電池系統低溫快充策略優化研究

朱紅 聶永福 蔣旭吟 王亞東 謝堃

摘要：鋰離子動力電池在低溫條件下表現了其相對較差的性能，由其是低溫快充特性。本文通過對整車在低溫下進行快充實驗，對低溫快充策略進行優化，將快充過程中的溫差、最高溫度、充電時間和充電能耗控制在整車合理的需求范圍內。

關鍵詞：鋰離子電池；低溫快充；充電策略

引言

近年來，隨著整車性能的提升，高能量密度的三元鋰離子電池已被運用到純電動汽車上。然而，極端的高低溫環境及電池自身特性限制了鋰離子動力電池充放電功率的發揮，進而影響整車性能[1]。由其是在低溫環境下，鋰離子電池內部阻抗的增加及高倍率充電過程中存在鋰枝晶的風險[2]，將會嚴重影響到整車的低溫充電時間。因此，本文以具有高續航的純電動汽車及其所使用的高能量密度電池系統為研究對象，結合鋰離子電池的低溫特性，進行了整車低溫快充策略系統化研究。

1實驗

1.1實驗對象

本實驗的研究對象為純電動汽車（401KM）使用的高比能量的三元動力電池系統，主要參數：額定容量為153Ah，電壓平臺為355.2V，高溫保護點為55℃。

1.2實驗設備

120 KW一體式直流充電樁（TCDZ-DC-0.7/120）

1.3實驗方法

整車低溫快充：a）將整車以小電流（0.1C）放至空電狀態，并在低溫環境下（黑河、-25℃）靜置時間≥12h，確保電池的最低溫度在（-20±2）℃范圍內，溫差控制在5 ℃以內；b）在120KW直流快充樁上進行低溫充電；c）調整低溫快充策略，再進行a）和b）實驗過程，并記錄實驗數據。

2結果與討論

2.1 低溫快充策略對比

鋰離子電池在整個壽命期間會有較長一段時間處于低溫環境下，電池在低溫下會導致電池化學反應活性降低，影響電池的低溫充電能力。圖1中描述了本實驗研究對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℃范圍內可以進行充電，但是充電倍率較低，是無法滿足快充時間的要求，目前常用PTC對電池模組進行外部加熱提高電池充電溫度。依據圖1的快充參數，制定不同的快充策略，對比快充的時間和溫度的變化，以優化整車的低溫快充策略。

依據前期確定的三種低溫充電策略進行整車的快充實驗，表1中記錄了三種低溫快充策略的快充及加熱時間、溫度變化和溫差。快充策略1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表進行充電。快充策略2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統計的實驗結果可以看出策略2（2h13min）和策略3（2h14min）的低溫快充時間相比策略1的3h26min有明顯的降低，主要是由于加熱結束后快充電流進入到相對比較大的溫度階段。策略3的快充的最高溫度達到了42℃，溫差高達18℃，不利于快充后整車的正常行駛，且加熱時間相對較長，也造成了不必要的能耗。

2.2 低溫快充優化后策略測試

依據不同快充策略的測試結果對比，優化后的低溫快充實驗結果如圖2所示，充電起始的最低溫度為-19℃，由圖2可觀察到隨著加熱的進行電池溫差逐漸被拉大，為了防止充電截止溫差過大，策略2將加熱截止的最低溫度控制在Tmin = 15℃。策略2可以防止加熱時間過長導致的溫差過大，這樣電池的最高溫度會維持在40℃以下，不會進入到降功率充電階段。策略2加熱結束后的快充電流進入20℃ > Tmin ≥ 15℃階段，此時快充倍率達到1.05C，電池充電時產生的熱量會把電池溫度相對較快拉升至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，在降低快充時間的同時，且截止溫度也不會過高。

3總結

本文綜合考慮了電芯的低溫充電特性和整車性能需求，對比不同低溫快充策略的測試結果，進行快充策略優化，以實現短的快充時間、低的加熱能耗及確保電池低溫充電安全性能。

參考文獻

[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：奇瑞新能源汽車技術有限公司）