低溫對純電動汽車的影響

低溫對純電動汽車的影響摘要：汽車行業(yè)“新四化”的推進離不開對電動汽車在極端環(huán)境下的適應性研究。文章從車載電池的角度，分析出低溫下鋰電池的放電端電壓和容量都將減小，而電池內(nèi)阻增大，并且推導出純電動汽車的續(xù)駛里程與驅(qū)動電池的放電端電壓和容量成正比，與電池內(nèi)阻成反比，從而定性分析出低溫將減小純電動汽車的續(xù)駛里程。最后利用Cruise軟件進行整車仿真，得出在-15℃的循環(huán)工況條件下，純電動汽車的續(xù)駛里程較常溫，下降39.48％，而在60km/h等速工況下續(xù)駛里程減小41.11％。關鍵詞：純電動汽車；低溫續(xù)航；Cruise；鋰電池InfluenceofLowTemperatureonPureElectricVehiclesAbstract:Thepromotionofthe"newfourmodernizations"oftheautomotiveindustryisinseparablefromthestudyoftheadaptabilityofelectricvehiclesinextremeenvironments.Fromtheperspectiveofthevehiclebattery,thispaperanalyzesthatthedischargeterminalvoltageandcapacityofthelithiumbatterywilldecreaseatlowtemperatures,andtheinternalresistanceofthebatterywillincrease,anditisdeducedthatthedrivingrangeofthepureelectricvehicleisproportionaltothevoltageandcapacityofthedischargeterminalofthedrivingbattery,andisinverselyproportionaltotheinternalresistanceofthebattery,soastoqualitativelyanalyzethatthelowtemperaturewillreducethedrivingrangeofthepureelectricvehicle.Finally,thevehiclesimulationwascarriedoutbyCruisesoftware,anditisconcludedthatunderthecyclicworkingconditionsof-15°C,thedrivingrangeofpureelectricvehiclesdecreasedby39.48%comparedwithnormaltemperature,whilethedrivingrangewasreducedby41.11%undertheconditionof60km/hisometricworkingconditions.Keywords:Pureelectricvehicle;Lowtemperatureendurance;Cruise;Lithiumbattery由于石油資源的越發(fā)匱乏，同時我國探明的石油儲量僅占全球儲量的2.3％，導致石油資源進口比例大。在“碳達峰”與“碳中和”的政策背景下新能源革命勢在必行，使得傳統(tǒng)燃油汽車將逐漸向新能源汽車轉(zhuǎn)變。純電動汽車作為新能源汽車，擁有環(huán)保、低噪音和使用成本低廉等優(yōu)點而受到市場歡迎。來自新能源汽車國家監(jiān)控與管理中心的數(shù)據(jù)顯示，我國電動汽車保有主要分布在京津冀、江浙、廣州及珠三角地區(qū)，而在維度較高的西北與東北地區(qū)較少[1]。主要是因為在寒冷地區(qū)，電動汽車的續(xù)航能力下降，充電時長增加。本文主要分析低溫對蓄電池的影響，通過AVLCruise軟件對純電動汽車進行仿真，研究低溫對其續(xù)駛里程的影響。1低溫對蓄電池的影響1.1低溫對電池容量與端電壓的影響外界溫度T的下降會導致整個化學反應速率k的下降，具體可以表現(xiàn)為鋰離子參與的反應變慢、擴散速度下降。在充放電的條件下，鋰離子容易在電池負極石墨處聚沉，而嵌入石墨的速度下降，能夠參加電化學反應活性鋰離子減少，進而引起整個電池的容量衰減。根據(jù)電池相關理論知識，放電曲線的積分面積就是電池在該狀態(tài)下的總能量，放電平臺電壓即積分面積與容量的比值。由于低溫會導致鋰離子電池的放電容量和放電平臺電壓都在下降，并且兩者下降速度隨溫度下降而增大，導致電池所儲存的總能量將隨溫度下降而迅速減小。