果成勝 雷利剛 高劍

摘要：純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程是電動(dòng)汽車重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，其動(dòng)力電池性能是影響純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程重要因素，純電動(dòng)汽車成本較高、續(xù)駛里程較短是其影響大力發(fā)展的主要瓶頸。當(dāng)前，純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池正經(jīng)歷突破性進(jìn)展，隨著電池技術(shù)迎來(lái)突破，在成本保持不變的條件下大幅提高續(xù)駛里程，未來(lái)純電動(dòng)汽車有望得到大力普及。

關(guān)鍵詞：輕型純電動(dòng)汽車;續(xù)駛里程;動(dòng)力電池;溫度

中圖分類號(hào)：U471.13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，中國(guó)的汽車產(chǎn)銷量與保有量逐年增多，汽車成為了國(guó)人生活中重要的一部分。保有量的增加也導(dǎo)致了能源需求量持續(xù)攀升，傳統(tǒng)汽車燃料主要靠石油，而石油已成為全球最緊張的不可再生資源，同時(shí)傳統(tǒng)燃油汽車產(chǎn)生了空氣中大約三分之一的細(xì)顆粒物，是霧霾的主要源頭。當(dāng)今社會(huì)，政府和群眾的環(huán)保意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)烈，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)車給社會(huì)帶來(lái)的環(huán)境與能源問(wèn)題早已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，降低油耗、減少污染物的排放具有重要意義。汽車行業(yè)也將節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)作為其主要追求目標(biāo)，為此大力發(fā)展新能源汽車已迫在眉睫。

1純電動(dòng)汽車基本結(jié)構(gòu)

純電動(dòng)汽車系統(tǒng)可分為3個(gè)子系統(tǒng)，即電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)、能源子系統(tǒng)、輔助子系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)是由車輛控制器、電力電子變換器、電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)車輪組成;能源子系統(tǒng)是由能源、能量管理單元和能量供給單元構(gòu)成;輔助子系統(tǒng)由功率控制單元、車內(nèi)氣候控制單元和輔助電源組成。

2測(cè)試流程及方法

2.1試驗(yàn)樣車

試驗(yàn)樣車選擇常見(jiàn)的前輪驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)汽車，動(dòng)力電池材料為三元聚合物鋰電池，電機(jī)類型為交流異步電機(jī)，為使動(dòng)力電池達(dá)到更好的工作狀態(tài)，機(jī)械傳動(dòng)部件充分磨合，試驗(yàn)研究前使樣車在道路上磨合300km，試驗(yàn)樣車主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2測(cè)試條件準(zhǔn)備

兩個(gè)工況法試驗(yàn)開(kāi)始前將同一測(cè)試車輛分別置于0℃和25℃環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)前充電，使用數(shù)字電參數(shù)測(cè)量?jī)x和CAN總線連接車輛實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣車電流及動(dòng)力電池溫度。為了使試驗(yàn)樣車測(cè)試溫度能夠正常達(dá)到25℃要求，整個(gè)測(cè)試過(guò)程在密閉環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行，并按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18386-2017《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》的要求對(duì)車輛進(jìn)行浸車。兩項(xiàng)試驗(yàn)開(kāi)始前通過(guò)CAN線上傳報(bào)文數(shù)據(jù)對(duì)動(dòng)力電池溫度和電量進(jìn)行讀取采樣。樣車試驗(yàn)前確認(rèn)輪胎胎壓符合制造廠規(guī)定值，車輛無(wú)故障信息。如表2所示，測(cè)試設(shè)備主要使用底盤測(cè)功機(jī)和電參數(shù)測(cè)量?jī)x，底盤測(cè)功機(jī)用滾筒模擬代替路面，汽車在正常行駛時(shí)遇到的各種阻力通過(guò)加載裝置模擬。

電參數(shù)測(cè)量?jī)x主要測(cè)量車輛續(xù)駛里程試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行完全充電所需電量，記錄電壓、電流及功率，通過(guò)一次完全充電電量和續(xù)駛里程的測(cè)量值計(jì)算能量消耗率。數(shù)據(jù)采集分為轉(zhuǎn)鼓和試驗(yàn)車輛，轉(zhuǎn)鼓打開(kāi)數(shù)據(jù)采集功能配置數(shù)據(jù)通道，車輛采集使用CAN總線記錄儀，基于J1939通訊協(xié)議下采集試驗(yàn)車輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.3測(cè)試工況介紹

本文所述研究采用的測(cè)試工況為標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18386-2017《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》中所要求的N EDC工況。

NEDC工況是歐洲2000年后（此期間正值歐盟實(shí)施歐Ⅲ和歐IV排放法規(guī)）所執(zhí)行的燃油車排放試驗(yàn)工況，我國(guó)在2005年執(zhí)行的電動(dòng)車標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18586-2005正式執(zhí)行NEDC工況來(lái)評(píng)價(jià)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程，NEDC工況是由4個(gè)市區(qū)基本運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)和一個(gè)市郊運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)組成。

