低溫對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的影響

低溫對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)的影響摘要：汽車(chē)行業(yè)“新四化”的推進(jìn)離不開(kāi)對(duì)電動(dòng)汽車(chē)在極端環(huán)境下的適應(yīng)性研究。文章從車(chē)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(dǎo)出純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程與驅(qū)動(dòng)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(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程。最后利用Cruise軟件進(jìn)行整車(chē)仿真，得出在-15℃的循環(huán)工況條件下，純電動(dòng)汽車(chē)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(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車(chē)；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(shí)我國(guó)探明的石油儲(chǔ)量?jī)H占全球儲(chǔ)量的2.3％，導(dǎo)致石油資源進(jìn)口比例大。在“碳達(dá)峰”與“碳中和”的政策背景下新能源革命勢(shì)在必行，使得傳統(tǒng)燃油汽車(chē)將逐漸向新能源汽車(chē)轉(zhuǎn)變。純電動(dòng)汽車(chē)作為新能源汽車(chē)，擁有環(huán)保、低噪音和使用成本低廉等優(yōu)點(diǎn)而受到市場(chǎng)歡迎。來(lái)自新能源汽車(chē)國(guó)家監(jiān)控與管理中心的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)電動(dòng)汽車(chē)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?yàn)樵诤涞貐^(qū)，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航能力下降，充電時(shí)長(zhǎng)增加。本文主要分析低溫對(duì)蓄電池的影響，通過(guò)AVLCruise軟件對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行仿真，研究低溫對(duì)其續(xù)駛里程的影響。1低溫對(duì)蓄電池的影響1.1低溫對(duì)電池容量與端電壓的影響外界溫度T的下降會(huì)導(dǎo)致整個(gè)化學(xué)反應(yīng)速率k的下降，具體可以表現(xiàn)為鋰離子參與的反應(yīng)變慢、擴(kuò)散速度下降。在充放電的條件下，鋰離子容易在電池負(fù)極石墨處聚沉，而嵌入石墨的速度下降，能夠參加電化學(xué)反應(yīng)活性鋰離子減少，進(jìn)而引起整個(gè)電池的容量衰減。根據(jù)電池相關(guān)理論知識(shí)，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(tái)電壓即積分面積與容量的比值。由于低溫會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池的放電容量和放電平臺(tái)電壓都在下降，并且兩者下降速度隨溫度下降而增大，導(dǎo)致電池所儲(chǔ)存的總能量將隨溫度下降而迅速減小。1.2低溫對(duì)蓄電池內(nèi)阻的影響關(guān)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(gè)方面1）電解液內(nèi)部的離子電導(dǎo)率，即電解液對(duì)于自由離子遷移運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，主要與介電常數(shù)和電解液的粘度有關(guān)系；低溫下對(duì)鋰離子的阻礙作用也會(huì)增大3）在負(fù)極和正極材料中的鋰離子擴(kuò)散速率，主要和電極材料有關(guān)。2低溫對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的影響純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(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(guān)系，而低溫對(duì)續(xù)駛里程的影響也主要體現(xiàn)在低溫對(duì)驅(qū)動(dòng)電池的影2.1純電動(dòng)汽車(chē)功率消耗分析與燃油車(chē)相同的是，純電動(dòng)汽車(chē)在行駛過(guò)程中滿足行駛方程式，行駛中的汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)力等于所受的滾動(dòng)阻力、坡度阻力、空氣阻力和加速阻力；不同的是驅(qū)動(dòng)力來(lái)源。純電動(dòng)汽車(chē)在行駛中，蓄電池是能量來(lái)源，電能傳輸?shù)诫妱?dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)再輸出轉(zhuǎn)矩；行駛過(guò)程中全部的能源都來(lái)自于動(dòng)以得到純電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)、傳動(dòng)總等效效率；v為車(chē)CD為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積，m2；Fq為汽機(jī)電樞磁通；i為傳動(dòng)系總傳動(dòng)比；r為車(chē)輪滾動(dòng)半徑，m；I為電動(dòng)機(jī)電流，A?？梢缘玫?，在平整的純電動(dòng)汽車(chē)的消耗總功率與驅(qū)動(dòng)電機(jī)消耗功率的關(guān)系。2.2續(xù)駛里程與功率消耗分析純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程與電池充滿電時(shí)的總能量相關(guān)，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(dòng)汽車(chē)在完成規(guī)定行駛里程時(shí)消耗的總能量等于驅(qū)動(dòng)電池的允許放電總能量。在不考慮電池組中各個(gè)電池的一致性的情況下，動(dòng)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(dāng)前時(shí)刻的電池容量與充滿電時(shí)的容量之比，比值小于或等于1?？