基于某混動車型的低溫電池過充/過放保護優(yōu)化研究

【摘" 要】文章針對某款混動汽車在低溫條件下行駛時電池易出現(xiàn)過充過放的情況進行優(yōu)化研究，采用VCU/ECU快速降扭控制、限制最大發(fā)電功率、增大BMS充放電功率及控制GCU轉速變化率等優(yōu)化方案，改善車輛在低溫條件下出現(xiàn)電池過充過放的情況，經(jīng)優(yōu)化后的結果顯示各低溫工況測試均未出現(xiàn)電池過充過放現(xiàn)象。

【關鍵詞】混動；低溫電池；過充；過放

中圖分類號：U463.633" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）03-0012-03

Research of Low Temperature Battery Overcharge/Overdischarge Protection Based on A Hybrid Vehicle

ZHANG Shihao

（Volkswagen（China）Technology Co.，Ltd.，Hefei 230000，China）

【Abstract】Aiming at the situation that the battery of a certain hybrid vehicle is prone to overcharge and overdischarge when driving at low temperature，this paper studies the optimization of this situation，and adopts the optimization scheme of VCU/ECU rapid torsional reduction control，limiting the maximum generating power，increasing the BMS charging and discharging power and controlling the GCU speed change rate，etc. The optimized results show that there is no overcharge and overdischarge of the battery in all the low temperature conditions.

【Key words】hybrid；low temperature battery；overcharge；overdischarge

作者簡介

張世昊（1989—），男，碩士，工程師，從事汽車電控設計開發(fā)工作。

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，人民生活水平和消費理念的轉變，新能源汽車受到了人類廣泛歡迎。新能源汽車的發(fā)展在一定程度上緩解了人類的能源危機[1]。電池作為新能源汽車的關鍵技術之一，在新能源汽車的發(fā)展中起到重要作用，規(guī)避電池過充和過放是維持電池壽命的基本保障[2]。新能源混動汽車的可用功率一部分來源于電池包，另一部分來源于發(fā)動機和發(fā)電機，行車驅動和能量回收影響著電池的放電功率和充電功率。電池過充過放易導致電池加速析鋰，析鋰嚴重情況下可能會出現(xiàn)刺穿隔膜，正負極短路，引起發(fā)熱失控。因電池低溫下充放電功率較小，過充和過放控制是低溫標定的難點和重點，本文主要闡述某車型在低溫條件下電池過充過放的問題優(yōu)化方案。

1" 試驗方案

1.1" 試驗車輛

選用某新能源混動運動型多功能車（SUV），主要技術參數(shù)見表1。

1.2" 試驗條件及工況

試驗地點為漠河，環(huán)境溫度在-30～0℃，試驗環(huán)境溫度設置為-30～0℃和大于0℃2個不同的邊界條件，設置3種試驗工況：①低溫原地怠速；②低溫啟動立即駕駛，大油門頻繁加速、滑行/制動減速；③市區(qū)、市郊、高速駕駛。

2" 評價標準

本試驗評價標準為各工況中可以允許電池小幅度過充過放，但過充過放幅度不超過評價標準，評價標準設置為：實際電流≤允許充放電流的1.2倍且持續(xù)小于150ms。

電池過充過放如圖1所示，藍色線為電池允許放電電流，黑色線為電池允許充電電流，紅色線表示電池實際電流。當紅色線低于黑色線，表示電池處于過充狀態(tài)；當紅色線高于藍色線，表示電池處于過放狀態(tài)；當處于藍色線和黑色線之間，表示電池處于正常狀態(tài)。

3" 優(yōu)化方案

3.1" VCU/ECU快速降扭控制

通過VCU/ECU快速降扭控制可避免收油過程中電池過充過放的風險。具體而言，采用快慢扭矩請求區(qū)分控制，通過ECU/VCU的配合優(yōu)化，控制發(fā)動機的扭矩變化率，使其在較短時間內(nèi)快速下降，從而避免過充情況的出現(xiàn)。