如圖1所示，一個(gè)基本市區(qū)循環(huán)距離為1.01km，市郊循環(huán)距離為6.95km，理論總距離為11.02km，總時(shí)間為1180s，其中市區(qū)工況共780s，最高車速50.00km/h，市郊工況共400s，最高車速120.00km/h，該工況的平均車速為33.68km/h。

2.4測(cè)試流程

試驗(yàn)完全按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18386-2017《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》進(jìn)行。首先，讓試驗(yàn)樣車在常溫環(huán)境下在底盤測(cè)功進(jìn)行滑行試驗(yàn)，底盤測(cè)功機(jī)通過(guò)道路阻力系數(shù)二次曲線方程y=0.0324x²+0.4188x+116.89和慣量910kq，通過(guò)這2項(xiàng)數(shù)值來(lái)擬合出轉(zhuǎn)鼓加載值。

按照標(biāo)準(zhǔn)要求的NEDC工況循環(huán)在底盤測(cè)功機(jī)上進(jìn)行續(xù)駛里程測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中轉(zhuǎn)鼓數(shù)采打開(kāi)，采集車速、加速度等轉(zhuǎn)鼓實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，頻率為1Hz。車輛試驗(yàn)過(guò)程中使用CAN線記錄儀連接車輛，采集動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)，在工況法試驗(yàn)結(jié)束后在0℃和25℃分別對(duì)車輛進(jìn)行充電，記錄一次完全充電所需電量，然后計(jì)算能量消耗率，C=E/D。

式中：E代表充電期間來(lái)自電網(wǎng)的能量，單位為W·h;D代表試驗(yàn)期間行駛的總距離即續(xù)駛里程，單位為km。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1常溫、低溫續(xù)駛里程對(duì)比

為保證2次試驗(yàn)的一致性，本研究選擇同一底盤測(cè)功機(jī)和試驗(yàn)駕駛員，試驗(yàn)過(guò)程中能量回收裝置開(kāi)至最大，關(guān)閉車上所有的耗電部件，參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T18386-2017所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行NEDC工況法續(xù)駛里程試驗(yàn)，按照統(tǒng)一試驗(yàn)結(jié)束條件判定試驗(yàn)結(jié)束。

試驗(yàn)期間，轉(zhuǎn)鼓采集試驗(yàn)實(shí)時(shí)間和車輛車速，頻率為1Hz，用于計(jì)算試驗(yàn)和階段里程值。同時(shí)，CAN線采集動(dòng)力電池各單元數(shù)據(jù)，用于試驗(yàn)后的結(jié)果分析。

根據(jù)不同溫度下試驗(yàn)中車輛SOC值每10%所行駛的里程和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的里程結(jié)果分析得知。25℃溫度下的續(xù)駛里程結(jié)果高于0℃溫度的結(jié)果，差值為6%。

3.225℃、0℃下動(dòng)力電池溫度對(duì)比

通過(guò)CAN線采集到的2個(gè)不同測(cè)試溫度下，如圖2所示，試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)力電池溫度變化和不同環(huán)境溫度下SOC在每10%行駛的里程曲線對(duì)比圖。圖中可以看出隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，2種環(huán)境下的電池溫度都呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，在溫度25℃下試驗(yàn)結(jié)束時(shí)電池溫度上升至36℃，總的態(tài)勢(shì)各個(gè)區(qū)間行駛的里程比較均勻，當(dāng)SOC為50%～60%這個(gè)區(qū)間內(nèi)電池溫度達(dá)到29℃，所行駛的里程最多為17.5km，隨著動(dòng)力電池放電深入，里程出現(xiàn)逐步減少的趨勢(shì)。

3.3常溫、低溫下電池放電電壓對(duì)比

該動(dòng)力蓄電池最高總電壓為168.0V，由40個(gè)單體蓄電池串聯(lián)，每個(gè)單體最高電壓為4.2V。圖3為動(dòng)力蓄電池常溫和低溫下試驗(yàn)過(guò)程中電壓釋放對(duì)比情況，試驗(yàn)開(kāi)始前SOC為100%時(shí)電池總電壓均為168.0V。在整個(gè)試驗(yàn)中低溫環(huán)境下電壓值下降速度比常溫下較快，總電壓截止均為118.0vI使得動(dòng)力電池管理系統(tǒng)促使動(dòng)力電池進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，以致試驗(yàn)車輛車速不能滿足工況曲線要求停止試驗(yàn)。

在采集動(dòng)力電池單體的數(shù)據(jù)中顯示，最高電壓?jiǎn)误w和最低電壓?jiǎn)误w可以看出在0℃環(huán)境下動(dòng)力電池的單體放電時(shí)間沒(méi)有在常溫25℃下時(shí)間長(zhǎng)，這是因?yàn)楦鱾€(gè)電池單體在低環(huán)境下電解液的離子導(dǎo)電率較低，SEI膜電阻和電化學(xué)反應(yīng)電阻隨之增大，導(dǎo)致低溫下歐姆極化、濃差極化和電化學(xué)極化均增大，反之動(dòng)力電池在常溫25℃起始試驗(yàn)時(shí)，整個(gè)放電時(shí)間明顯較長(zhǎng)，不難看出在相對(duì)較低的環(huán)境溫度下，動(dòng)力電池的放電量和放電時(shí)間隨之減少。

