低温对纯电动汽车的影响

刘清云，肖 宇，李晓阳

（长安大学 汽车学院，陕西 西安 710064）

由于石油资源的越发匮乏，同时我国探明的石油储量仅占全球储量的2.3%，导致石油资源进口比例大。在“碳达峰”与“碳中和”的政策背景下新能源革命势在必行，使得传统燃油汽车将逐渐向新能源汽车转变。纯电动汽车作为新能源汽车，拥有环保、低噪音和使用成本低廉等优点而受到市场欢迎。来自新能源汽车国家监控与管理中心的数据显示，我国电动汽车保有主要分布在京津冀、江浙、广州及珠三角地区，而在维度较高的西北与东北地区较少[1]。主要是因为在寒冷地区，电动汽车的续航能力下降，充电时长增加。本文主要分析低温对蓄电池的影响，通过AVL Cruise软件对纯电动汽车进行仿真，研究低温对其续驶里程的影响。

1 低温对蓄电池的影响

1.1 低温对电池容量与端电压的影响

外界温度T的下降会导致整个化学反应速率k的下降，具体可以表现为锂离子参与的反应变慢、扩散速度下降。在充放电的条件下，锂离子容易在电池负极石墨处聚沉，而嵌入石墨的速度下降，能够参加电化学反应活性锂离子减少，进而引起整个电池的容量衰减。

根据电池相关理论知识，放电曲线的积分面积就是电池在该状态下的总能量，放电平台电压即积分面积与容量的比值。由于低温会导致锂离子电池的放电容量和放电平台电压都在下降，并且两者下降速度随温度下降而增大，导致电池所储存的总能量将随温度下降而迅速减小。

1.2 低温对蓄电池内阻的影响

关于内阻在低温下的影响，在微观角度，内阻的形成主要有三个方面：（1）电解液内部的离子电导率，即电解液对于自由离子迁移运动的阻碍作用，主要与介电常数和电解液的粘度有关系；（2）在石墨表面的固体电解液界面（Solid Electrolyte Interphase, SEI）膜的电导率，SEI膜在低温下对锂离子的阻碍作用也会增大；（3）在负极和正极材料中的锂离子扩散速率，主要和电极材料有关。

2 低温对纯电动汽车续驶里程的影响

纯电动汽车续驶里程与电池的输出功率、电池的状态和行驶状态有很大的关系，而低温对续驶里程的影响也主要体现在低温对驱动电池的影响上。

2.1 纯电动汽车功率消耗分析

与燃油车相同的是，纯电动汽车在行驶过程中满足行驶方程式，行驶中的汽车的驱动力等于所受的滚动阻力、坡度阻力、空气阻力和加速阻力；不同的是驱动力来源。纯电动汽车在行驶中，蓄电池是能量来源，电能传输到电动机，电动机再输出转矩；行驶过程中全部的能源都来自于动力电池。由汽车行驶方程式，驱动公式等推导可以得到纯电动汽车消耗总功率表示为

式中，Pv为牵引所消耗功率，W；PE为电池输出总功率；η为内部驱动、传动总等效效率；v为车速，km/h；G为汽车总重，N；f为滚动阻力系数；CD为空气阻力系数；A为迎风面积，m2；Fq为汽车牵引力，N；Ka为电动机电枢常数；φ为电动机电枢磁通；i为传动系总传动比；r为车轮滚动半径，m；I为电动机电流，A。

可以得到，在平整的纯电动汽车的消耗总功率与驱动电机消耗功率的关系。

2.2 续驶里程与功率消耗分析

纯电动汽车的续驶里程与电池充满电时的总能量相关，由于在不同条件下为保证电池的使用安全性，电池不一定能被允许放出全部的电量。从数值上看，纯电动汽车在完成规定行驶里程时消耗的总能量等于驱动电池的允许放电总能量。

在不考虑电池组中各个电池的一致性的情况下，动力电池的总能量可以表示为电池组的总容量与电池组总电压之积，电池的荷电状态为当前时刻的电池容量与充满电时的容量之比，比值小于或等于1。可以用最小允许放电终末荷电状态来表示电池的允许放电量，故续驶里程为

式中，VM为电池组端电压，V；C为电池组的容量，Ah；SOCmin为允许放电终末荷电状态；L为续驶里程；km。

结合式（1）与式（2），得到续驶里程与电池参数和电动机参数的关系用式（3）表示。

可以看出车轮滚动半径、允许放电终末的荷电状态、传动效率、驱动电池的电压与容量、电动机的参数都会影响里程。在固定的传动总效率和电动机参数以及汽车结构参数的情况下，续驶里程与电池组总电压、总容量成正相关。在低温条件下，动力锂电池的总容量下降，内阻增大，端电压减小，并且为了保护电池安全允许放电终末的最低荷电状态会增大，都会导致续驶里程在理论上的减小，以上这些电池参数的变化是导致低温续航里程减小的主要因素。

