電動(dòng)汽車低溫充電性能的研究與分析

黃 炘，陳麗雪，李 川，李 津，王朝暉，李 楊

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

近些年，新能源汽車發(fā)展快速，截至2019年6月，全國新能源汽車保有量達(dá)344萬輛，占汽車總量的1.37%，相比2018年同期增加145萬輛，增長72.85%。但在取得如此成績的同時(shí)，也暴露出了越來越多的問題，其中充電問題成為了制約新能源汽車發(fā)展的重要因素［1］。

由于我國幅員遼闊，電動(dòng)汽車遍布全國各地，其中我國西北和東北地區(qū)冬季時(shí)間長且高寒，而新能源汽車在低溫環(huán)境下存在續(xù)駛里程大幅縮短、充電時(shí)間加長、動(dòng)力性下降等問題，給用戶的使用帶來不便，嚴(yán)重引發(fā)用戶抱怨，導(dǎo)致其在高寒地區(qū)的推廣應(yīng)用較少。低溫環(huán)境下充電性能的降低，會影響高寒地區(qū)電動(dòng)汽車的普及與發(fā)展。

國內(nèi)外已對電池包 （零部件級）的極限環(huán)境充電展開研究，例如：文獻(xiàn)［2］研究了電動(dòng)汽車鋰離子電池低溫充電的老化規(guī)律；文獻(xiàn)［3］采用極限電流對鉛酸電池充放電特性進(jìn)行研究，提出鉛酸電池的低溫充電改進(jìn)方法；文獻(xiàn)［4］研究了電池組低溫環(huán)境下充電控制設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。但整車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對單體電池或電池包的研究并不能完全模擬整車級的充電性能的表現(xiàn)。文獻(xiàn)［5］研究了鋰離子動(dòng)力電池低溫性能，證明了無定型碳包敷負(fù)極復(fù)合材料可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力鋰離子在低溫下充放；文獻(xiàn)［6］研究了高低溫電動(dòng)汽車用磷酸鐵鋰電池工作模型。

本文以電動(dòng)汽車整車為研究對象，采用《EV-Test電動(dòng)汽車測評管理規(guī)則 （2019版）》低溫充電測試方法，對不同品牌不同型號車輛進(jìn)行低溫環(huán)境充電試驗(yàn)，記錄充電過程電壓、電流、功率及充電報(bào)文數(shù)據(jù)，分析低溫環(huán)境下電動(dòng)汽車充電性能。本文將從充電時(shí)間、充電能量、充電電流上升趨勢、最大充電電流，以及通信協(xié)議報(bào)文BCL、BCS、BMS電壓電流與電池溫度和SOC的關(guān)系這幾個(gè)方面，進(jìn)行低溫充電性能的研究與分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)平臺

通過環(huán)境倉模擬高溫、高寒等環(huán)境，以及采用“三高”試驗(yàn)場真實(shí)工況，利用能量計(jì)量裝置、波形記錄儀、CAN通信采集裝置、故障模擬裝置等，實(shí)現(xiàn)各種極限環(huán)境下充電信號采集 （電壓、電流、功率、能量、報(bào)文等）。

其中，交流充電設(shè)備為7kW充電樁，直流充電設(shè)備為120kW，額定電流250A的直流充電樁。環(huán)境倉為66m3的溫度沖擊試驗(yàn)箱。圖1為試驗(yàn)平臺簡易圖。

1.2 試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)方法出自《EV-Test電動(dòng)汽車測評管理規(guī)則（2019版）》。

1.2.1 試驗(yàn)條件

交流充電設(shè)備規(guī)格：7kW交流充電設(shè)備；直流充電設(shè)備規(guī)格：不低于120kW的直流充電設(shè)備；所有充電設(shè)備均應(yīng)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。

圖1 試驗(yàn)平臺簡易圖

1.2.2 車輛預(yù)處理

試驗(yàn)前動(dòng)力蓄電池放電。首先，試驗(yàn)車輛以30min最高車速的70%±5%的穩(wěn)定車速行駛，使車輛的動(dòng)力蓄電池放電。放電在車速不能達(dá)到30min最高車速的65%時(shí)結(jié)束。

1.2.3 試驗(yàn)流程

1）低溫－10℃充電：車輛充電前應(yīng)在－10℃環(huán)境中浸車14～16h，并在此環(huán)境下進(jìn)行測試。對交流充電試驗(yàn)，先插入供電端插頭，再插入車輛端插頭，然后操作充電樁開始充電，檢查車輛的充電狀態(tài)；車輛均應(yīng)啟動(dòng)充電，充電過程中，若充電接口配置電子鎖，電子鎖止裝置應(yīng)保持鎖止。對直流充電試驗(yàn)，在充電樁與電動(dòng)汽車之間，以不小于1Hz的采集頻率實(shí)時(shí)連續(xù)記錄充電過程中的電量，記錄充電至80%SOC（依據(jù)直流充電通信報(bào)文）對應(yīng)的充電時(shí)間t1（單位以h表示，數(shù)值精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位）與充電電量E1。

2）車輛充電前應(yīng)在（25±5）℃環(huán)境中浸車12h以上，并在此環(huán)境下進(jìn)行測試。在充電樁與電動(dòng)汽車之間，以不小于1Hz的采集頻率實(shí)時(shí)連續(xù)記錄充電過程中的電量，記錄80%SOC對應(yīng)的充電時(shí)間t2（單位以h表示，數(shù)值精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位）和對應(yīng)的充電電量E2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場照片