3.4動(dòng)力電池總電流對(duì)比

試驗(yàn)車輛加裝有制動(dòng)能量回收裝置，在行駛工況曲線時(shí)車輛踩下加速踏板動(dòng)力電池為放電狀態(tài)，當(dāng)踩下制動(dòng)踏板時(shí)一部分能量轉(zhuǎn)化為電能回收至電池內(nèi)。放電量大小是動(dòng)力電池重要特性指標(biāo)，電池容量越大放電電流就越大，對(duì)于相同容量的電池來(lái)說(shuō)放電倍率直接影響其放電能力。

如圖4、圖5所示，在不同溫度下電池放電總電流的對(duì)比圖，在車輛行駛同一工況速度下，該動(dòng)力電池在低溫下放電電流值明顯低于常溫下，低溫最大放電電流為159A。而常溫下最大放電電流為198A，車輛在行駛工況時(shí)隨著電池電壓的降低，電池容量也隨之減少，放電電流值也在降低。

在低溫條件下，最大放電電流僅為159A，電池中鋰離子脫出和嵌入的速度也小，正負(fù)極材料內(nèi)外層濃差相對(duì)較小。當(dāng)車輛在高速行駛時(shí)，低溫環(huán)境下，鋰離子在固相顆粒中較低的傳輸速度限制了其嵌入和脫出，極化增大，正負(fù)極間的電勢(shì)偏差小，電池的放電電壓降低，導(dǎo)致單體無(wú)法完全釋放相應(yīng)容量，放電越不完全容量越低。相反的，在常溫環(huán)境下鋰離子脫出和嵌入速度較快，電化學(xué)性能較好，其放電比較完全。

3.5常溫、低溫下SOC下降比

對(duì)比試驗(yàn)開(kāi)始前，我們分別在0℃和常溫25℃對(duì)動(dòng)力分別進(jìn)行初次充電，CAN線連接車輛讀取電池電壓，數(shù)字電參數(shù)測(cè)量?jī)x計(jì)量所需電量，試驗(yàn)開(kāi)始SOC值均為100%。圖6為試驗(yàn)過(guò)程中常、低環(huán)境下SOC下降對(duì)比曲線，圖中可以看出低溫環(huán)境下電池SOC值下降較快，并出現(xiàn)急速下降現(xiàn)象，這是因?yàn)檐囕v在高速行駛時(shí)耗電量較大。單體電壓超出限定值，在較低的SOC區(qū)間內(nèi)，隨SOC的降低歐姆內(nèi)阻出現(xiàn)較大幅度的增長(zhǎng)，這是因?yàn)殡姵胤烹娔┢冢姵貎?nèi)部化學(xué)物質(zhì)活性降低，在低溫環(huán)境下這種現(xiàn)象更為明顯，反之在常溫環(huán)境下較穩(wěn)定沒(méi)有出現(xiàn)急速下降現(xiàn)象。

車輛在各個(gè)區(qū)間行駛里程基本都要高于低溫環(huán)境下行駛里程，兩者在SOC（50%

3.6能量消耗比

根據(jù)GB/T 18386《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》的要求在工況法續(xù)駛里程結(jié)束后分別對(duì)試驗(yàn)樣車在4℃和常溫25℃環(huán)境下進(jìn)行充電，充電時(shí)接入數(shù)字電參數(shù)測(cè)量?jī)x計(jì)量所需電量。

表3為兩次試驗(yàn)后所測(cè)得電量和按照公式計(jì)算出的能量消耗率，低溫環(huán)境下車輛測(cè)試結(jié)果比常溫下低，且能耗消耗率也較高。在低溫環(huán)境下整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)力電池放電量較小，電池內(nèi)鋰離子放電性能較差并且放電不完全，影響車輛測(cè)試結(jié)果，沒(méi)有常溫下測(cè)試結(jié)果理想。根據(jù)測(cè)試結(jié)果得出，常溫環(huán)境下工況法能量消耗率結(jié)果比低溫環(huán)境下0℃能耗相對(duì)降低3%。

4結(jié)論

本文對(duì)某一使用動(dòng)力鋰電池的純電動(dòng)汽車在低溫和常溫環(huán)境下，分別進(jìn)行工況法續(xù)駛里程試驗(yàn)，研究試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)力電池特性的差異和對(duì)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的影響，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析得出以下結(jié)論。

（1）常溫狀態(tài)下，車輛比低溫狀態(tài)下的續(xù)駛里程結(jié)果相對(duì)提高5%，能耗相對(duì)降低3%。

（2）以三元聚合物鋰電池為材料的動(dòng)力電池在常溫環(huán)境下放電特性比低溫環(huán)境環(huán)境下較好，且續(xù)駛里程試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果要高于低溫環(huán)境。

（3）低溫下動(dòng)力電池鋰離子放電性能變差，放電電壓顯著降低，放電容量減小。

（4）低溫下動(dòng)力電池放電量小，充電量隨之減小，充放電不均衡易造成能量消耗率偏高。