电动汽车低温充电性能的研究与分析

黄 炘，陈丽雪，李 川，李 津，王朝晖，李 杨

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300）

近些年，新能源汽车发展快速，截至2019年6月，全国新能源汽车保有量达344万辆，占汽车总量的1.37%，相比2018年同期增加145万辆，增长72.85%。但在取得如此成绩的同时，也暴露出了越来越多的问题，其中充电问题成为了制约新能源汽车发展的重要因素［1］。

由于我国幅员辽阔，电动汽车遍布全国各地，其中我国西北和东北地区冬季时间长且高寒，而新能源汽车在低温环境下存在续驶里程大幅缩短、充电时间加长、动力性下降等问题，给用户的使用带来不便，严重引发用户抱怨，导致其在高寒地区的推广应用较少。低温环境下充电性能的降低，会影响高寒地区电动汽车的普及与发展。

国内外已对电池包 （零部件级）的极限环境充电展开研究，例如：文献［2］研究了电动汽车锂离子电池低温充电的老化规律；文献［3］采用极限电流对铅酸电池充放电特性进行研究，提出铅酸电池的低温充电改进方法；文献［4］研究了电池组低温环境下充电控制设计与验证。但整车结构复杂，对单体电池或电池包的研究并不能完全模拟整车级的充电性能的表现。文献［5］研究了锂离子动力电池低温性能，证明了无定型碳包敷负极复合材料可以实现动力锂离子在低温下充放；文献［6］研究了高低温电动汽车用磷酸铁锂电池工作模型。

本文以电动汽车整车为研究对象，采用《EV-Test电动汽车测评管理规则 （2019版）》低温充电测试方法，对不同品牌不同型号车辆进行低温环境充电试验，记录充电过程电压、电流、功率及充电报文数据，分析低温环境下电动汽车充电性能。本文将从充电时间、充电能量、充电电流上升趋势、最大充电电流，以及通信协议报文BCL、BCS、BMS电压电流与电池温度和SOC的关系这几个方面，进行低温充电性能的研究与分析。

1 试验

1.1 试验平台

通过环境仓模拟高温、高寒等环境，以及采用“三高”试验场真实工况，利用能量计量装置、波形记录仪、CAN通信采集装置、故障模拟装置等，实现各种极限环境下充电信号采集 （电压、电流、功率、能量、报文等）。

其中，交流充电设备为7kW充电桩，直流充电设备为120kW，额定电流250A的直流充电桩。环境仓为66m3的温度冲击试验箱。图1为试验平台简易图。

1.2 试验方法

本文试验方法出自《EV-Test电动汽车测评管理规则（2019版）》。

1.2.1 试验条件

交流充电设备规格：7kW交流充电设备；直流充电设备规格：不低于120kW的直流充电设备；所有充电设备均应符合GB／T 34657.1-2017、GB／T 34658-2017、GB／T 20234.1-2015、GB／T 20234.2－2015和GB／T 20234.3－2015要求。

图1 试验平台简易图

1.2.2 车辆预处理

试验前动力蓄电池放电。首先，试验车辆以30min最高车速的70%±5%的稳定车速行驶，使车辆的动力蓄电池放电。放电在车速不能达到30min最高车速的65%时结束。

1.2.3 试验流程

1）低温－10℃充电：车辆充电前应在－10℃环境中浸车14～16h，并在此环境下进行测试。对交流充电试验，先插入供电端插头，再插入车辆端插头，然后操作充电桩开始充电，检查车辆的充电状态；车辆均应启动充电，充电过程中，若充电接口配置电子锁，电子锁止装置应保持锁止。对直流充电试验，在充电桩与电动汽车之间，以不小于1Hz的采集频率实时连续记录充电过程中的电量，记录充电至80%SOC（依据直流充电通信报文）对应的充电时间t1（单位以h表示，数值精确到小数点后两位）与充电电量E1。

2）车辆充电前应在（25±5）℃环境中浸车12h以上，并在此环境下进行测试。在充电桩与电动汽车之间，以不小于1Hz的采集频率实时连续记录充电过程中的电量，记录80%SOC对应的充电时间t2（单位以h表示，数值精确到小数点后两位）和对应的充电电量E2。

2 试验结果与分析

图2 试验现场照片

图2 为试验现场照片。本文对7款车型 （1#～7#）按照第1章试验方法进行低温与常温环境下的集体样车与同一样车的充电性能分析试验。利用能量计量装置采集充电设备输出，及电动汽车充电输入电压、电流、功率等参数，计算充电时间和充电电量；利用波形记录仪，记录在低温环境下交流充电启动波形；通过CAN通信采集装置记录充电全过程GB／T 27930－2015通信报文，对通信报文进行解析处理，分析报文BCL、BCS、CCS电压电流与BCP电池最高、最低温度及SOC值的关系。

