動(dòng)力電池快充策略研究

孟祥宇 陳永勝 孫煥麗

（中國(guó)第一汽車股份有限公司 新能源開發(fā)院，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：快充 電動(dòng)汽車 仿真 試驗(yàn)

1 前言

在環(huán)境因素和政策導(dǎo)向的雙重推動(dòng)下，純電動(dòng)汽車的發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，在“雙積分”政策的激勵(lì)下，車企也將重心逐漸從傳統(tǒng)車轉(zhuǎn)移到新能源汽車上，隨著新能源汽車的保有量逐漸增加，越來(lái)越多的用戶希望新能源車也能像傳統(tǒng)車一樣快速地補(bǔ)充能量，即快速充電，但快充會(huì)帶來(lái)電池溫度大幅度上升、電池溫差變大、電池壽命衰減、冷卻能耗增加等問(wèn)題。因此通過(guò)優(yōu)化快充策略，降低溫度和溫差，成為快充領(lǐng)域發(fā)展過(guò)程中一項(xiàng)非常重要的手段。

本文結(jié)合鋰離子電池的工作特性，通過(guò)定制開發(fā)快充電池單體，實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)20 min級(jí)快充能力。以階梯式分段恒流充電模式為基礎(chǔ)，提出了4種快充策略，通過(guò)對(duì)充電時(shí)間、充電容量、電池最高溫度、溫差和生熱與散熱功率6個(gè)指標(biāo)的仿真和試驗(yàn)對(duì)比，選定最優(yōu)的充電策略。

2 研究背景

2.1 技術(shù)背景

1972年，美國(guó)科學(xué)家馬斯在第二次國(guó)際車輛會(huì)議上提出了著名的馬斯三定律。該定律說(shuō)明，鋰離子電池充電可接受的最大充電電流會(huì)隨著充電時(shí)間的增加而成指數(shù)型減小，即：

式中，I為電池可接受的充電電流；I0為開始充電（t=0）時(shí)電池可接受的最大充電電流；α為充電可接受電流衰減常數(shù)（α=I0/C），與電池的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān)；t為充電時(shí)間[1]。

馬斯定律中的最大充電電流為一個(gè)臨界值，以該電流充電會(huì)使電池微量產(chǎn)氣，當(dāng)充電電流小于該臨界值時(shí)，鋰離子電池安全，但會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間；當(dāng)充電電流超出該臨界值時(shí)，電池內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)氣現(xiàn)象[2]。大電流充電雖然縮短了充電時(shí)間，但會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部電解液分解，且大電流造成的極化現(xiàn)象更為嚴(yán)重，反而大大降低了充電效率。因此，需要設(shè)計(jì)低于臨界值的、合適的充電電流[3]。

2.2 快充策略設(shè)計(jì)

本文的研究對(duì)象是搭載于一汽某款純電動(dòng)車的快充三元鋰離子動(dòng)力電池，電池包標(biāo)稱電壓為525.6 V，標(biāo)稱容量90 Ah，總成方案2P144S，總成充、放電截止電壓為403.2 V～604.8 V，電池單體標(biāo)稱電壓3.65 V，額定容量45 Ah，充、放電截止電壓2.8 V～4.2 V。

本文基于馬斯三定律，設(shè)計(jì)4種分段階梯恒流充電方法，綜合考率動(dòng)力電池快充時(shí)間、最高溫度、最大溫差等因素，從多維度評(píng)價(jià)4種快充策略。

本文設(shè)計(jì)快充策略1（以下簡(jiǎn)稱為策略1）的SOC為5%～80%目標(biāo)快充時(shí)間為12 min級(jí)；快充策略2、3和4（以下簡(jiǎn)稱為策略2、3和4）的SOC為5%～80%目標(biāo)快充時(shí)間為20 min級(jí)。提出策略2、3和4的目的是為了優(yōu)化策略1在充電過(guò)程中可能出現(xiàn)的電池溫度高和溫差大等問(wèn)題，降低安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)電池最高溫度的下降對(duì)電池壽命有益。