梢杂米钚≡试S放電終末荷電狀態(tài)來(lái)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(dòng)機(jī)參數(shù)的關(guān)系用式（3）表示。1000Ka1000KaφiI可以看出車(chē)輪滾動(dòng)半徑、允許放電終末的荷電狀態(tài)、傳動(dòng)效率、驅(qū)動(dòng)電池的電壓與容量、電動(dòng)機(jī)的參數(shù)都會(huì)影響里程。在固定的傳動(dòng)總效率和電動(dòng)機(jī)參數(shù)以及汽車(chē)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(guān)。在低溫條件下，動(dòng)力鋰電池的總?cè)萘肯陆担瑑?nèi)阻增大，端電壓減小，并且為了保護(hù)電池安全允許放電終末的最低荷電狀態(tài)會(huì)增大，都會(huì)導(dǎo)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(dǎo)致低溫續(xù)航里程減小的主要因素。3基于CRUISE純電動(dòng)汽車(chē)仿真分析3.1模型建立對(duì)于常見(jiàn)的電動(dòng)汽車(chē)，模型主要由轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋、差速器、制動(dòng)器、主減速器、動(dòng)力電池組、電動(dòng)機(jī)組成。由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速允許的變化范圍很大，所以與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)不同，電動(dòng)汽車(chē)中可以除去變速器以及部分傳送機(jī)構(gòu)，增加電動(dòng)汽車(chē)的傳動(dòng)效率。對(duì)于本次仿真，對(duì)續(xù)駛里程結(jié)果影響最重要的是驅(qū)動(dòng)組件中的電動(dòng)機(jī)與動(dòng)力電池組。設(shè)置的電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)模型采用前輪驅(qū)動(dòng)，具體設(shè)置如圖1所示。圖1整車(chē)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(guān)系作為變量輸入，建立各個(gè)變量之間的邏輯，將純電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)?yán)m(xù)駛里程作為結(jié)果輸出。電池組通過(guò)電氣連接為電動(dòng)機(jī)與車(chē)載電氣設(shè)備總成提供電能；電動(dòng)機(jī)通過(guò)主減速器傳動(dòng)到差速器最后驅(qū)動(dòng)半軸和車(chē)輪。加速防滑控制系統(tǒng)（AccelerationStabilityRetainer,ASR）主要通過(guò)汽車(chē)四輪的滑轉(zhuǎn)信號(hào)，通過(guò)離合器和制動(dòng)器來(lái)調(diào)整車(chē)輪的滑移率。電動(dòng)剎車(chē)單元模擬電動(dòng)汽車(chē)的制動(dòng)功能，電動(dòng)汽車(chē)控制系統(tǒng)主要通過(guò)駕駛艙內(nèi)和整車(chē)的各種信號(hào)，控制電動(dòng)汽車(chē)的加速度、車(chē)速、制動(dòng)壓力等。作為本次仿真的唯一變量模塊，本次仿真將設(shè)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(chē)輛上，分別進(jìn)行測(cè)試，對(duì)比兩者續(xù)駛里程的變化。市場(chǎng)某款動(dòng)力電池參數(shù)為由120個(gè)端電壓為模型中把120個(gè)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(guān)系整車(chē)參數(shù)設(shè)置如表1所示。對(duì)于電動(dòng)機(jī)的設(shè)置，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)更為緊密，對(duì)空間要求較小；相比于異步電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，且該電動(dòng)機(jī)既作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)也作為制動(dòng)儲(chǔ)能電機(jī)。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和效率三者的關(guān)系設(shè)置為軟件自帶的常用模型。表1純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)參數(shù)整車(chē)參數(shù)參數(shù)值迎風(fēng)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)（GB/T18386—2017對(duì)于質(zhì)量小于3500kg的純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程測(cè)試分為工況法和等速法。本次仿真任務(wù)將主要做新標(biāo)歐洲循環(huán)測(cè)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(gè)市區(qū)循環(huán)工況模擬城市道路交通和1個(gè)車(chē)速較高的市郊工況五部分組成。本次模擬設(shè)置為滿載，采用冷啟動(dòng)，初始蓄電池荷電狀態(tài)（StateOfCharge,SOC）為當(dāng)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(cè)試結(jié)果純電動(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程可以計(jì)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(dòng)汽車(chē)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(gè)放電過(guò)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(shí)允許放電深度減小，綜合導(dǎo)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(duì)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