純電動物流車三元鋰電池充電時間優化簡析

萬明麗，葛俊夏，徐柏興，周立羊

（鄭州比克新能源汽車有限公司，河南 鄭州 451450）

隨著電動汽車的發展，續航里程已得到了很大的提升。當行駛各方面都滿足人們要求后，充電問題就成為大家的關注。當前國家政策大力支持建設充電樁，為車輛充電提供了極大的便利，因而充電時間就成為了人們關注的重中之重。本文將闡述純電動物流車在不具備熱管理的條件下如何優化充電時間。

1 三元鋰電池特性

三元鋰電池大致分為3種：圓柱電池、方形電池和軟包電池。圓柱電池和方形電池大都采用鋼制外殼或鋁制外殼，軟包電池為鋁塑膜。由于當前鋁塑膜品質和軟包電池工藝尚不成熟，所以暫不談。本文以目前最為成熟的圓柱電池18650為例進行闡述。

1.1 圓柱電池型號

圓柱電芯型號用5位數表示，前2位數表示直徑，后2位數表示高度。例如18650型電池，表示其直徑為18mm，高度為65mm。如圖1所示。

圖1 外部尺寸圖

1.2 圓柱電池特性

1）形狀一致性好 圓柱電池有固定的型號，相同型號的電池直徑和高度是一致的。18650電池為標準產品，便于進行電池包的設計和組裝。且其為鋼制外殼，不會出現電池尺寸異常的情況，如鼓脹、超厚、變形等。

2）空間利用率高 圓柱電池采用“螺旋漸進線”式的卷繞結構，能充分利用空間，使空間利用率達到最高。如圖2所示。

圖2 內部結構剖面圖

3）能量密度高 圓柱電池的能量密度可達到164~252Wh/kg。

4）安全性能好 組合蓋帽上設有保護裝置，CID一旦發生安全問題，可以及時切斷電路，釋放出化學反應所產生的氣體，保證電池安全。

2 充電時間優化

電池充放電過程本質上是化學反應的過程，而此化學反應過程中會持續產生熱量。三元鋰圓柱電池最高允許充電溫度一般為55℃，良好的熱管理系統可以將電池包溫度控制在此范圍內，目前帶熱管理系統的三元鋰電池包的最大充電倍率可達1C。由于熱管理系統成本較高，目前大多只應用在乘用車上，物流車往往迫于成本壓力，一般沒有配置熱管理。

不帶熱管理的電池包為了控制產熱量，一般將最大充電倍率設置為0.5C，以此倍率進行充電，時間可控制在2h（不考慮末期涓流充電），但并非在整個溫度區間內都可用此倍率進行充電。低溫時受三元鋰電池特性的影響，若仍使用0.5C進行充電，則會出現析鋰現象，造成容量降低，并且鋰結晶后貼附在隔膜上，甚至可能將隔膜刺破，造成正負極短路，這是十分危險的，故低溫時需將充電倍率調小。而高溫時使用0.5C進行充電會繼續產熱，在沒有熱管理的情況下，溫度很容易就達到電池允許充電的上限，造成車輛終止充電，故也需將充電倍率調小來控制充電過程中的溫升，盡量不使其達到充電上限溫度，這就導致了高低溫情況下電池的充電時間更長。如何在此種條件下少量增加或不增加成本的同時縮短充電時間就成為了車廠關注的議題。本文將從以下幾個方面闡述此種條件下如何進行充電時間的優化。

1）低溫 為解決低溫充電時間長問題，可以采用純加熱方案：根據電池包結構及參數選擇合適的加熱膜，當電池溫度低于允許充電下限溫度時，啟動加熱膜進行加熱；當將電池加熱到一定溫度時，開啟充電，此時加熱膜繼續工作；當電池被加熱到最適宜的溫度時，停止加熱，繼續充電。由于加熱膜成本較低，故此方案成本要遠遠低于液冷，可以成為物流車的首選。但受限于市場上充電樁水平的參差不齊及加熱膜市場不夠成熟，需要電池管理系統執行一套較為復雜的控制策略才能達到較為良好的加熱效果。

2）高溫 由于液冷系統較為昂貴，故物流車電池高溫時一般依靠自然冷卻。大倍率充電電池溫升太快，小倍率充電時間又過長，故就需要在控制溫升的基礎上最大限度地提升充電倍率。這需要考慮車輛的實際使用環境及工況，根據這些數據在環境艙模擬進行大量充電測試，記錄電池溫升數據，最終確定一版最優方案。

3）充電末期 為了使電池充進足夠的電量，通常會在充電末期進行涓流充電。而涓流充電時間往往較長，會大大增加總體充電時間，故優化充電時間需要首先縮短涓流充電的時間。可針對充電末期策略進行優化，使用階梯降流策略，如圖3所示，經測試，從降流開始到充電完成，時間可控制在15~20min內。

圖3 充電末期降流策略

3 結語

除了以上3點外，還可從電池包結構、材料等方面入手使電池包保持良好的散熱。當前充電時間長仍然是制約電動汽車發展的一大瓶頸，根據電池及車輛情況進行充電時間優化具有實際意義。