策略1的SOC為5%～80%的目標(biāo)充電時(shí)間為12 min級(jí)，平均快充倍率3.75 C，根據(jù)電池單體能力，將階梯分段快充倍率設(shè)計(jì)為4 C～3 C；策略2、3和4的SOC為5%80%的目標(biāo)充電時(shí)間為20 min級(jí)，平均快充倍率2.75 C，根據(jù)電池單體能力，將策略2、3和4的快充倍率分別設(shè)計(jì)為3 C～1 C、3 C～2 C～1 C和4 C～3 C～2 C～1 C。根據(jù)目標(biāo)快充時(shí)間和分段倍率，計(jì)算可得策略1至策略4階段充電分別為：4 C充電至SOC為50%，3 C充電至SOC為80%；3 C充電至SOC為65%，1 C充電至SOC為80%；3 C充電至SOC為50%，2 C充電至SOC為70%，1 C充電至SOC為80%；4 C充電至SOC為15%,3 C充電至SOC為50%，2 C充電至SOC為70%，1 C充電至SOC為80%。該單體的開路電壓和內(nèi)阻如表1所示。根據(jù)表1和公式（2），計(jì)算可得策略1的4 C階段充電至3.89 V，3 C階段充電至4.14 V。根據(jù)公式（2），若4種充電策略均充電至SOC為80%，充電策略2、3和4末端1 C階段充電截止電壓小于策略1的3 C階段截止電壓，所以策略2、3和4的充電末端截止電壓同樣設(shè)定為4.14 V，可以保證4種策略均充電到SOC為80%以上,截取SOC為5%至80%的充入能量。策略1至策略4如圖1和表2所示。

式中,U為工作電壓；OCV為開路電壓；I為電流；R為直流內(nèi)阻。

表1 該快充單體充電開路電壓及內(nèi)阻

圖1 快充策略

表2 快充策略表

充電過(guò)程中電池冷卻策略為入水口溫度25℃，水流量12 L/min。若任一單體溫度升至55℃，則停止試驗(yàn)。

3 仿真驗(yàn)證

本文利用AMESIM軟件建模，對(duì)策略1至策略4進(jìn)行仿真，目的是驗(yàn)證4種快充策略設(shè)計(jì)是否合理，仿真時(shí)間是否與理論時(shí)間接近，4種策略理論快充時(shí)間與仿真快充時(shí)間如表3所示。

根據(jù)策略1：由SOC從5%起始，4 C恒流充電至SOC為50%，3 C恒流充電至SOC為80%，可知切換電流的理論時(shí)間點(diǎn)為6.75 min，仿真得到的切換電流時(shí)間點(diǎn)與理論時(shí)間點(diǎn)相同，如圖2所示。

表3 仿真結(jié)果與理論對(duì)比

圖2 策略1仿真電壓與電流

根據(jù)策略2：從SOC為5%起始，3 C恒流充電至SOC為65%，1 C恒流充電至SOC為80%，可知切換電流的理論時(shí)間點(diǎn)為12 min，仿真得到的切換電流時(shí)間點(diǎn)為11 min，如圖3所示。

圖3 策略2仿真電壓與電流

根據(jù)策略3：從SOC為5%起始，3 C恒流充電至SOC為50%，2 C恒流充電至SOC為70%，1 C恒流充電至SOC為80%，可知切換電流的理論時(shí)間點(diǎn)為9 min和15 min，仿真得到的切換電流的時(shí)間點(diǎn)為9 min和16.5 min，如圖4所示。

圖4 策略3仿真電壓與電流

根據(jù)策略4：由SOC為5%起始，4 C恒流充電至SOC為15%,3 C恒流充電至SOC為50%，2 C恒流充電至SOC為70%，1 C恒流充電至SOC為80%，可知切換電流的理論時(shí)間點(diǎn)為1.5 min、8.5 min和14.5 min，仿真得到的切換電流時(shí)間點(diǎn)2.5 min、9.25 min和13.85 min，如圖5所示。

