一种低温动力电池交流充电加热控制策略*

姜翠娜，高靖宇，邝文灏

一种低温动力电池交流充电加热控制策略*

姜翠娜，高靖宇，邝文灏

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511434）

电动汽车动力电池充放电性能受其使用环境温度的影响，在低温环境下动力电池的电化学反应活性降低，低温交流充电控制策略不合理可能导致动力电池过充，不仅影响低温充电功能的稳定性，而且会影响动力电池的使用寿命，甚至会引发安全事故。因此合理的低温充电控制策略就显得尤为重要。文章以广汽新能源某纯电车型为例，通过对已有的动力电池低温交流充电控制策略的分析研究，提出一种新型的低温动力电池交流充电加热控制策略，并通过低温实车验证。

电动汽车；动力电池；交流充电；加热；控制策略

前言

随着新能源汽车的快速发展，高压动力电池作为纯电动汽车的动力源，其工作特性已成为当今世界的研究热点[1]。目前动力电池特性受其工作环境影响比较显著[2]，尤其低温下，动力电池的电化学反应活性降低，其可用能力、充放电性能衰减比较严重，低温充电可能会导致锂离子析出堆积[3-5]，严重影响动力电池的使用寿命，造成不可逆的损伤，甚至引发安全事故[6-9]。本文选取广汽新能源某纯电车型为研究对象，通过分析已有的低温交流充电加热策略，发现其存在一定的问题及风险，通过分析后提出一种新型的动力电池低温交流充电加热控制策略，并通过实车低温试验，试验结果表明，采用该新型低温交流充电加热控制策略可完全避免已有方案存在的问题及风险。

1 试验设计

1.1 试验对象

广汽新能源某纯电车型，其动力电池的额定容量140Ah。

交流充电桩：6.6kW，输出电压：220VAC；输出电流：32A，产品型号：NCCP-AC220-7000-G804，如图1所示。

图1 交流充电桩

1.2 数采设备

整车CAN数据监控设备，计算机。

1.3 试验步骤

1）将电动汽车置于-30℃低温环境模拟舱下充分静置，采用整车CAN数据实时监控动力电池温度，等待动力电池最低温度达到-20℃，且动力电池上报的最高温度与最低温度温差不超过2℃；

2）待动力电池温度达到-20℃时，连接交流充电枪，给电动汽车进行交流充电；

3）通过整车CAN数据监控设备实时采集整车CAN数据，监测车辆状态、动力电池继电器状态、加热器工作状态、动力电池温度等信息，以便试验结束后分析低温充电加热策略。

2 传统低温交流充电加热控制策略

图2 传统低温交流充电加热控制策略

该纯电动汽车采用的低温交流充电加热策略为：当动力电池温度低于低温阈值T1时，整车控制器请求车载充电机进入充电模式，车载充电机检测到模式请求指令后进入充电模式，同时整车控制器请求加热器开启，为动力电池加热，动力电池处于边充电边加热状态，其请求车载充电机工作电流为动力电池允许充电电流与加热器消耗电流之和；当动力电池温度达到一定值T2后，整车控制器请求加热器关闭，动力电池退出加热模式，动力电池处于充电状态，其请求车载充电机工作电流为动力电池允许充电电流，其控制逻辑如图2所示。

在低温环摸舱中对车辆进行低温充电测试，监测加热器工作状态、加热器消耗电流、动力电池充放电电流、车载充电机工作电流，截取其中一段数据分析，其变化情况如图3所示。

图3 传统方案动力电池继电器及加热工作状态图

由图3可以看出在低温充电加热过程中，当加热器消耗电流稳定时，车载充电机工作电流可以跟随加热器消耗电流；当加热器消耗电流波动时，车载充电机工作电流无法实时跟随加热器电流消耗。在开启加热器时，由于车载充电机输出电流响应迟滞，动力电池处于放电状态；在加热器消耗电流每次下降时，都导致动力电池存在一段时间的充电电流，低温下若动力电池温度极低不具备允许充电能力时，该充电加热策略会导致对动力电池造成不可逆的过充，在整个充电过程中，对动力电池的安全性及寿命造成不良影响。