2.1 集体样车实验结果

2.1.1 低温环境下交流充电结果

车辆进行放电后，在－10℃环境仓中浸车，达到浸车时间后，采用7kW交流充电桩进行试验。通过对每一样车进行试验后，试验结果7辆样车都可以正常启动充电。图3为某样车交流启动充电波形。

图3 某样车交流启动充电波形

2.1.2 低温与常温环境下直流充电结果

7辆样车的低温、常温充电时间、充电能量数据见表1。通过数据可知，低温环境下，大部分车辆 （6／7）的充电时间与室温相比都有所增加，1#样车的衰减比例最大，可达2.55。时间衰减比例越小，低温充电时间与常温充电时间差距更小，充电性能更好；低温环境下充电电量相比室温条件也有一定的衰减，6#样车电量衰减程度最高，衰减率为0.815。但4#和5#样车低温充电电量要高于常温充电电量，这是由于低温充电策略不同，此2辆样车电池预热消耗了更多能量，导致低温充电电量高于常温充电电量。低温充电时间衰减比例、电量衰减比例图见图4。

其中，低温充电时间衰减比例系数

式中：v——充电速率。样车充电速率结果见表2。

2.2 样车不同温度对比试验结果

通过CAN信号采集装置，可采集车桩充电通信报文。根据GB／T 27930－2015，可解析BCL电池充电需求、BCS电池充电总状态、CCS充电机充电状态、BSM动力蓄电池状态信息，分析低温环境下电池需求电流与SOC、动力蓄电池的关系，对比低温环境和常温环境下充电性能的区别。通信报文对应包含试验所需物理量统计表见表3。

表1 低温、常温充电时间、充电能量

图4 衰减比例统计

表2 试验样车充电速率

以4#样车为例，分析充电通信协议报文。低温环境下BCL、BCS、CCS和能量计电压和电流曲线见图5。从图5可以看出，BCS、CCS、能量计电压几乎完全吻合。而BCS电流与能量计电流会有略微的差别。即，动力蓄电池电流小于充电桩输出电流，充电一段时间内BCS电流与能量计采集电流对比见表4，在此时间段内能量计电流高于BCS电流约6A。此部分电流受整车充电策略调配，可用于加热动力电池温度，这也体现了动力电池的充电效率。

表3 充电通信报文分类

图5 BCL、BCS、CCS和能量计电压和电流曲线

表4 BCS电流与能量计电流差值

通过图5也可知，当动力电池温度越接近标称温度，充电电流也越大，尽可能缩短充电时间，又要降低对动力电池的寿命损耗。

图6和图7分别是低温、常温环境下BCL电压电流与BSM最高、最低蓄电池温度的关系曲线图。分析两种环境下充电过程中动力蓄电池的温度，在常温下，最高、最低动力电池温度基本一致，而在低温环境下，最高、最低动力电池温度有明显的差值，表明在低温环境充电过程中，动力电池包温度不均衡；从需求电流趋势角度来看，在常温条件下，需求电流随时间下降，在低温环境下，需求电流不断增加。增长趋势的不同是由动力电池的温度和当前电池SOC值共同决定。

图6 低温环境下BCL与BSM关键参数的关系曲线图

图7 常温环境下BCL与BSM关键参数的关系曲线图

图8 是低温、常温环境下BCS电压电流与电池SOC的关系曲线图。从图8可知：在低温、常温环境下，车辆达到充电结束条件时 （80%SOC），BCS的电压值相同，都为392V；常温环境下充电电流随着充电时间而减小，与低温环境下充电电流趋势相反；常温环境下最高充电电流可达180A，而在低温情况下，最高电流仅有94.1A。

3 总结

图8 低温、常温环境下BCS电压电流与电池SOC的关系曲线图

本文以电动汽车整车为研究对象，对7辆样车进行低温环境充电试验，记录充电过程电压、电流、功率及充电报文数据，分析低温环境下电动汽车充电性能。通过试验结果可知：①从集体样车试验情况分析，在低温环境下都可以正常启动交流充电，大部分试验车辆充电电量和常温对比有一定的衰减，充电时间有一定的增加；②从同一样车不同温度对比试验情况分析，低温、常温环境下，充电电流上升趋势相反，电池输入电流小于能量计采集充电桩输出的电力，在低温环境下电池温度不均，最大充电电流有所降低。