圖5 策略4仿真電壓與電流

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

充放電設(shè)備型號(hào)：MRTS-DC 250kW，環(huán)境艙型號(hào)：SEWTH-A-190LHS。

4.2 試驗(yàn)步驟

（1）25±2℃下，1 C恒流放電任一單體電壓至2.8 V；

（2）25±2℃下，擱置30 min；

（3）25±2℃下，1 C恒流充電至SOC為5%；

（4）25±2℃下，擱置至電池溫度至25±2℃；

（5）25±2℃下，采用某種快充策略進(jìn)行快充，試驗(yàn)開始即開啟冷卻。

4.3 結(jié)果分析

該電池系統(tǒng)的25℃，1 C容量為89.6 Ah，能量47.3 kW·h，因考慮實(shí)際使用情況，快充充入的能量對(duì)于整車?yán)m(xù)駛里程的補(bǔ)給更有實(shí)際意義，故本文4種快充策略都選取充入75%的能量為結(jié)束點(diǎn)，即充入35.48 kW·h，SOC為5%～80%快充，結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果

4.3.1 快充性能分析

（1）快充時(shí)間：試驗(yàn)所得快充時(shí)間與理論快充時(shí)間相比，最多相差3.5%，最少相差0，故可認(rèn)為策略設(shè)計(jì)滿足目標(biāo)要求。策略3與策略2相比，縮短了3 C和1 C階段的充電時(shí)間，中間加入2 C充電階段，在理論時(shí)間相同的情況下，實(shí)際充電時(shí)間相差0.1 min。策略4與策略3相比，是將SOC為5%～15%階段的充電倍率從3 C調(diào)整為4 C，其他不變，故策略4比策略3實(shí)際快充時(shí)間短。

（2）充入容量：在充入能量相同的情況下，快充容量如圖6所示。策略1充入容量為63.6 Ah，策略2至策略4為64.5 Ah左右。策略1比策略2至4充入容量少的原因?yàn)殇囯x子電池在大電流充電時(shí)會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，電池極化是由電化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)在電解液和正負(fù)電極中傳輸過(guò)程受阻引起的。電池極化會(huì)抬高端電壓，使電池充電時(shí)快速升至截止電壓，造成電池充電容量變少[2]。

圖6 快充容量對(duì)比示意

4.3.2 熱管理分析

4種快充策略的臺(tái)架試驗(yàn)，熱管理策略都為入水口水溫25℃，水流量12 L/min，快充開始即開啟冷卻。以下從充電結(jié)束時(shí)刻溫度、充電過(guò)程最高溫度、生熱與散熱功率、溫差4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分析。

（1）充電結(jié)束時(shí)刻溫度。策略1在快充結(jié)束時(shí)刻溫度為54℃，已接近55℃的電池許用溫度上限，若使用策略1快充后直接啟動(dòng)整車，會(huì)使整車動(dòng)力性下降，冷卻開啟時(shí)間增長(zhǎng)和冷卻能耗增加，導(dǎo)致整車?yán)m(xù)駛里程下降；若快充后整車靜置或靜置保持冷卻開啟，使電池下降到一定溫度再開始使用，這樣或增加了時(shí)間成本或增加了整車能耗、縮短了續(xù)駛里程，而續(xù)駛里程恰恰是用戶最關(guān)心的整車指標(biāo)之一，故策略1存在較大劣勢(shì)。而策略2至策略4的結(jié)束時(shí)刻溫度為41℃和42℃，遠(yuǎn)低于使用溫度上限，因此，快充后無(wú)需靜置可直接啟動(dòng)整車，同時(shí)也能保證電池性能處在一個(gè)較優(yōu)水平，節(jié)省了時(shí)間成本和冷卻的能耗。

