動力電池快充策略研究

孟祥宇 陳永勝 孫煥麗

（中國第一汽車股份有限公司 新能源開發院，長春 130013）

主題詞：快充 電動汽車 仿真 試驗

1 前言

在環境因素和政策導向的雙重推動下，純電動汽車的發展勢頭強勁，在“雙積分”政策的激勵下，車企也將重心逐漸從傳統車轉移到新能源汽車上，隨著新能源汽車的保有量逐漸增加，越來越多的用戶希望新能源車也能像傳統車一樣快速地補充能量，即快速充電，但快充會帶來電池溫度大幅度上升、電池溫差變大、電池壽命衰減、冷卻能耗增加等問題。因此通過優化快充策略，降低溫度和溫差，成為快充領域發展過程中一項非常重要的手段。

本文結合鋰離子電池的工作特性，通過定制開發快充電池單體，實現電池系統20 min級快充能力。以階梯式分段恒流充電模式為基礎，提出了4種快充策略，通過對充電時間、充電容量、電池最高溫度、溫差和生熱與散熱功率6個指標的仿真和試驗對比，選定最優的充電策略。

2 研究背景

2.1 技術背景

1972年，美國科學家馬斯在第二次國際車輛會議上提出了著名的馬斯三定律。該定律說明，鋰離子電池充電可接受的最大充電電流會隨著充電時間的增加而成指數型減小，即：

式中，I為電池可接受的充電電流；I0為開始充電（t=0）時電池可接受的最大充電電流；α為充電可接受電流衰減常數（α=I0/C），與電池的結構和狀態有關；t為充電時間[1]。

馬斯定律中的最大充電電流為一個臨界值，以該電流充電會使電池微量產氣，當充電電流小于該臨界值時，鋰離子電池安全，但會延長充電時間；當充電電流超出該臨界值時，電池內部會出現產氣現象[2]。大電流充電雖然縮短了充電時間，但會導致鋰離子電池內部電解液分解，且大電流造成的極化現象更為嚴重，反而大大降低了充電效率。因此，需要設計低于臨界值的、合適的充電電流[3]。

2.2 快充策略設計

本文的研究對象是搭載于一汽某款純電動車的快充三元鋰離子動力電池，電池包標稱電壓為525.6 V，標稱容量90 Ah，總成方案2P144S，總成充、放電截止電壓為403.2 V～604.8 V，電池單體標稱電壓3.65 V，額定容量45 Ah，充、放電截止電壓2.8 V～4.2 V。

本文基于馬斯三定律，設計4種分段階梯恒流充電方法，綜合考率動力電池快充時間、最高溫度、最大溫差等因素，從多維度評價4種快充策略。

本文設計快充策略1（以下簡稱為策略1）的SOC為5%～80%目標快充時間為12 min級；快充策略2、3和4（以下簡稱為策略2、3和4）的SOC為5%～80%目標快充時間為20 min級。提出策略2、3和4的目的是為了優化策略1在充電過程中可能出現的電池溫度高和溫差大等問題，降低安全風險，同時電池最高溫度的下降對電池壽命有益。

策略1的SOC為5%～80%的目標充電時間為12 min級，平均快充倍率3.75 C，根據電池單體能力，將階梯分段快充倍率設計為4 C～3 C；策略2、3和4的SOC為5%80%的目標充電時間為20 min級，平均快充倍率2.75 C，根據電池單體能力，將策略2、3和4的快充倍率分別設計為3 C～1 C、3 C～2 C～1 C和4 C～3 C～2 C～1 C。根據目標快充時間和分段倍率，計算可得策略1至策略4階段充電分別為：4 C充電至SOC為50%，3 C充電至SOC為80%；3 C充電至SOC為65%，1 C充電至SOC為80%；3 C充電至SOC為50%，2 C充電至SOC為70%，1 C充電至SOC為80%；4 C充電至SOC為15%,3 C充電至SOC為50%，2 C充電至SOC為70%，1 C充電至SOC為80%。該單體的開路電壓和內阻如表1所示。根據表1和公式（2），計算可得策略1的4 C階段充電至3.89 V，3 C階段充電至4.14 V。根據公式（2），若4種充電策略均充電至SOC為80%，充電策略2、3和4末端1 C階段充電截止電壓小于策略1的3 C階段截止電壓，所以策略2、3和4的充電末端截止電壓同樣設定為4.14 V，可以保證4種策略均充電到SOC為80%以上,截取SOC為5%至80%的充入能量。策略1至策略4如圖1和表2所示。