3 基于CRUISE纯电动汽车仿真分析

3.1 模型建立

对于常见的电动汽车，模型主要由转向驱动桥、差速器、制动器、主减速器、动力电池组、电动机组成。由于电动机的转矩和转速允许的变化范围很大，所以与内燃机汽车不同，电动汽车中可以除去变速器以及部分传送机构，增加电动汽车的传动效率。对于本次仿真，对续驶里程结果影响最重要的是驱动组件中的电动机与动力电池组。设置的电动汽车整车模型采用前轮驱动，具体设置如图1所示。

图1 整车仿真模型

本次仿真中将把电池组的电压、内阻与荷电状态的关系作为变量输入，建立各个变量之间的逻辑，将纯电动汽车的整车续驶里程作为结果输出。电池组通过电气连接为电动机与车载电气设备总成提供电能；电动机通过主减速器传动到差速器最后驱动半轴和车轮。加速防滑控制系统（Acceleration Stability Retainer, ASR）主要通过汽车四轮的滑转信号，通过离合器和制动器来调整车轮的滑移率。电动刹车单元模拟电动汽车的制动功能，电动汽车控制系统主要通过驾驶舱内和整车的各种信号，控制电动汽车的加速度、车速、制动压力等。

作为本次仿真的唯一变量模块，本次仿真将设置同一规格电池组在常温25 ℃和低温-15 ℃两种条件下的不同参数，并安装在同一车辆上，分别进行测试，对比两者续驶里程的变化。

市场某款动力电池参数为由120个端电压为3.2 V串联为一组，再由6组并联成为整体电池组，在25 ℃条件下，故电池组整体端电压为384 V，单体电池在额定容量为20 Ah，最低电压为300 V。而在-15 ℃下，单体电池的容量为15.4 Ah。由于模型中把120个电池单元串联成组且不考虑电池之间的一致性，故端电压放大120倍，输入电池的端电压与荷电状态函数中，结果如图2所示。

图2 -15 ℃下电池端电压与荷电状态的关系

整车参数设置如表1所示。

对于电动机的设置，由于永磁同步电动机设计中结构更为紧密，对空间要求较小；相比于异步电动机而言，其在较低的转速范围内可以得到更高的转矩与功率，故选用永磁同步电动机，且该电动机既作为驱动电机也作为制动储能电机。电动机的转矩、转速和效率三者的关系设置为软件自带的常用模型。

表1 纯电动汽车整车参数

3.2 仿真结果

根据国家标准化管理委员会发布的标准（GB/T 18386—2017），对于质量小于3 500 kg的纯电动汽车的续驶里程测试分为工况法和等速法。本次仿真任务将主要做新标欧洲循环测试（New European Driving Cycle, NEDC）循环工况和60 km/h的等速工况两种。NEDC工况主要由4个市区循环工况模拟城市道路交通和1个车速较高的市郊工况五部分组成。本次模拟设置为满载，采用冷启动，初始蓄电池荷电状态（State Of Charge, SOC）为当前温度条件下的100%。

在-15 ℃的条件下，NEDC循环工况仿真结果如图3所示。

图3 在-15 ℃条件下的NEDC循环工况测试结果

纯电动汽车在完成一次NEDC循环工况仿真后，电池组的SOC由该温度下的100%最终下降到94.30%，行驶里程为10 925.7 m，即在该条件下此纯电动汽车的续驶里程可以计算得出为182.08km。

同理，可以得到在常温25 ℃条件下的各工况的续驶里程，由两种温度下的对比仿真结果如表2所示。

可以看出，在-15 ℃条件下，纯电动汽车的NEDC工况的续驶里程较常温下，将下降39.48%，而60 km/h等速工况续驶里程将减小41.11%。主要原因是在低温下磷酸铁锂电池组的放电曲线变化，在整个放电过程中，电池组的放电电压都小于常温下的放电电压，而电池容量也相比常温下降近28%，同时允许放电深度减小，综合导致电池组的总能量急剧下降，从而使得续驶里程大幅下降。

表2 对比结果

4 结论

本文根据能量守恒定律和汽车行驶方程式以及相关电工学知识，推导出纯电动汽车的续驶里程与驱动电池的放电端电压、放电容量、允许放电深度的关系式。结合低温对电池参数的影响，定性分析得出续驶里程与电池的端电压和容量成正比，与电池内阻成反比。最后利用Cruise软件，对纯电动汽车在常温与低温下，分别进行NEDC和60 km/h等速工况仿真测试；计算得出纯电动汽车在-15 ℃条件下，相比于室温（25 ℃），续驶里程减少40%左右。