一種低溫動力電池交流充電加熱控制策略*

姜翠娜，高靖宇，鄺文灝

一種低溫動力電池交流充電加熱控制策略*

姜翠娜，高靖宇，鄺文灝

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

電動汽車動力電池充放電性能受其使用環境溫度的影響，在低溫環境下動力電池的電化學反應活性降低，低溫交流充電控制策略不合理可能導致動力電池過充，不僅影響低溫充電功能的穩定性，而且會影響動力電池的使用壽命，甚至會引發安全事故。因此合理的低溫充電控制策略就顯得尤為重要。文章以廣汽新能源某純電車型為例，通過對已有的動力電池低溫交流充電控制策略的分析研究，提出一種新型的低溫動力電池交流充電加熱控制策略，并通過低溫實車驗證。

電動汽車；動力電池；交流充電；加熱；控制策略

前言

隨著新能源汽車的快速發展，高壓動力電池作為純電動汽車的動力源，其工作特性已成為當今世界的研究熱點[1]。目前動力電池特性受其工作環境影響比較顯著[2]，尤其低溫下，動力電池的電化學反應活性降低，其可用能力、充放電性能衰減比較嚴重，低溫充電可能會導致鋰離子析出堆積[3-5]，嚴重影響動力電池的使用壽命，造成不可逆的損傷，甚至引發安全事故[6-9]。本文選取廣汽新能源某純電車型為研究對象，通過分析已有的低溫交流充電加熱策略，發現其存在一定的問題及風險，通過分析后提出一種新型的動力電池低溫交流充電加熱控制策略，并通過實車低溫試驗，試驗結果表明，采用該新型低溫交流充電加熱控制策略可完全避免已有方案存在的問題及風險。

1 試驗設計

1.1 試驗對象

廣汽新能源某純電車型，其動力電池的額定容量140Ah。

交流充電樁：6.6kW，輸出電壓：220VAC；輸出電流：32A，產品型號：NCCP-AC220-7000-G804，如圖1所示。

圖1 交流充電樁

1.2 數采設備

整車CAN數據監控設備，計算機。

1.3 試驗步驟

1）將電動汽車置于-30℃低溫環境模擬艙下充分靜置，采用整車CAN數據實時監控動力電池溫度，等待動力電池最低溫度達到-20℃，且動力電池上報的最高溫度與最低溫度溫差不超過2℃；

2）待動力電池溫度達到-20℃時，連接交流充電槍，給電動汽車進行交流充電；

3）通過整車CAN數據監控設備實時采集整車CAN數據，監測車輛狀態、動力電池繼電器狀態、加熱器工作狀態、動力電池溫度等信息，以便試驗結束后分析低溫充電加熱策略。

2 傳統低溫交流充電加熱控制策略

圖2 傳統低溫交流充電加熱控制策略

該純電動汽車采用的低溫交流充電加熱策略為：當動力電池溫度低于低溫閾值T1時，整車控制器請求車載充電機進入充電模式，車載充電機檢測到模式請求指令后進入充電模式，同時整車控制器請求加熱器開啟，為動力電池加熱，動力電池處于邊充電邊加熱狀態，其請求車載充電機工作電流為動力電池允許充電電流與加熱器消耗電流之和；當動力電池溫度達到一定值T2后，整車控制器請求加熱器關閉，動力電池退出加熱模式，動力電池處于充電狀態，其請求車載充電機工作電流為動力電池允許充電電流，其控制邏輯如圖2所示。

在低溫環摸艙中對車輛進行低溫充電測試，監測加熱器工作狀態、加熱器消耗電流、動力電池充放電電流、車載充電機工作電流，截取其中一段數據分析，其變化情況如圖3所示。

圖3 傳統方案動力電池繼電器及加熱工作狀態圖

由圖3可以看出在低溫充電加熱過程中，當加熱器消耗電流穩定時，車載充電機工作電流可以跟隨加熱器消耗電流；當加熱器消耗電流波動時，車載充電機工作電流無法實時跟隨加熱器電流消耗。在開啟加熱器時，由于車載充電機輸出電流響應遲滯，動力電池處于放電狀態；在加熱器消耗電流每次下降時，都導致動力電池存在一段時間的充電電流，低溫下若動力電池溫度極低不具備允許充電能力時，該充電加熱策略會導致對動力電池造成不可逆的過充，在整個充電過程中，對動力電池的安全性及壽命造成不良影響。

3 新型低溫交流充電加熱控制策略

為防止低溫充電對動力電池造成的過充風險，在低溫充電加熱過程中引入“隔離式”充電加熱控制策略。當低溫動力電池不具備充電能力時，將動力電池高壓繼電器斷開，進入隔離式充電加熱模式，整車控制器開啟加熱器對動力電池進行加熱，其請求車載充電機工作電流為加熱器消耗電流；當動力電池溫度高于T1時，閉合動力電池的高壓繼電器，進入邊充電邊加熱模式，其請求車載充電機工作電流為動力電池允許充電電流與加熱器消耗電流之和；當動力電池溫度高于T2時，進入充電模式，其請求車載充電機工作電流為動力電池允許充電電流。其控制邏輯如圖4所示。

圖4 新型低溫交流充電加熱控制策略

在低溫環摸艙中對車輛進行低溫充電測試，監測不同充電加熱階段中加熱器工作狀態、動力電池高壓繼電器狀態、加熱器消耗電流、動力電池充電電流、車載充電機工作電流變化情況。

根據新型低溫交流充電加熱控制策略，在滿足進入隔離式充電加熱模式的條件下，隔離式充電加熱使能，整車動力電池高壓繼電器狀態、加熱器消耗電流、動力電池充放電電流、車載充電機工作電流變化入圖5、圖6所示。