快速降扭控制優(yōu)化前后對比如圖2所示，藍色線為發(fā)動機扭矩，紅色線為慢扭請求，黑色線為快扭請求。在優(yōu)化前，發(fā)動機扭矩變化率較慢，快慢扭矩請求并未區(qū)分控制，這會導致車輛收油過程中發(fā)動機卸載緩慢，從而增加了電池過充的風險。而在優(yōu)化后，采用了快慢扭速率區(qū)分控制，快慢扭分別采用不同的控制策略，實現(xiàn)了更加精細化的控制。同時，通過提高發(fā)動機扭矩變化率，可以在較短時間內(nèi)快速降低發(fā)動機扭矩，有效避免了過充的風險。

3.2" 限制最大發(fā)電功率

基于某混動車型的低溫電池過充過放保護優(yōu)化，限制最大發(fā)電功率是一種有效的解決方案，可以避免因發(fā)電功率過大卸載不及時而導致電池過充。具體而言，在該車輛電池充電放電功率同時低于12kW前提下，可以舍棄車輛部分動力性，通過限制最大發(fā)電功率44kW，從而有效控制發(fā)電功率，避免電池過充的風險。圖3模擬了充放電功率驗證最大發(fā)電限制功能，綠色線為發(fā)動機轉速，紅色線為發(fā)電機功率，黑色線為發(fā)電機實際扭矩，藍色線為發(fā)電機轉速。

3.3" 增大BMS電池充放電功率

受低溫條件影響，電池能力降低，電池充放電功率設置較為保守，可以直接通過增大電池充放電功率，提升電池充放電能力，如圖4所示，展示了-40～15℃之間5個不同溫度區(qū)間的功率變化，優(yōu)化前，不同溫度下充放電功率偏小；增大電池充放電功率后，優(yōu)化后的功率提升明顯，有效防止電池出現(xiàn)過充過放現(xiàn)象。

3.4" 控制GCU轉速變化率

在混動車型中，GCU的調(diào)速過程如果轉速上升速率過快，就會導致電池電壓下降過快，進而可能導致電池過放現(xiàn)象的出現(xiàn)。為了解決這一問題，可以通過調(diào)整GCU的控制策略，減緩轉速上升速率，從而避免調(diào)速過程中電池過放的情況，如圖5所示。具體而言，可以調(diào)整GCU的轉速控制精度，降低轉速變化率以確保調(diào)速過程中的平穩(wěn)過渡，避免過于劇烈的轉速上升，從而減緩電池的過放現(xiàn)象。此外，在調(diào)整GCU的控制策略時，還需要對GCU的硬件設備進行升級，以保證其可以承受更大的負載和更精確的控制。同時，還需要加強對GCU的檢修和維護，以確保其長期穩(wěn)定運行。

4" 驗證

經(jīng)過實驗和驗證，同樣的工況下，經(jīng)過優(yōu)化后，在各低溫工況測試未出現(xiàn)電池過充現(xiàn)象。優(yōu)化前，在低溫條件下該混動車有較長時間段電池處于過放狀態(tài)或電池出現(xiàn)頻繁過充的現(xiàn)象（圖6a、圖6b）；按照方案策略優(yōu)化后，電池過放和過充時間僅100ms左右（圖6c、圖6d），符合評價標準要求。

5" 結論

本文研究了混動汽車在低溫條件下行駛出現(xiàn)電池過充過放現(xiàn)象的解決方案，將解決方案運用在試驗工況中進行測試驗證，試驗結果顯示各低溫工況測試均未出現(xiàn)電池過充現(xiàn)象，滿足評價標準要求。試驗結果表明VCU/ECU快速降扭控制、限制最大發(fā)電功率、增大BMS充放電功率及控制GCU轉速變化率等優(yōu)化方案能夠有效規(guī)避電池長時間過充過放的現(xiàn)象。

參考文獻：

[1] 王璨. 我國新能源汽車的現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析[J]. 中國設備工程，2022（22）：263-265.

[2] 劉喜明. 規(guī)避電池包功率過放和過充的純電動汽車功率分配策略[J]. 汽車制造業(yè)，2021（7）：18-20.

[3] 王宏偉，鄧爽，肖海清，等. 不同環(huán)境溫度下鋰離子動力電池過充過放研究[J]. 電源技術，2014，38（3）：431-433.

[4] 張東羽. 基于結構與性能的動力電池過充/過放檢測[D]. 廣州：華南理工大學，2018.

（編輯" 楊凱麟）