電動(dòng)汽車低溫充電性能的研究與分析

秦鑫

摘要：如今，隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電動(dòng)汽車的應(yīng)用越來越廣泛。而低溫充電一直是制約各車企向寒冷地區(qū)范圍難以推廣電動(dòng)汽車的重要原因。本文選取某電動(dòng)汽車作為對(duì)象，通過不同溫度下不同充電方式試驗(yàn)對(duì)比，分析了動(dòng)力電池低溫充電的風(fēng)險(xiǎn)及問題，并提出了一種提高動(dòng)力電池低溫充電能力的方法。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;低溫充電性能;研究;分析

引言

由于電動(dòng)汽車在低溫環(huán)境下存在續(xù)駛里程大幅縮短、充電時(shí)間加長、動(dòng)力性下降等問題，導(dǎo)致其在高寒地區(qū)的推廣應(yīng)用較少。本文主要介紹了電動(dòng)汽車在高寒環(huán)境下的適應(yīng)性研究方案，并結(jié)合具體車型的研究成果展開分析。所述的低溫環(huán)境適應(yīng)性研究包含低溫冷啟動(dòng)、除霜、采暖、直流/交流充電、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、能量回收、以及制動(dòng)操穩(wěn)性。

1低溫對(duì)充電時(shí)效的影響

由于在低溫環(huán)境中磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的電化學(xué)性能降低，不能進(jìn)行充放電或者充放電效率降低，為了解決這一問題，動(dòng)力電池系統(tǒng)采用熱管理系統(tǒng)，對(duì)電池包進(jìn)行加熱處理，使電芯在最佳的溫度范圍內(nèi)工作。表1所示為某輕型商用電動(dòng)車在低溫環(huán)境與常溫時(shí)充電時(shí)效的對(duì)比。由表可見，在-10℃時(shí)動(dòng)力電池系統(tǒng)所需要的充電時(shí)間更長，其原因是低溫電池管理系統(tǒng)會(huì)首先啟動(dòng)熱管理程序，對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行加熱，只有加熱到電芯適合充電的溫度時(shí)才能進(jìn)行充電，這個(gè)過程不僅需要時(shí)間，而且也會(huì)消耗動(dòng)力電池系統(tǒng)的電量。因此，一般在低溫環(huán)境中使用車輛時(shí)，需設(shè)置的SOC最低限值比常溫更大，以滿足低溫加熱的需求。在低溫條件下完成充電時(shí)，動(dòng)力電池系統(tǒng)的總電壓及單體電壓均要小于在常溫時(shí)，這是由于溫度越低，電池的內(nèi)阻越大，Li+擴(kuò)散阻抗越大所致。

2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1實(shí)驗(yàn)對(duì)象

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池額定容量140Ah，充電單體最高、最低電壓閾值分別為4.2V和2.8V。步入式高低溫濕熱試驗(yàn)室：賽寶，120KW，型號(hào)為EW594065W32A交流充電樁：循道，7KW，型號(hào)XDJ32-E-32A/220V-XD001

2.2試驗(yàn)步驟

（1）電動(dòng)汽車分別置于-20℃和25℃環(huán)境，靜置6h，慢充至截止條件。（2）電動(dòng)汽車置于-20℃環(huán)境，靜置6h，邊加熱邊充電方式充電至截止條件。（3）電動(dòng)汽車置于-20℃環(huán)境，靜置6h，通過BMS軟件控制加熱截止溫度為15℃與25℃。

3結(jié)果與分析

3.1不同溫度低溫充電

圖1中當(dāng)25℃充電時(shí)，電流可以達(dá)到18A，相應(yīng)的充電時(shí)間約8.3小時(shí)。但在-20℃溫度環(huán)境下充電時(shí)，只能以7A左右電流進(jìn)行，小電流造成充電時(shí)間長達(dá)17.25小時(shí)。低溫充電時(shí)，正負(fù)極材料的反應(yīng)活性變差，電解液粘度變大，鋰離子向負(fù)極遷移的速度減慢，一方面導(dǎo)致電池容量下降，一方面導(dǎo)致負(fù)極表面析鋰，進(jìn)一步形成鋰枝晶，刺穿隔膜，最終影響動(dòng)力電池壽命。因此，一般不建議在低溫下進(jìn)行充電，必須在低溫充電時(shí)，也會(huì)選擇較小的電流。為了改善這種問題，我們要考慮在低溫下加熱，先把動(dòng)力電池加熱，再進(jìn)行充電。