3 新型低温交流充电加热控制策略

为防止低温充电对动力电池造成的过充风险，在低温充电加热过程中引入“隔离式”充电加热控制策略。当低温动力电池不具备充电能力时，将动力电池高压继电器断开，进入隔离式充电加热模式，整车控制器开启加热器对动力电池进行加热，其请求车载充电机工作电流为加热器消耗电流；当动力电池温度高于T1时，闭合动力电池的高压继电器，进入边充电边加热模式，其请求车载充电机工作电流为动力电池允许充电电流与加热器消耗电流之和；当动力电池温度高于T2时，进入充电模式，其请求车载充电机工作电流为动力电池允许充电电流。其控制逻辑如图4所示。

图4 新型低温交流充电加热控制策略

在低温环摸舱中对车辆进行低温充电测试，监测不同充电加热阶段中加热器工作状态、动力电池高压继电器状态、加热器消耗电流、动力电池充电电流、车载充电机工作电流变化情况。

根据新型低温交流充电加热控制策略，在满足进入隔离式充电加热模式的条件下，隔离式充电加热使能，整车动力电池高压继电器状态、加热器消耗电流、动力电池充放电电流、车载充电机工作电流变化入图5、图6所示。

图5 隔离式充电加热过程中动力电池继电器及加热器工作状态图

图6 隔离式充电加热过程充电电流变化图

当整车满足退出隔离式充电加热模式逻辑，满足进入边充电边加热模式时，隔离式充电加热使能状态信号由使能状态变为未使能状态，整车动力电池高压继电器状态、加热器消耗电流、动力电池充放电电流、车载充电机工作电流变化入图7、图8所示。

图7 边充电边加热过程中动力电池继电器及加热器工作状态图

图8 边充电边加热过程充电电流变化图

试验数据表明，整车满足新型低温交流充电加热控制策略开启条件后，进入隔离式充电加热模式，即图5中的隔离式充电加热使能后，动力电池高压主正继电器断开，将动力电池与充电系统隔离，待动力电池高压继电器断开后，整车系统开启加热器对动力电池进行加热，在整个隔离式充电加热过程中，车载充电机输出电流完全用于加热器工作消耗，动力电池的工作电流为0A，在加热器工作电流下降时，未出现过充现象。

当整车满足退出隔离式充电加热模式条件，满足进入边充电边加热模式的条件后，整车进入边充电边加热模式，即图7中的隔离式充电加热使能状态信号变为未使能状态，并且闭合动力电池的高压继电器，进入边充电边加热模式，整车请求车载充电机工作电流为动力电池允许充电电流与加热器消耗电流之和。在模式切换时由于车载充电机模式跳转，存在极短暂不输出电流状态。从图8可以看出，进入边充电边加热模式后，车载充电机存在1s以内的短暂停止输出电流现象，此时动力电池放电补偿加热器的功率消耗，待车载充电机模式切换成功后，车载充电机的实际工作电流为加热器消耗电流值与动力电池请求的允许充电电流值，动力电池未出现过充现象。

4 结束语

本文对低温交流充电加热策略进行分析，并提出新型的低温交流充电加热控制策略对低温动力电池进行充电加热，并通过实车-20℃的低温环摸充电测试，试验结果表明，采用新型低温交流充电加热控制策略，在-20℃充电时，可断开动力电池高压继电器，保护动力电池，通过车载充电机直接给加热器供电，可完全避免低温充电加热过程中，由于车载充电机输出电流迟滞的工作特性在加热器功率消耗瞬态波动时，造成对动力电池过充风险。该新型低温充电加热控制策略有效地避免了低温充电过充风险，确保电动汽车在极端条件下的充电稳定性及安全性。

[1] 王少龙,侯明,王瑞山.动力电池的研究现状及发展趋势[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] 张承宁,雷治国,董玉刚.电动汽车锂离子电池低温加热方法研究[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,沈帅等.动力电池低温加热系统应用研究[J].民两用技术与产品,2015(6):1-2.

[7] 雷治国,张承宁,董玉刚等.电动汽车用锂离子电池低温性和加热方法[J].北京工业大学学报,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] 雷治国,张承宁.电动汽车电池组热管理系统的研究进展[J].电源技术,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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姜翠娜，硕士，就职于广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，研究方向：新能源汽车整车控制策略。

国家重点研发计划资助（项目编号：2017YFB0103300）。