1.2低溫對蓄電池內(nèi)阻的影響關于內(nèi)阻在低溫下的影響，在微觀角度，內(nèi)阻的形成主要有三個方面1）電解液內(nèi)部的離子電導率，即電解液對于自由離子遷移運動的阻礙作用，主要與介電常數(shù)和電解液的粘度有關系；低溫下對鋰離子的阻礙作用也會增大3）在負極和正極材料中的鋰離子擴散速率，主要和電極材料有關。2低溫對純電動汽車續(xù)駛里程的影響純電動汽車續(xù)駛里程與電池的輸出功率、電池的狀態(tài)和行駛狀態(tài)有很大的關系，而低溫對續(xù)駛里程的影響也主要體現(xiàn)在低溫對驅(qū)動電池的影2.1純電動汽車功率消耗分析與燃油車相同的是，純電動汽車在行駛過程中滿足行駛方程式，行駛中的汽車的驅(qū)動力等于所受的滾動阻力、坡度阻力、空氣阻力和加速阻力；不同的是驅(qū)動力來源。純電動汽車在行駛中，蓄電池是能量來源，電能傳輸?shù)诫妱訖C，電動機再輸出轉(zhuǎn)矩；行駛過程中全部的能源都來自于動以得到純電動汽車消耗總功率表示為P=EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up7(1),η)P=EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up7(1),η)(3EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up7(Gf),6)EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up7(v),0)0+EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up7(C),7)EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up4(D),6)EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up7(A),1)EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up7(v),4)EQ\*jc3\*hps12\o\al(\s\up11(3),0))=EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up7(1),η)Fqv=EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up7(K),r)EQ\*jc3\*hps21\o\al(\s\up7(afi),η)Iv（1）總功率；η為內(nèi)部驅(qū)動、傳動總等效效率；v為車CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風面積，m2；Fq為汽機電樞磁通；i為傳動系總傳動比；r為車輪滾動半徑，m；I為電動機電流，A。可以得到，在平整的純電動汽車的消耗總功率與驅(qū)動電機消耗功率的關系。2.2續(xù)駛里程與功率消耗分析純電動汽車的續(xù)駛里程與電池充滿電時的總能量相關，由于在不同條件下為保證電池的使用安全性，電池不一定能被允許放出全部的電量。從數(shù)值上看，純電動汽車在完成規(guī)定行駛里程時消耗的總能量等于驅(qū)動電池的允許放電總能量。在不考慮電池組中各個電池的一致性的情況下，動力電池的總能量可以表示為電池組的總?cè)萘颗c電池組總電壓之積，電池的荷電狀態(tài)為當前時刻的電池容量與充滿電時的容量之比，比值小于或等于1。可以用最小允許放電終末荷電狀態(tài)來表示電池的允許放電量，故續(xù)駛里程為式中，VM為電池組端電壓，V；C為電池組的容量，Ah；SOCmin為允許放電終末荷電狀態(tài)；L為續(xù)駛里程；km。結(jié)合式（1）與式（2得到續(xù)駛里程與電池參數(shù)和電動機參數(shù)的關系用式（3）表示。1000Ka1000KaφiI可以看出車輪滾動半徑、允許放電終末的荷電狀態(tài)、傳動效率、驅(qū)動電池的電壓與容量、電動機的參數(shù)都會影響里程。在固定的傳動總效率和電動機參數(shù)以及汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，續(xù)駛里程與電池組總電壓、總?cè)萘砍烧嚓P。在低溫條件下，動力鋰電池的總?cè)萘肯陆?，?nèi)阻增大，端電壓減小，并且為了保護電池安全允許放電終末的最低荷電狀態(tài)會增大，都會導致續(xù)駛里程在理論上的減小，以上這些電池參數(shù)的變化是導致低溫續(xù)航里程減小的主要因素。