电池系统低温快充策略优化研究

朱红 聂永福 蒋旭吟 王亚东 谢堃

摘要：锂离子动力电池在低温条件下表现了其相对较差的性能，由其是低温快充特性。本文通过对整车在低温下进行快充实验，对低温快充策略进行优化，将快充过程中的温差、最高温度、充电时间和充电能耗控制在整车合理的需求范围内。

关键词：锂离子电池；低温快充；充电策略

引言

近年来，随着整车性能的提升，高能量密度的三元锂离子电池已被运用到纯电动汽车上。然而，极端的高低温环境及电池自身特性限制了锂离子动力电池充放电功率的发挥，进而影响整车性能[1]。由其是在低温环境下，锂离子电池内部阻抗的增加及高倍率充电过程中存在锂枝晶的风险[2]，将会严重影响到整车的低温充电时间。因此，本文以具有高续航的纯电动汽车及其所使用的高能量密度电池系统为研究对象，结合锂离子电池的低温特性，进行了整车低温快充策略系统化研究。

1实验

1.1实验对象

本实验的研究对象为纯电动汽车（401KM）使用的高比能量的三元动力电池系统，主要参数：额定容量为153Ah，电压平台为355.2V，高温保护点为55℃。

1.2实验设备

120 KW一体式直流充电桩（TCDZ-DC-0.7/120）

1.3实验方法

整车低温快充：a）将整车以小电流（0.1C）放至空电状态，并在低温环境下（黑河、-25℃）静置时间≥12h，确保电池的最低温度在（-20±2）℃范围内，温差控制在5 ℃以内；b）在120KW直流快充桩上进行低温充电；c）调整低温快充策略，再进行a）和b）实验过程，并记录实验数据。

2结果与讨论

2.1 低温快充策略对比

锂离子电池在整个寿命期间会有较长一段时间处于低温环境下，电池在低温下会导致电池化学反应活性降低，影响电池的低温充电能力。图1中描述了本实验研究对象在不同温度段的快充电流，从图中可以看出电池在0℃ ≥ Tmin ≥ -20℃范围内可以进行充电，但是充电倍率较低，是无法满足快充时间的要求，目前常用PTC对电池模组进行外部加热提高电池充电温度。依据图1的快充参数，制定不同的快充策略，对比快充的时间和温度的变化，以优化整车的低温快充策略。

依据前期确定的三种低温充电策略进行整车的快充实验，表1中记录了三种低温快充策略的快充及加热时间、温度变化和温差。快充策略1起始充电的温度和SOC分别为-20℃和2.5%，前期利用8A的电流进行PTC加热至最低温（Tmin）≥ 5℃，加热期间及加热截止后电池按照快充参数表进行充电。快充策略2和策略3加热截止的最低温度分别为≥ 15℃和≥ 20℃，两种策略起始的SOC和温度如表2所示。由表1统计的实验结果可以看出策略2（2h13min）和策略3（2h14min）的低温快充时间相比策略1的3h26min有明显的降低，主要是由于加热结束后快充电流进入到相对比较大的温度阶段。策略3的快充的最高温度达到了42℃，温差高达18℃，不利于快充后整车的正常行驶，且加热时间相对较长，也造成了不必要的能耗。

2.2 低温快充优化后策略测试

依据不同快充策略的测试结果对比，优化后的低温快充实验结果如图2所示，充电起始的最低温度为-19℃，由图2可观察到随着加热的进行电池温差逐渐被拉大，为了防止充电截止温差过大，策略2将加热截止的最低温度控制在Tmin = 15℃。策略2可以防止加热时间过长导致的温差过大，这样电池的最高温度会维持在40℃以下，不会进入到降功率充电阶段。策略2加热结束后的快充电流进入20℃ > Tmin ≥ 15℃阶段，此时快充倍率达到1.05C，电池充电时产生的热量会把电池温度相对较快拉升至Tmin ≥ 20℃。因此，电池在充电至4.15V约86%SOC前均可以维持在0.85C左右的充电倍率，在降低快充时间的同时，且截止温度也不会过高。

3总结

本文综合考虑了电芯的低温充电特性和整车性能需求，对比不同低温快充策略的测试结果，进行快充策略优化，以实现短的快充时间、低的加热能耗及确保电池低温充电安全性能。

参考文献

[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：奇瑞新能源汽车技术有限公司）