純電動汽車鋰離子電池低溫充電方法對溫升速率的影響分析

李麗麗　夏弋茹　楊振　何忠青　王勃洋

【摘要】為了解決鋰離子電池在寒冷環境中充電能力下降導致充電時間大幅增加的問題，分析了鋰離子電池的低溫充電方法，并針對純電動車用鋰離子電池在低溫下充電方法的差異對電池溫升速率的影響展開研究，對改善電池低溫充電速率和提升純電動車低溫充電能力提出建議。

關鍵詞：純電動汽車；低溫；充電方法；電池加熱；溫升速率

中圖分類號：U469.72? ?文獻標志碼：A? ?DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20230015

Analysis on Influence of Low Temperature Charging Method on Temperature Rise Rate of Lithium-ion Batteries for Pure Electric Vehicles

Li Lili， Xia Yiru， Yang Zhen， He Zhongqing， Wang Boyang

（Global R&D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013）

【Abstract】 In order to solve the problem that the lithium-ion batteries charging capacity decreases in cold environments， this paper analyzes the low temperature charging methods of lithium-ion batteries， and studies the impact of the differences in charging methods of lithium-ion batteries for pure electric vehicles at low temperatures on the battery temperature rise rate， and puts forward suggestions on improving the low temperature charging rate of batteries and the low temperature charging capacity of pure electric vehicles.

Key words： Electric vehicles， Low temperature， Charging method， Battery heating， Temperature rise rate

0 引言

鋰離子電池因其具有能量密度高、循環壽命長、無記憶效應等多項優勢而被廣泛應用于電動汽車領域[1]。然而，低溫下鋰離子電池內阻增大、峰值功率和可用能量下降[2-3]，并且鋰離子電池在低溫下充電容易引起負極析鋰，導致電池內短路，引發安全事故[4]。我國北方大部分地區冬天的最低溫度常在-10 ℃以下，部分地區甚至低于-40 ℃[5]。因此，低溫下鋰離子電池的充電能力下降、充電易析鋰等問題嚴重影響純電動汽車的充電時間和充電安全，成為制約純電動汽車普及的因素之一。

在低溫條件下動力電池如何快速、安全充電是促進純電汽車在寒冷地區推廣應用的關鍵。目前鋰離子電池常溫下的充電方法較多，如恒流恒壓充電[6]、多階段恒流充電[7]、脈沖充電[8]、正弦交流充電[9]和多目標優化充電[10-11]等方法。Tippmann等[12]在不同溫度以不同充電倍率和不同充電模式對電池進行充電實驗，發現低溫和大倍率充電時電池壽命由于負極析鋰導致加速衰退。Yang等[13]對不同能量密度的電池在不同溫度和不同充電倍率下充電時的壽命衰減進行分析，發現在常溫時可接受的電流在低溫充電下會導致電池壽命呈加速衰退趨勢。為避免電池負極析鋰，在低溫下電池可接受的充電電流非常小，導致低溫下充電速度緩慢，充電時間延長，加大了電動車用戶的里程焦慮。為解決鋰離子電池低溫性能差及充電難、易析鋰等問題，Song等[14]采用對流加熱的方式分析電池加熱需求，實現以最少的外部能量快速加熱電池的目的。Zhu等[15]構建了電池熱學模型來計算電池產熱、預測電池溫升。上述研究從低溫加熱的角度入手，將電池溫度升高到適宜溫度，使其性能基本能夠完全恢復，以快速、高效、無析鋰的狀態充入電能[16-17]。電池溫度升高的速度嚴重影響著電池的低溫充電時間，本文在對鋰離子電池低溫充電策略相關文獻分析的基礎上，展開低溫充電方法的差異對電池溫升速率的影響研究，從而通過提高溫升速率來縮短充電時間。