（2）最高溫度：最高溫度及電流如圖7所示。

圖7 最高溫度及電流示意

從圖7中可以看出，4 C和3 C充電階段電池溫度是上升的，2 C充電階段溫度基本維持不變，1 C充電階段溫度在下降。策略1的最高溫度達(dá)54℃，在4種策略中最高，原因?yàn)椴呗?的平均倍率最大，且4 C倍率持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，故溫升最高。策略1在第5 min時(shí)，電池最高溫度已達(dá)到50℃，該電池系統(tǒng)50℃開始限功率，此時(shí)充電功率降為50%，若策略1搭載實(shí)車使用，則快充時(shí)間無(wú)法保證在12 min級(jí)。策略2至策略4的試驗(yàn)中，策略3的電池溫度最低，為43℃，策略2的電池溫度最高，為48℃，已接近限功率值，在整車使用也存在風(fēng)險(xiǎn)，故應(yīng)考慮從策略3和策略4中選擇最佳充電策略。

（3）生熱與散熱功率：本文根據(jù)試驗(yàn)所得充電結(jié)束時(shí)刻溫度和充電過(guò)程中的最高溫度，通過(guò)計(jì)算與仿真得到策略1至策略4的平均生熱功率與平均散熱功率，并對(duì)比仿真與試驗(yàn)得到的充電結(jié)束時(shí)刻溫度和充電過(guò)程中的最高溫度，詳細(xì)結(jié)果見表5。

表5 生熱功率與散熱功率

在策略1至策略4中，策略1的平均生熱功率與平均散熱功率最大，原因?yàn)樵陔姵貎?nèi)阻相同的情況下，策略1的平均電流最大，所以策略1的平均生熱功率最大；策略1的溫升最高，在冷卻策略相同的情況下，策略1的平均散熱功率最大。策略3的平均生熱功率最小，在電池搭載整車進(jìn)行充電時(shí)，可以適當(dāng)降低散熱功率的使用需求，從而降低整車能耗，因此，考慮選擇策略3為最優(yōu)充電策略。

（4）溫差：策略1至策略4的溫差圖如圖8所示。

圖8 溫差示意

策略1和策略4溫差都超過(guò)了10℃，分析原因

(1)內(nèi)阻一致性：電池生熱功率由電流和內(nèi)阻直接決定，若電池系統(tǒng)內(nèi)的單體內(nèi)阻一致性較差，則每個(gè)電池單體的溫度會(huì)有一定的差別，且大電流會(huì)“放大”這種差別，而策略1和策略4都有4 C充電階段，故溫差較大。

(2)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)：該電池包的水冷板與模組接觸面并不能完全覆蓋模組底面的全部面積，故開啟冷卻后，每個(gè)模組內(nèi)靠近端板的一個(gè)單體底面未能進(jìn)行冷卻，導(dǎo)致每個(gè)模組靠近端板位置的單體溫度會(huì)比其他單體的溫度高。因此，策略4溫差大，長(zhǎng)期使用該策略會(huì)使電池一致性變差，故在4種快充策略中，應(yīng)選定策略3為該電池系統(tǒng)的最優(yōu)快充策略。

5 結(jié)論

本文基于馬斯三定律，根據(jù)目標(biāo)快充時(shí)間，計(jì)算并提出4種快充策略，通過(guò)仿真和試驗(yàn)，綜合對(duì)比4種策略的快充時(shí)間、充入容量、溫度、溫差和生熱與散熱功率6個(gè)指標(biāo)，雖然策略1在充電時(shí)間上優(yōu)于其它三種策略，但策略1充電過(guò)程中最高溫度已接近電池許用溫度上限且溫差過(guò)大，無(wú)法滿足整車級(jí)別使用需求；策略2至策略4充電時(shí)間都在20 min級(jí)別，策略3在最高溫度、結(jié)束時(shí)刻溫度、溫差和生熱與散熱功率5個(gè)指標(biāo)上，都優(yōu)于其他兩種策略，因此選定策略3為4種快充策略中的最優(yōu)快充策略。