3.2不同充電方式低溫充電

采用邊加熱邊充電的方式，充電電流明顯高于不加熱充電方式，充電時(shí)間明顯縮短。為采用邊加熱邊充電的方式，充電過程中電流和溫度的變化曲線。當(dāng)動(dòng)力電池處在-20℃環(huán)境時(shí)，-20℃

3電動(dòng)汽車低溫適應(yīng)性研究

3.1低溫采暖

采暖是冬季高寒地區(qū)日常出行必不可少的一項(xiàng)功能，與傳統(tǒng)汽車采用發(fā)動(dòng)機(jī)暖風(fēng)水箱采暖的方式不同，純電動(dòng)汽車多是采用電加熱管加熱的方式采暖。電加熱管的加熱性能和能耗，是影響純電動(dòng)汽車采暖和續(xù)航的關(guān)鍵因素。因此，測(cè)試純電動(dòng)汽車低溫采暖、保溫能力，監(jiān)控整車低溫采暖能耗，對(duì)于推廣純電動(dòng)汽車應(yīng)用，推進(jìn)節(jié)能減排有重要意義。低溫采暖主要驗(yàn)證空調(diào)系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的工作可靠性，靜態(tài)與行車采暖時(shí)車輛的快速升溫和保溫能力，以及低溫采暖對(duì)車輛續(xù)航的影響。在進(jìn)行低溫采暖試驗(yàn)時(shí)，首先要對(duì)車輛主要位置（如：頭部、腳部、外溫、各出風(fēng)口）進(jìn)行溫度傳感器布點(diǎn)，然后選擇高寒天氣，分別在靜態(tài)、行車時(shí)開啟PTC，研究車輛主要位置的溫度變化情況、整車采暖能耗、采暖舒適性、以及開/閉PTC時(shí)的續(xù)航差異。需要注意的是，采暖試驗(yàn)中，整車的采暖效果受多個(gè)條件影響，自動(dòng)空調(diào)與非自動(dòng)空調(diào)的影響因素也不同。對(duì)于自動(dòng)空調(diào)，只需要開啟空調(diào)AUTO模式，測(cè)試升溫、保溫、能耗及主觀舒適性即可;對(duì)于非自動(dòng)空調(diào)，則需要考慮車輛靜態(tài)/動(dòng)態(tài)、內(nèi)/外循環(huán)方式、PTC檔位、鼓風(fēng)機(jī)檔位、吹風(fēng)方式等，測(cè)試不同條件下整車的采暖效果。

3.2低溫充電

低溫充電試驗(yàn)主要驗(yàn)證車輛在高寒環(huán)境時(shí)，車輛充電功能與性能是否可靠。由于動(dòng)力電池低溫充電能力明顯遜與低溫放電能力，甚至當(dāng)溫度低于一定條件時(shí)，禁止給電池充電。因此廠家在設(shè)計(jì)車輛低溫充電功能時(shí)，通常采用預(yù)加熱的方式，也就是當(dāng)環(huán)境溫度低于廠家所設(shè)定的可充電溫度，車輛進(jìn)行充電時(shí)會(huì)率先對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行預(yù)加熱，當(dāng)動(dòng)力電池溫度提升至可充電溫度后再啟動(dòng)充電，以保證車輛充電效率、充電速度、充電穩(wěn)定性和安全性。純電動(dòng)汽車充電分為交流慢充和直流快充兩種充電方式。交流慢充主要通過車載充電機(jī)、隨車充電線、充電樁進(jìn)行充電，由于車載充電機(jī)功率較小，導(dǎo)致充電時(shí)間較長;直流快充主要通過快充樁進(jìn)行充電，快充樁功率較大，可快速為車輛補(bǔ)電。低溫充電主要考察純電動(dòng)汽車低溫環(huán)境下可充電性、充電過程無故障、充電時(shí)間符合要求。

結(jié)語

隨著電動(dòng)汽車的不斷發(fā)展，應(yīng)用范圍、使用環(huán)境越來越復(fù)雜，將要面對(duì)的使用狀況越來越嚴(yán)苛，因此低溫充電性能將是影響電動(dòng)汽車進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。邊加熱邊充電的慢充方式，可以明顯改善低溫充電的問題，但目前策略仍存在加熱時(shí)溫差大，低溫下充電電流小的問題。在未來新能源發(fā)展中，一方面需要研究更高性能的電芯，實(shí)現(xiàn)低溫下更大電流充電，另一方面則需要企業(yè)在使用時(shí)，不斷的優(yōu)化充電策略和使用方式，提升低溫充電性能。

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