1 低溫充電方法對溫升速率的影響

1.1 低溫充電方法研究現狀

低溫環境下動力電池可接受的充電電流很小，如果用常溫下的大電流充電會導致負極析鋰，引發電池壽命大幅度衰減，為此相關領域的學者和工程師提出了低溫充電策略。Remmlinger等[18]基于電化學模型提出了恒流恒負極電勢恒壓充電策略，在縮短充電的同時避免了負極析鋰。Ge等[19]建立了低溫下電池析鋰模型，并推導了低溫下、不同荷電狀態可接受的最大電流，開發了低溫充電策略。此外，如果使用常溫充電策略以小電流充電，將導致充電時間的延長，并且隨著溫度的降低充電時間急劇延長，難以滿足快速充電的需求。因此，為了增大電池可接受的充電電流、縮短充電時間，一般采用對電池加熱的低溫充電方式，即通過升高電池系統溫度來增加充電電流，從而縮短充電時間[16]。Zhao等[20]將電池加熱到3 ℃后以常規充電方法對電池充電，14 min內將電池充到SOC為80%，重復500次后出現析鋰現象。Yang等[21]將電池加熱到20 ℃后用3.5 C電流在15 min內將電池充到SOC為80%，重復多次后電池壽命未出現加速衰退。以上文獻表明，提高電池溫度是實現電池低溫快速充電的有效方案。如何升高電池溫度也成為縮短充電時間的重要影響因素，而電池升溫方式的不同直接影響溫升速率，繼而影響縮短充電時間。因此，本文對不同加熱方式的低溫充電方法對溫升速率的影響展開分析。

目前，汽車制造商在低溫充電方法上多采用先加熱后充電和邊加熱邊充電的動力電池低溫充電方法。其中，加熱方式均采用外部熱源的形式。表1總結了3款車型在低溫充電時的基本參數信息。其中，車輛低溫充電的測試根據EV-TSET[22]管理規則中對低溫充電時間測試方法的規定進行實施。

1.2 先加熱后充電的充電方法

先加熱后充電指的是在低溫環境下，充電槍連接車輛后不立即對動力電池執行充電行為，而是先通過充電樁端對外部熱源進行供電繼而給電池加熱，加熱到一定溫度后進入到邊加熱邊充電的模式，這時充電樁端在給外部熱源供電加熱電池的同時也給電池充電。由表1可知，車輛A和車輛B充電方法一致、電池容量相同，但外部熱源的加熱功率相差較大。由圖1、圖2可知，車輛A和車輛B在整個充電過程中，電池冷卻系統不工作，因此不考慮低溫充電時冷卻系統對電池溫度的影響。綜合上述分析，對比車輛A和車輛B在外部熱源加熱功率不同時，僅加熱不充電階段的溫升速率差異。圖3、圖4所示為車輛A、B在-10 ℃環境溫度下，外部熱源加熱功率的分布情況，平均加熱功率分別為6 kW和2 kW。

由圖5a的電池溫度曲線可知，車輛A在充電開始前15 min外部熱源給電池加熱，電池溫度由-1.5 ℃上升至3.5 ℃，溫升速率為0.33 ℃/min。由圖6a的電池溫度曲線可知，車輛B在充電開始前30 min電池僅加熱不充電，電池溫度由-1.5 ℃上升至1.5 ℃，溫升速率為0.1 ℃/min，車輛A的溫升速率是車輛B的3.3倍。因此，在電池僅加熱不充電階段，外部熱源的加熱功率直接影響電池的溫升速率，且影響較大。

車輛A和車輛B分別經過15 min和30 min的僅加熱不充電階段后，使電池包溫度達到合適溫度，隨后低溫充電進入邊加熱邊充電模式，車輛A和車輛B的外部熱源在該模式分別工作26 min和90 min。期間，車輛A的電池溫度上升了36.5 ℃，溫升速率為1.4 ℃/min；車輛B的電池溫度上升了36 ℃，溫升速率為0.4 ℃/min，對比僅加熱不充電階段的溫升速率，當前充電模式下的溫升速率是其4～5倍。在邊加熱邊充電階段，車輛A、B的電池SOC變化如圖7所示。車輛A的電池SOC由3%上升至48%，平均充電功率約為79.7 kW/h。車輛B的電池SOC由3%上升至85%，平均充電功率約為50 kW/h，車輛A的平均充電功率是車輛B的1.6倍。綜合上述分析，低溫快充時電池溫升速率與充電電流密切相關。電池溫升速率越大，平均充電功率增加，電池充電能力越強。

圖5b中，車輛A的穩定充電電流約為231 A，此后充電電流逐漸下降至充電結束，電池系統最高溫度上升至45.5 ℃，隨著充電電流的減小，電池溫度也在逐漸下降，此時為了維持一定的充電電流，外部熱源啟動以6 kW的功率對電池進行約7 min的持續加熱，如圖1所示。圖6b中，車輛B的峰值充電電流約為210 A，維持較短時間后逐漸減小，電池系統溫度也隨之減小，從而啟動外部熱源對電池進行70 min加熱，如圖4所示。此時，電池充電電流大小與電池溫度相互制約，需要外部熱源加熱電池使電池溫度升高，從而抑制由于溫度下降導致充電電流減小。

