性
1.1 电池包低温功率测试方法
根据容量测试数据，对电池包进行恒功率放电，分别测
作者简介：张欢欢（1983-），女，研究生学历，就职于江淮汽车集团股份有限公司技术中心。新能源
汽车研究院院长助理，负责整车系统集成业务及纯电动车平台产品开发工作。宫闪闪（1988-），男，研究生学历，就职于江淮汽车集团股份有限公司技术中心新能源汽车研究院系统集成部，负责整车动力性、经济性、驾驶性等开发。
汽车实用技术
120 2017年第21期
试SOC 90%、70%、50%、30%、20%五个点的持续10s的放电功率值。
1.2 电池包低温功率性能测试分析
各选取一款三元和磷酸铁锂电池包，两款电池包容量、额定电压相当，分别对其开展性能测试，比较三元及磷酸铁锂材料的动力电池低温放电功率。具体测试结果见表1。
表1 不同温度、SOC下的放电功率对比（单位：kW）
从表1中可以看出，随着环境温度的降低，两款电池包的放电功率都在下降。这是因为温度降低，电池内部的电化学活性随之降低，电池的放电能力减弱。同时随着SOC的降低，其放电功率也在逐渐降低，这是因为随着容量降低，电池放电能力逐渐减弱，导致功率值降低。
通过比较，可发现三元材料锂离子电池的低温放电功率要明显高于磷酸铁锂电池，以电池30%SOC，-10℃的放电功率较25℃为例，三元材料锂离子电池衰减45%，而磷酸铁锂电池衰减58%，三元材料电池在低温下的功率特性要明显优于磷酸铁锂电池。
2 纯电动汽车建模
纯电动汽车结构示意图如图1所示。纯电动汽车模型主要包括驾驶员、主控制器、动力电池、电机、减速器和整车六大模块。
图1 纯电动汽车结构示意图
2.1 纯电动汽车部件建模
2.1.1 驾驶员
驾驶员模型为驾驶员模拟器的控制系统，若采取闭环控制，可转化为对加速踏板行程的PI控制和对制动踏板行程的PID控制[4]。具体为：
（1）式中：△v为目标车速与实际车速之间的差值；v desired为理想工况车速；v actual为当前实际车速；αe为加速踏板行程；k pt和k it为PI 控制器中的比例系数和积分系数。
（2）式中：βe为制动踏板行程；k dt为PID 控制器的微分系数。
2.1.2 电机
电机模型是基于驾驶员意图来计算电机需求扭矩，基于电驱动系统的效率MAP转化为实际功率并输出至电池和变速器模块。
（3）式中：T req为需求扭矩；n m为电机实际转速；i g为变速器速比；i0为主减速比；r为车轮半径；ηm为电机效率。
2.1.3 动力电池
动力电池模型主要基于充放电功率参数计算电池电量、电压、电流和内阻等状态信息的变化情况。
电池SOC估算采用安时积分法[5]：
（4）
式中：C N为电池的可用容量；i为电池电流，正值表示放电，负值表示充电；ηb为电池组效率。
2.1.4 减速器
纯电动汽车的减速器一般为两级变速的单速比形式，系统效率达93%。
（5）式中：T out为减速器输出转矩；T in为减速器输入转矩；
i g为减速器速比，ηt为减速器效率。
2.1.5 整车
首先是行驶阻力模型。
在水平道路上滑行时，整车行驶阻力可简化为：
（6）
（7）式中：δ为旋转质量换算系数；G为整车重力；f0、f1、f2为滚动阻力系数；C d为风阻系数；A d为迎风面积。
张欢欢等：锂离子电池纯电动汽车低温性能研究121 2017年第21期
利用该纯电动汽车在同一路面上采集到的多次道路滑行数据，并对滤波后的试验数据拟合，最终得到整车的行驶阻力曲线如图2所示。
图2 行驶阻力拟合曲线
第二是制动能量回收模型。制动能量回收模型基于理想的制动力分配曲线，若制动时前后轮同时发生抱死，则路面附着利用率会比较高，由此带来更好的制动稳定性。前后轴理想制动力应满足：
（8）
式中：F u1、F u2分别为前后轮制动力；φ为路面附着系数；L1为质心到前轴的距离；L2为质心到后轴的距离；h g为质心高度。
2.2 整车性能仿真模型建立
