纯电动物流车三元锂电池充电时间优化简析

2021-06-04万明丽葛俊夏徐柏兴周立羊

汽车电器 2021年5期

万明丽，葛俊夏，徐柏兴，周立羊

（郑州比克新能源汽车有限公司，河南郑州 451450）

随着电动汽车的发展，续航里程已得到了很大的提升。当行驶各方面都满足人们要求后，充电问题就成为大家的关注。当前国家政策大力支持建设充电桩，为车辆充电提供了极大的便利，因而充电时间就成为了人们关注的重中之重。本文将阐述纯电动物流车在不具备热管理的条件下如何优化充电时间。

1 三元锂电池特性

三元锂电池大致分为3种：圆柱电池、方形电池和软包电池。圆柱电池和方形电池大都采用钢制外壳或铝制外壳，软包电池为铝塑膜。由于当前铝塑膜品质和软包电池工艺尚不成熟，所以暂不谈。本文以目前最为成熟的圆柱电池18650为例进行阐述。

1.1 圆柱电池型号

圆柱电芯型号用5位数表示，前2位数表示直径，后2位数表示高度。例如18650型电池，表示其直径为18mm，高度为65mm。如图1所示。

图1 外部尺寸图

1.2 圆柱电池特性

1）形状一致性好圆柱电池有固定的型号，相同型号的电池直径和高度是一致的。18650电池为标准产品，便于进行电池包的设计和组装。且其为钢制外壳，不会出现电池尺寸异常的情况，如鼓胀、超厚、变形等。

2）空间利用率高圆柱电池采用“螺旋渐进线”式的卷绕结构，能充分利用空间，使空间利用率达到最高。如图2所示。

图2 内部结构剖面图

3）能量密度高圆柱电池的能量密度可达到164~252Wh/kg。

4）安全性能好组合盖帽上设有保护装置，CID一旦发生安全问题，可以及时切断电路，释放出化学反应所产生的气体，保证电池安全。

2 充电时间优化

电池充放电过程本质上是化学反应的过程，而此化学反应过程中会持续产生热量。三元锂圆柱电池最高允许充电温度一般为55℃，良好的热管理系统可以将电池包温度控制在此范围内，目前带热管理系统的三元锂电池包的最大充电倍率可达1C。由于热管理系统成本较高，目前大多只应用在乘用车上，物流车往往迫于成本压力，一般没有配置热管理。

不带热管理的电池包为了控制产热量，一般将最大充电倍率设置为0.5C，以此倍率进行充电，时间可控制在2h（不考虑末期涓流充电），但并非在整个温度区间内都可用此倍率进行充电。低温时受三元锂电池特性的影响，若仍使用0.5C进行充电，则会出现析锂现象，造成容量降低，并且锂结晶后贴附在隔膜上，甚至可能将隔膜刺破，造成正负极短路，这是十分危险的，故低温时需将充电倍率调小。而高温时使用0.5C进行充电会继续产热，在没有热管理的情况下，温度很容易就达到电池允许充电的上限，造成车辆终止充电，故也需将充电倍率调小来控制充电过程中的温升，尽量不使其达到充电上限温度，这就导致了高低温情况下电池的充电时间更长。如何在此种条件下少量增加或不增加成本的同时缩短充电时间就成为了车厂关注的议题。本文将从以下几个方面阐述此种条件下如何进行充电时间的优化。

1）低温为解决低温充电时间长问题，可以采用纯加热方案：根据电池包结构及参数选择合适的加热膜，当电池温度低于允许充电下限温度时，启动加热膜进行加热；当将电池加热到一定温度时，开启充电，此时加热膜继续工作；当电池被加热到最适宜的温度时，停止加热，继续充电。由于加热膜成本较低，故此方案成本要远远低于液冷，可以成为物流车的首选。但受限于市场上充电桩水平的参差不齐及加热膜市场不够成熟，需要电池管理系统执行一套较为复杂的控制策略才能达到较为良好的加热效果。

2）高温由于液冷系统较为昂贵，故物流车电池高温时一般依靠自然冷却。大倍率充电电池温升太快，小倍率充电时间又过长，故就需要在控制温升的基础上最大限度地提升充电倍率。这需要考虑车辆的实际使用环境及工况，根据这些数据在环境舱模拟进行大量充电测试，记录电池温升数据，最终确定一版最优方案。

3）充电末期为了使电池充进足够的电量，通常会在充电末期进行涓流充电。而涓流充电时间往往较长，会大大增加总体充电时间，故优化充电时间需要首先缩短涓流充电的时间。可针对充电末期策略进行优化，使用阶梯降流策略，如图3所示，经测试，从降流开始到充电完成，时间可控制在15~20min内。