式中,U為工作電壓；OCV為開路電壓；I為電流；R為直流內阻。

表1 該快充單體充電開路電壓及內阻

圖1 快充策略

表2 快充策略表

充電過程中電池冷卻策略為入水口溫度25℃，水流量12 L/min。若任一單體溫度升至55℃，則停止試驗。

3 仿真驗證

本文利用AMESIM軟件建模，對策略1至策略4進行仿真，目的是驗證4種快充策略設計是否合理，仿真時間是否與理論時間接近，4種策略理論快充時間與仿真快充時間如表3所示。

根據策略1：由SOC從5%起始，4 C恒流充電至SOC為50%，3 C恒流充電至SOC為80%，可知切換電流的理論時間點為6.75 min，仿真得到的切換電流時間點與理論時間點相同，如圖2所示。

表3 仿真結果與理論對比

圖2 策略1仿真電壓與電流

根據策略2：從SOC為5%起始，3 C恒流充電至SOC為65%，1 C恒流充電至SOC為80%，可知切換電流的理論時間點為12 min，仿真得到的切換電流時間點為11 min，如圖3所示。

圖3 策略2仿真電壓與電流

根據策略3：從SOC為5%起始，3 C恒流充電至SOC為50%，2 C恒流充電至SOC為70%，1 C恒流充電至SOC為80%，可知切換電流的理論時間點為9 min和15 min，仿真得到的切換電流的時間點為9 min和16.5 min，如圖4所示。

圖4 策略3仿真電壓與電流

根據策略4：由SOC為5%起始，4 C恒流充電至SOC為15%,3 C恒流充電至SOC為50%，2 C恒流充電至SOC為70%，1 C恒流充電至SOC為80%，可知切換電流的理論時間點為1.5 min、8.5 min和14.5 min，仿真得到的切換電流時間點2.5 min、9.25 min和13.85 min，如圖5所示。

圖5 策略4仿真電壓與電流

4 試驗驗證

4.1 試驗設備

充放電設備型號：MRTS-DC 250kW，環境艙型號：SEWTH-A-190LHS。

4.2 試驗步驟

（1）25±2℃下，1 C恒流放電任一單體電壓至2.8 V；

（2）25±2℃下，擱置30 min；

（3）25±2℃下，1 C恒流充電至SOC為5%；

（4）25±2℃下，擱置至電池溫度至25±2℃；

（5）25±2℃下，采用某種快充策略進行快充，試驗開始即開啟冷卻。

4.3 結果分析

該電池系統的25℃，1 C容量為89.6 Ah，能量47.3 kW·h，因考慮實際使用情況，快充充入的能量對于整車續駛里程的補給更有實際意義，故本文4種快充策略都選取充入75%的能量為結束點，即充入35.48 kW·h，SOC為5%～80%快充，結果如表4所示。

表4 試驗結果

4.3.1 快充性能分析

（1）快充時間：試驗所得快充時間與理論快充時間相比，最多相差3.5%，最少相差0，故可認為策略設計滿足目標要求。策略3與策略2相比，縮短了3 C和1 C階段的充電時間，中間加入2 C充電階段，在理論時間相同的情況下，實際充電時間相差0.1 min。策略4與策略3相比，是將SOC為5%～15%階段的充電倍率從3 C調整為4 C，其他不變，故策略4比策略3實際快充時間短。

（2）充入容量：在充入能量相同的情況下，快充容量如圖6所示。策略1充入容量為63.6 Ah，策略2至策略4為64.5 Ah左右。策略1比策略2至4充入容量少的原因為鋰離子電池在大電流充電時會產生極化現象，電池極化是由電化學反應物質在電解液和正負電極中傳輸過程受阻引起的。電池極化會抬高端電壓，使電池充電時快速升至截止電壓，造成電池充電容量變少[2]。