圖5 隔離式充電加熱過程中動力電池繼電器及加熱器工作狀態圖

圖6 隔離式充電加熱過程充電電流變化圖

當整車滿足退出隔離式充電加熱模式邏輯，滿足進入邊充電邊加熱模式時，隔離式充電加熱使能狀態信號由使能狀態變為未使能狀態，整車動力電池高壓繼電器狀態、加熱器消耗電流、動力電池充放電電流、車載充電機工作電流變化入圖7、圖8所示。

圖7 邊充電邊加熱過程中動力電池繼電器及加熱器工作狀態圖

圖8 邊充電邊加熱過程充電電流變化圖

試驗數據表明，整車滿足新型低溫交流充電加熱控制策略開啟條件后，進入隔離式充電加熱模式，即圖5中的隔離式充電加熱使能后，動力電池高壓主正繼電器斷開，將動力電池與充電系統隔離，待動力電池高壓繼電器斷開后，整車系統開啟加熱器對動力電池進行加熱，在整個隔離式充電加熱過程中，車載充電機輸出電流完全用于加熱器工作消耗，動力電池的工作電流為0A，在加熱器工作電流下降時，未出現過充現象。

當整車滿足退出隔離式充電加熱模式條件，滿足進入邊充電邊加熱模式的條件后，整車進入邊充電邊加熱模式，即圖7中的隔離式充電加熱使能狀態信號變為未使能狀態，并且閉合動力電池的高壓繼電器，進入邊充電邊加熱模式，整車請求車載充電機工作電流為動力電池允許充電電流與加熱器消耗電流之和。在模式切換時由于車載充電機模式跳轉，存在極短暫不輸出電流狀態。從圖8可以看出，進入邊充電邊加熱模式后，車載充電機存在1s以內的短暫停止輸出電流現象，此時動力電池放電補償加熱器的功率消耗，待車載充電機模式切換成功后，車載充電機的實際工作電流為加熱器消耗電流值與動力電池請求的允許充電電流值，動力電池未出現過充現象。

4 結束語

本文對低溫交流充電加熱策略進行分析，并提出新型的低溫交流充電加熱控制策略對低溫動力電池進行充電加熱，并通過實車-20℃的低溫環摸充電測試，試驗結果表明，采用新型低溫交流充電加熱控制策略，在-20℃充電時，可斷開動力電池高壓繼電器，保護動力電池，通過車載充電機直接給加熱器供電，可完全避免低溫充電加熱過程中，由于車載充電機輸出電流遲滯的工作特性在加熱器功率消耗瞬態波動時，造成對動力電池過充風險。該新型低溫充電加熱控制策略有效地避免了低溫充電過充風險，確保電動汽車在極端條件下的充電穩定性及安全性。

[1] 王少龍,侯明,王瑞山.動力電池的研究現狀及發展趨勢[J].云南冶金,2010,3(2):77-90.

[2] HUANG C K,SAKAMOTO J S,WOLFENSTINE J, et al. The limits of low temperature performance of Li-ion cells[J].Journal of the Electrochemical Society,2000,147(8):2893-2896.

[3] 張承寧,雷治國,董玉剛.電動汽車鋰離子電池低溫加熱方法研究[J].2012,9(32):922-925.

[4] Hand A,Stuart T A.AC heating for EV/HEV batteries[C]//Proceed -ings of Power Electronics in Transportation. Michigan, USA: IEEE, 2002119-124.

[5] Hand A,A high frequency inverter for cold temperature battery heating[C]//Proceedings of the IEEE Workshop on Computers in Power Electronics. Urbana, USA: [s. n.],2004:215-222.

[6] 王婷,沈帥等.動力電池低溫加熱系統應用研究[J].民兩用技術與產品,2015(6):1-2.

[7] 雷治國,張承寧,董玉剛等.電動汽車用鋰離子電池低溫性和加熱方法[J].北京工業大學學報,2013(39):9.

[8] RAO Z,WANG S,ZHANG Y.Thermal management with phase change material for a power battery under cold temperatures[J]. Energy Sources,Part A:Recovery,Utilization and Environmental Effe -cts,2014,36(20):2287-2295.

[9] 雷治國,張承寧.電動汽車電池組熱管理系統的研究進展[J].電源技術,2011(35):12.

A Heating Control Strategy for Low-temperature Power Batter during AC Charge*

Jiang Cuina, Gao Jingyu, Kuang Wenhao

（Guangzhou Automobile Group Co., Ltd Automotive Engineering Institute, Guangdong Guangzhou 511434）

The charging and discharging performance of electric vehicle power battery is affected by its operating temperature. In low temperature, the electrochemical reaction activity of the power battery decreases. An unreasonable low-temperature AC charge control strategy may cause the power battery overcharged, which not only affects the stability of the low-temperature charging function, but also affects the life of the power battery, and even leads to safety accidents. Therefore, a reasonable low-temperature charging control strategy is particularly important. In this paper, we take an electric vehicle of GAC NE as an example, by analyzing and researching of an existing low-temperature AC charging control strategy for power batteries, a new low-temperature AC charge heating control strategy for power batteries is proposed and verified in low-temperature.

Electric vehicle; Power battery; AC charge; Heat; Control strategy

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.001

U469.7

B

1671-7988(2021)06-01-04

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1671-7988(2021)06-01-04

姜翠娜，碩士，就職于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，研究方向：新能源汽車整車控制策略。

國家重點研發計劃資助（項目編號：2017YFB0103300）。