1.3 邊加熱邊充電的充電方法

邊加熱邊充電指外部熱源給電池加熱的同時充電樁給電池充電，在電池管理系統檢測到電池溫度低于一定數值并且收到充電指令，則進入邊加熱邊充電的充電模式。表1中，車輛C的低溫充電方法為邊加熱邊充電。因此，基于車輛C低溫充電過程中電池相關參數變化對該充電模式下的溫升速率差異進行分析。車輛C在低溫充電過程中，外部熱源和電池冷卻系統功率變化如圖8和圖9所示，在邊加熱邊充電的模式下，外部熱源約以6 kW的加熱功率對電池進行加熱，持續28 min；期間，電池冷卻系統不工作，對電池溫度無影響，如圖9所示。

低溫充電條件下，車輛C電池荷電狀態的變化如圖10所示，整個充電過程電池荷電狀態從0%上升至100%，外部熱源工作期間電池荷電狀態增加40%，平均充電功率約為69.4 kW/h，根據圖12中標注的兩階段電池溫度變化，荷電狀態變化分別為10%和17%。

車輛C充電電流和電池電壓的變化趨勢如圖11所示。電池電壓由323 V升高至391 V，基本穩定在電池系統額定電壓，無明顯變化；充電電流約28 min后達到最大充電電流219 A。對外部熱源工作過程中充電電流和電池溫度的變化展開分析，觀察圖11中電流的變化曲線，在達到峰值充電電流前選取2段穩定充電電流曲線，同時分析圖12中電池溫度變化。從圖11電流的變化曲線可知，在開始充電階段，初始充電電流約111 A，持續時間為10 min，對應圖12中電池溫度由-3 ℃上升至6 ℃，溫升速率為0.9 ℃/min；在第二段穩定電流區間，約以200 A的充電電流對電池充電，同樣持續10 min，電池溫度由15 ℃上升至27 ℃，溫升速率為1.2 ℃/min。從電池溫升速率和充電倍率上比較，充電電流的大小直接影響電池充電時的溫升速率，從而影響充電倍率，穩定充電電流越大，電池溫升速率越大，充電倍率越高，相同時間下充入的電量越多。

2 結束語

受鋰離子電池的電化學性質影響，其在低溫條件下充電能力下降，根本原因是為了防止低溫條件下大電流充電電池負極析鋰，從而降低充電電流導致充電能力下降。為解決這一問題，大多數采取提升電池溫度以增大低溫條件下充電電流的方法。本文選取3種車型、2種低溫充電方法對純電動車用鋰離子動力電池低溫充電時電池溫升速率的影響因素展開分析。

在不同車型、低溫充電方法相同、不同加熱功率的條件下分析僅加熱不充電階段電池的溫升速率，結果表明外部熱源加熱功率越大，電池溫度升高越快、溫升速率越大。對比同一車型在僅加熱不充電階段和邊加熱邊充電階段溫升速率和平均充電速率的差異，說明電流的加入對提升低溫下電池溫度有較好的效果，電池溫度的增加使得電池充電表現更好、平均充電速率更大，充電更快。此外，通過對僅采用邊加熱邊充電方法的車輛電池充電電流及溫度變化進行分析，得到充電電流的大小與電池溫度具有一定相關性，從而影響溫升速率的大小及充電倍率，最終直接關系到低溫下動力電池的充電時間。

綜合上述分析，外部熱源的加熱功率、充電模式及穩定充電電流的大小均為影響鋰離子電池溫升速率的重要因素，通過增加外部熱源功率、優化低溫充電模式和增加初始充電電流大小來提高電池溫升速率。本文僅在現有數據上對溫升速率的影響因素進行了基于數據驅動的定性分析，后續可在有大量試驗數據的基礎上對自變量與因變量開展定量分析以及各自變量間的相關性分析。

參 考 文 獻

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（責任編輯 明慧）

【作者簡介】

李麗麗（1995—），女，中國第一汽車股份有限公司研發總院，碩士，助理工程師，研究方向為新能源汽車整車開發系統集成。

E-mail：lilili9@faw.com.cn