電池系統(tǒng)低溫快充策略?xún)?yōu)化研究

朱紅 聶永福 蔣旭吟 王亞?wèn)| 謝堃

摘要：鋰離子動(dòng)力電池在低溫條件下表現(xiàn)了其相對(duì)較差的性能，由其是低溫快充特性。本文通過(guò)對(duì)整車(chē)在低溫下進(jìn)行快充實(shí)驗(yàn)，對(duì)低溫快充策略進(jìn)行優(yōu)化，將快充過(guò)程中的溫差、最高溫度、充電時(shí)間和充電能耗控制在整車(chē)合理的需求范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；低溫快充；充電策略

引言

近年來(lái)，隨著整車(chē)性能的提升，高能量密度的三元鋰離子電池已被運(yùn)用到純電動(dòng)汽車(chē)上。然而，極端的高低溫環(huán)境及電池自身特性限制了鋰離子動(dòng)力電池充放電功率的發(fā)揮，進(jìn)而影響整車(chē)性能[1]。由其是在低溫環(huán)境下，鋰離子電池內(nèi)部阻抗的增加及高倍率充電過(guò)程中存在鋰枝晶的風(fēng)險(xiǎn)[2]，將會(huì)嚴(yán)重影響到整車(chē)的低溫充電時(shí)間。因此，本文以具有高續(xù)航的純電動(dòng)汽車(chē)及其所使用的高能量密度電池系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)合鋰離子電池的低溫特性，進(jìn)行了整車(chē)低溫快充策略系統(tǒng)化研究。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象為純電動(dòng)汽車(chē)（401KM）使用的高比能量的三元?jiǎng)恿﹄姵叵到y(tǒng)，主要參數(shù)：額定容量為153Ah，電壓平臺(tái)為355.2V，高溫保護(hù)點(diǎn)為55℃。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

120 KW一體式直流充電樁（TCDZ-DC-0.7/120）

1.3實(shí)驗(yàn)方法

整車(chē)低溫快充：a）將整車(chē)以小電流（0.1C）放至空電狀態(tài)，并在低溫環(huán)境下（黑河、-25℃）靜置時(shí)間≥12h，確保電池的最低溫度在（-20±2）℃范圍內(nèi)，溫差控制在5 ℃以?xún)?nèi)；b）在120KW直流快充樁上進(jìn)行低溫充電；c）調(diào)整低溫快充策略，再進(jìn)行a）和b）實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2結(jié)果與討論

2.1 低溫快充策略對(duì)比

鋰離子電池在整個(gè)壽命期間會(huì)有較長(zhǎng)一段時(shí)間處于低溫環(huán)境下，電池在低溫下會(huì)導(dǎo)致電池化學(xué)反應(yīng)活性降低，影響電池的低溫充電能力。圖1中描述了本實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象在不同溫度段的快充電流，從圖中可以看出電池在0℃ ≥ Tmin ≥ -20℃范圍內(nèi)可以進(jìn)行充電，但是充電倍率較低，是無(wú)法滿(mǎn)足快充時(shí)間的要求，目前常用PTC對(duì)電池模組進(jìn)行外部加熱提高電池充電溫度。依據(jù)圖1的快充參數(shù)，制定不同的快充策略，對(duì)比快充的時(shí)間和溫度的變化，以?xún)?yōu)化整車(chē)的低溫快充策略。

依據(jù)前期確定的三種低溫充電策略進(jìn)行整車(chē)的快充實(shí)驗(yàn)，表1中記錄了三種低溫快充策略的快充及加熱時(shí)間、溫度變化和溫差?？斐洳呗?起始充電的溫度和SOC分別為-20℃和2.5%，前期利用8A的電流進(jìn)行PTC加熱至最低溫（Tmin）≥ 5℃，加熱期間及加熱截止后電池按照快充參數(shù)表進(jìn)行充電?？斐洳呗?和策略3加熱截止的最低溫度分別為≥ 15℃和≥ 20℃，兩種策略起始的SOC和溫度如表2所示。由表1統(tǒng)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出策略2（2h13min）和策略3（2h14min）的低溫快充時(shí)間相比策略1的3h26min有明顯的降低，主要是由于加熱結(jié)束后快充電流進(jìn)入到相對(duì)比較大的溫度階段。策略3的快充的最高溫度達(dá)到了42℃，溫差高達(dá)18℃，不利于快充后整車(chē)的正常行駛，且加熱時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，也造成了不必要的能耗。

2.2 低溫快充優(yōu)化后策略測(cè)試

依據(jù)不同快充策略的測(cè)試結(jié)果對(duì)比，優(yōu)化后的低溫快充實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，充電起始的最低溫度為-19℃，由圖2可觀(guān)察到隨著加熱的進(jìn)行電池溫差逐漸被拉大，為了防止充電截止溫差過(guò)大，策略2將加熱截止的最低溫度控制在Tmin = 15℃。策略2可以防止加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的溫差過(guò)大，這樣電池的最高溫度會(huì)維持在40℃以下，不會(huì)進(jìn)入到降功率充電階段。策略2加熱結(jié)束后的快充電流進(jìn)入20℃ > Tmin ≥ 15℃階段，此時(shí)快充倍率達(dá)到1.05C，電池充電時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)把電池溫度相對(duì)較快拉升至Tmin ≥ 20℃。因此，電池在充電至4.15V約86%SOC前均可以維持在0.85C左右的充電倍率，在降低快充時(shí)間的同時(shí)，且截止溫度也不會(huì)過(guò)高。

3總結(jié)

本文綜合考慮了電芯的低溫充電特性和整車(chē)性能需求，對(duì)比不同低溫快充策略的測(cè)試結(jié)果，進(jìn)行快充策略?xún)?yōu)化，以實(shí)現(xiàn)短的快充時(shí)間、低的加熱能耗及確保電池低溫充電安全性能。

參考文獻(xiàn)

[1] Jaguemont J，Boulon L，Dubé Y. A comprehensive review of lithium-ion batteries used in hybrid and electric vehicles at cold temperatures[J]. Applied Energy，2016，164：99-114.

[2] Smart M C，Ratnakumar B V，Whitcanack L，et al. Performance characteristics of lithium ion cells at low temperatures[J]. IEEE aerospace and electronic systems magazine，2002，17（12）：16-20.

（作者單位：奇瑞新能源汽車(chē)技術(shù)有限公司）