圖6 快充容量對比示意

4.3.2 熱管理分析

4種快充策略的臺架試驗，熱管理策略都為入水口水溫25℃，水流量12 L/min，快充開始即開啟冷卻。以下從充電結束時刻溫度、充電過程最高溫度、生熱與散熱功率、溫差4個指標進行詳細分析。

（1）充電結束時刻溫度。策略1在快充結束時刻溫度為54℃，已接近55℃的電池許用溫度上限，若使用策略1快充后直接啟動整車，會使整車動力性下降，冷卻開啟時間增長和冷卻能耗增加，導致整車續駛里程下降；若快充后整車靜置或靜置保持冷卻開啟，使電池下降到一定溫度再開始使用，這樣或增加了時間成本或增加了整車能耗、縮短了續駛里程，而續駛里程恰恰是用戶最關心的整車指標之一，故策略1存在較大劣勢。而策略2至策略4的結束時刻溫度為41℃和42℃，遠低于使用溫度上限，因此，快充后無需靜置可直接啟動整車，同時也能保證電池性能處在一個較優水平，節省了時間成本和冷卻的能耗。

（2）最高溫度：最高溫度及電流如圖7所示。

圖7 最高溫度及電流示意

從圖7中可以看出，4 C和3 C充電階段電池溫度是上升的，2 C充電階段溫度基本維持不變，1 C充電階段溫度在下降。策略1的最高溫度達54℃，在4種策略中最高，原因為策略1的平均倍率最大，且4 C倍率持續時間最長，故溫升最高。策略1在第5 min時，電池最高溫度已達到50℃，該電池系統50℃開始限功率，此時充電功率降為50%，若策略1搭載實車使用，則快充時間無法保證在12 min級。策略2至策略4的試驗中，策略3的電池溫度最低，為43℃，策略2的電池溫度最高，為48℃，已接近限功率值，在整車使用也存在風險，故應考慮從策略3和策略4中選擇最佳充電策略。

（3）生熱與散熱功率：本文根據試驗所得充電結束時刻溫度和充電過程中的最高溫度，通過計算與仿真得到策略1至策略4的平均生熱功率與平均散熱功率，并對比仿真與試驗得到的充電結束時刻溫度和充電過程中的最高溫度，詳細結果見表5。

表5 生熱功率與散熱功率

在策略1至策略4中，策略1的平均生熱功率與平均散熱功率最大，原因為在電池內阻相同的情況下，策略1的平均電流最大，所以策略1的平均生熱功率最大；策略1的溫升最高，在冷卻策略相同的情況下，策略1的平均散熱功率最大。策略3的平均生熱功率最小，在電池搭載整車進行充電時，可以適當降低散熱功率的使用需求，從而降低整車能耗，因此，考慮選擇策略3為最優充電策略。

（4）溫差：策略1至策略4的溫差圖如圖8所示。

圖8 溫差示意

策略1和策略4溫差都超過了10℃，分析原因

(1)內阻一致性：電池生熱功率由電流和內阻直接決定，若電池系統內的單體內阻一致性較差，則每個電池單體的溫度會有一定的差別，且大電流會“放大”這種差別，而策略1和策略4都有4 C充電階段，故溫差較大。

(2)熱管理系統設計：該電池包的水冷板與模組接觸面并不能完全覆蓋模組底面的全部面積，故開啟冷卻后，每個模組內靠近端板的一個單體底面未能進行冷卻，導致每個模組靠近端板位置的單體溫度會比其他單體的溫度高。因此，策略4溫差大，長期使用該策略會使電池一致性變差，故在4種快充策略中，應選定策略3為該電池系統的最優快充策略。

5 結論

本文基于馬斯三定律，根據目標快充時間，計算并提出4種快充策略，通過仿真和試驗，綜合對比4種策略的快充時間、充入容量、溫度、溫差和生熱與散熱功率6個指標，雖然策略1在充電時間上優于其它三種策略，但策略1充電過程中最高溫度已接近電池許用溫度上限且溫差過大，無法滿足整車級別使用需求；策略2至策略4充電時間都在20 min級別，策略3在最高溫度、結束時刻溫度、溫差和生熱與散熱功率5個指標上，都優于其他兩種策略，因此選定策略3為4種快充策略中的最優快充策略。