3基于CRUISE純電動汽車仿真分析3.1模型建立對于常見的電動汽車，模型主要由轉(zhuǎn)向驅(qū)動橋、差速器、制動器、主減速器、動力電池組、電動機組成。由于電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速允許的變化范圍很大，所以與內(nèi)燃機汽車不同，電動汽車中可以除去變速器以及部分傳送機構(gòu)，增加電動汽車的傳動效率。對于本次仿真，對續(xù)駛里程結(jié)果影響最重要的是驅(qū)動組件中的電動機與動力電池組。設置的電動汽車整車模型采用前輪驅(qū)動，具體設置如圖1所示。圖1整車仿真模型本次仿真中將把電池組的電壓、內(nèi)阻與荷電狀態(tài)的關系作為變量輸入，建立各個變量之間的邏輯，將純電動汽車的整車續(xù)駛里程作為結(jié)果輸出。電池組通過電氣連接為電動機與車載電氣設備總成提供電能；電動機通過主減速器傳動到差速器最后驅(qū)動半軸和車輪。加速防滑控制系統(tǒng)（AccelerationStabilityRetainer,ASR）主要通過汽車四輪的滑轉(zhuǎn)信號，通過離合器和制動器來調(diào)整車輪的滑移率。電動剎車單元模擬電動汽車的制動功能，電動汽車控制系統(tǒng)主要通過駕駛艙內(nèi)和整車的各種信號，控制電動汽車的加速度、車速、制動壓力等。作為本次仿真的唯一變量模塊，本次仿真將設置同一規(guī)格電池組在常溫25℃和低溫-15℃兩種條件下的不同參數(shù)，并安裝在同一車輛上，分別進行測試，對比兩者續(xù)駛里程的變化。市場某款動力電池參數(shù)為由120個端電壓為模型中把120個電池單元串聯(lián)成組且不考慮電池之間的一致性，故端電壓放大120倍，輸入電池圖2-15℃下電池端電壓與荷電狀態(tài)的關系整車參數(shù)設置如表1所示。對于電動機的設置，由于永磁同步電動機設計中結(jié)構(gòu)更為緊密，對空間要求較??；相比于異步電動機而言，其在較低的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可以得到更高的轉(zhuǎn)矩與功率，故選用永磁同步電動機，且該電動機既作為驅(qū)動電機也作為制動儲能電機。電動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和效率三者的關系設置為軟件自帶的常用模型。表1純電動汽車整車參數(shù)整車參數(shù)參數(shù)值迎風面積/m22.0空氣阻力系數(shù)0.35整備質(zhì)量/kg裝載質(zhì)量/kg質(zhì)心高度/m0.56輪胎直徑/m0.574軸距/m2.753.2仿真結(jié)果根據(jù)國家標準化管理委員會發(fā)布的標準（GB/T18386—2017對于質(zhì)量小于3500kg的純電動汽車的續(xù)駛里程測試分為工況法和等速法。本次仿真任務將主要做新標歐洲循環(huán)測試（NewEuropeanDrivingCycle,NEDC）循環(huán)工況和60km/h的等速工況兩種。NEDC工況主要由4個市區(qū)循環(huán)工況模擬城市道路交通和1個車速較高的市郊工況五部分組成。本次模擬設置為滿載，采用冷啟動，初始蓄電池荷電狀態(tài)（StateOfCharge,SOC）為當前溫度條件下的100％。在-15℃的條件下，NEDC循環(huán)工況仿真結(jié)果圖3在-15℃條件下的NEDC循環(huán)工況測試結(jié)果純電動汽車在完成一次NEDC循環(huán)工況仿真后，電池組的SOC由該溫度下的100％最終下降到94.30％，行駛里程為10925.7m，即在該條件下此純電動汽車的續(xù)駛里程可以計算得出為182.08km。同理，可以得到在常溫25℃條件下的各工況可以看出，在-15℃條件下，純電動汽車的NEDC工況的續(xù)駛里程較常溫下，將下降39.48%,而60km/h等速工況續(xù)駛里程將減小41.11％。主要原因是在低溫下磷酸鐵鋰電池組的放電曲線變化，在整個放電過程中，電池組的放電電壓都小于常溫下的放電電壓，而電池容量也相比常溫下降近28％，同時允許放電深度減小，綜合導致電池組的總能量急劇下降，從而使得續(xù)駛里程大幅表2對比結(jié)果NEDC工況下續(xù)駛里程60km/h等速工況下續(xù)駛里程允許放電終25℃300.85km359.91km5%-15℃182.08km211.98km10%差值147.93km5%60.52%58.89%200%4結(jié)論本