基于上述思路，采用理论建模和数值建模相结合的方法，在A VL-CRUISE性能仿真软件中建立纯电动汽车前向仿真模型[4-5]，如图3所示。
图3 整车仿真模型
样车主要技术参数如表2所示。
3 常温和低温电动汽车加速性能仿真分析
由于低温环境下，低SOC放电功率下降更加明显，现阶段整车动力性开发目标一般是达成30%SOC的加速性能与常温基本相当，差别不大。基于整车性能仿真模型，选择电池30%SOC下的功率特性，分别开展常温和低温（-10℃）下整车加速性能仿真分析。仿真计算时，电池初始荷电状态为30%SOC，设定电动汽车载荷状态为半载。加速性能仿真结果如表3所示。
表2 样车主要技术参数
表3 加速性能仿真结果
加速过程中三元电池和磷酸铁锂电池的输出功率变化曲线如图4、图5所示。
图4 加速过程三元电池输出功率变化曲线
图5 加速过程磷酸铁锂电池输出功率变化曲线加速性能仿真结果表明，锂离子电池低温下的放电功率较常温有衰减，是导致整车低温加速性能变差的主要原因。
比较0-100km/h加速时间，装配三元材料电池的电动汽
汽车实用技术
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车低温加速性能较常温衰减35%，而装配磷酸铁锂材料电池的电动汽车低温放电功率较常温衰减过大，导致整车在低温环境下的最高车速仅达到80km/h，低温性能受到很大影响。
对比分析0-80km/h的时间，装配三元材料电池的电动汽车低温加速性能较常温衰减32%，而装配磷酸铁锂材料电池的电动汽车低温加速性能较常温衰减61%。
通过上述对比分析，可发现三元材料电池的低温放电功率衰减率要明显小于磷酸铁锂电池，相应的，装配三元材料电池的电动汽车低温加速性能明显优于装配磷酸铁锂电池的电动汽车。
4 结论
作为电动汽车唯一的动力源，动力电池的放电特性直接影响整车的性能。通过动力电池不同环境温度下的放电功率特性对比，三元材料电池的功率衰减要低于磷酸铁锂电池。由整车性能仿真结果可看出，电池功率衰减带来的直接影响是整车低温加速性能降低。由于磷酸铁锂电池的功率衰减较严重，导致装配磷酸铁锂电池的电动汽车低温加速性能较三元电池相差较大，在低温低电量条件下，甚至无法达到最高车速。用三元材料电池代替磷酸铁锂电池，作为解决高寒地区电动汽车低温加速性能不足的重要措施，具有一定的可行性和适用性。
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（上接第94页）
其实效的影响因素包括零部件的表面形态、装配清洁度、润滑情况、负载大小等等。
轴瓦与轴径之间、活塞组件与缸筒之间、以及依靠润滑油为介质驱动的附件磨损均与润滑相关。对于这类零部件的磨损考核，一般把运动副的润滑条件设定到最苛刻进行，同时尽可能加大负载。所以主要试验边界条件为：最大配瓦间隙、最小配缸间隙、最大承载负荷，同时零部件的清洁度和加工质量设定为主机厂能保证的最低标准。
与润滑无关的磨损主要包括高负载紧固件之间由于振动产生的微动磨损和皮带磨损。微动磨损产生的原因为紧固件在最大震动频率时产生极其微小的相对运动而导致，因此针对这类磨损进行试验考核时，设定试验边界条件为：最大振动频率工况和最大负载工况。皮带的磨损主要是打滑产生的撕裂，设定试验边界条件为：转速和负荷频繁交替变化，较高的变化梯度，皮带最大抖动幅度和最大径向负载。
4 结论
（1）从内燃机对整车的实际影响方面分析了内燃机可靠性以及对可靠性进行研究的意义和目的。
（2）从内燃机实际工作条件出发，对其失效机理进行分析，分析机械失效、热失效和磨损失效产生的原因以及影响因素。
（3）针对不同的失效类型制定出专门的试验考核方法，为内燃机的可靠性试验提供理论依据和指导。
参考文献
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