圖2 為試驗(yàn)現(xiàn)場照片。本文對7款車型 （1#～7#）按照第1章試驗(yàn)方法進(jìn)行低溫與常溫環(huán)境下的集體樣車與同一樣車的充電性能分析試驗(yàn)。利用能量計(jì)量裝置采集充電設(shè)備輸出，及電動(dòng)汽車充電輸入電壓、電流、功率等參數(shù)，計(jì)算充電時(shí)間和充電電量；利用波形記錄儀，記錄在低溫環(huán)境下交流充電啟動(dòng)波形；通過CAN通信采集裝置記錄充電全過程GB／T 27930－2015通信報(bào)文，對通信報(bào)文進(jìn)行解析處理，分析報(bào)文BCL、BCS、CCS電壓電流與BCP電池最高、最低溫度及SOC值的關(guān)系。

2.1 集體樣車實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 低溫環(huán)境下交流充電結(jié)果

車輛進(jìn)行放電后，在－10℃環(huán)境倉中浸車，達(dá)到浸車時(shí)間后，采用7kW交流充電樁進(jìn)行試驗(yàn)。通過對每一樣車進(jìn)行試驗(yàn)后，試驗(yàn)結(jié)果7輛樣車都可以正常啟動(dòng)充電。圖3為某樣車交流啟動(dòng)充電波形。

圖3 某樣車交流啟動(dòng)充電波形

2.1.2 低溫與常溫環(huán)境下直流充電結(jié)果

7輛樣車的低溫、常溫充電時(shí)間、充電能量數(shù)據(jù)見表1。通過數(shù)據(jù)可知，低溫環(huán)境下，大部分車輛 （6／7）的充電時(shí)間與室溫相比都有所增加，1#樣車的衰減比例最大，可達(dá)2.55。時(shí)間衰減比例越小，低溫充電時(shí)間與常溫充電時(shí)間差距更小，充電性能更好；低溫環(huán)境下充電電量相比室溫條件也有一定的衰減，6#樣車電量衰減程度最高，衰減率為0.815。但4#和5#樣車低溫充電電量要高于常溫充電電量，這是由于低溫充電策略不同，此2輛樣車電池預(yù)熱消耗了更多能量，導(dǎo)致低溫充電電量高于常溫充電電量。低溫充電時(shí)間衰減比例、電量衰減比例圖見圖4。

其中，低溫充電時(shí)間衰減比例系數(shù)

式中：v——充電速率。樣車充電速率結(jié)果見表2。

2.2 樣車不同溫度對比試驗(yàn)結(jié)果

通過CAN信號采集裝置，可采集車樁充電通信報(bào)文。根據(jù)GB／T 27930－2015，可解析BCL電池充電需求、BCS電池充電總狀態(tài)、CCS充電機(jī)充電狀態(tài)、BSM動(dòng)力蓄電池狀態(tài)信息，分析低溫環(huán)境下電池需求電流與SOC、動(dòng)力蓄電池的關(guān)系，對比低溫環(huán)境和常溫環(huán)境下充電性能的區(qū)別。通信報(bào)文對應(yīng)包含試驗(yàn)所需物理量統(tǒng)計(jì)表見表3。

表1 低溫、常溫充電時(shí)間、充電能量

圖4 衰減比例統(tǒng)計(jì)

表2 試驗(yàn)樣車充電速率

以4#樣車為例，分析充電通信協(xié)議報(bào)文。低溫環(huán)境下BCL、BCS、CCS和能量計(jì)電壓和電流曲線見圖5。從圖5可以看出，BCS、CCS、能量計(jì)電壓幾乎完全吻合。而BCS電流與能量計(jì)電流會有略微的差別。即，動(dòng)力蓄電池電流小于充電樁輸出電流，充電一段時(shí)間內(nèi)BCS電流與能量計(jì)采集電流對比見表4，在此時(shí)間段內(nèi)能量計(jì)電流高于BCS電流約6A。此部分電流受整車充電策略調(diào)配，可用于加熱動(dòng)力電池溫度，這也體現(xiàn)了動(dòng)力電池的充電效率。

表3 充電通信報(bào)文分類

圖5 BCL、BCS、CCS和能量計(jì)電壓和電流曲線

表4 BCS電流與能量計(jì)電流差值

通過圖5也可知，當(dāng)動(dòng)力電池溫度越接近標(biāo)稱溫度，充電電流也越大，盡可能縮短充電時(shí)間，又要降低對動(dòng)力電池的壽命損耗。

圖6和圖7分別是低溫、常溫環(huán)境下BCL電壓電流與BSM最高、最低蓄電池溫度的關(guān)系曲線圖。分析兩種環(huán)境下充電過程中動(dòng)力蓄電池的溫度，在常溫下，最高、最低動(dòng)力電池溫度基本一致，而在低溫環(huán)境下，最高、最低動(dòng)力電池溫度有明顯的差值，表明在低溫環(huán)境充電過程中，動(dòng)力電池包溫度不均衡；從需求電流趨勢角度來看，在常溫條件下，需求電流隨時(shí)間下降，在低溫環(huán)境下，需求電流不斷增加。增長趨勢的不同是由動(dòng)力電池的溫度和當(dāng)前電池SOC值共同決定。

圖6 低溫環(huán)境下BCL與BSM關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)系曲線圖

圖7 常溫環(huán)境下BCL與BSM關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)系曲線圖

圖8 是低溫、常溫環(huán)境下BCS電壓電流與電池SOC的關(guān)系曲線圖。從圖8可知：在低溫、常溫環(huán)境下，車輛達(dá)到充電結(jié)束條件時(shí) （80%SOC），BCS的電壓值相同，都為392V；常溫環(huán)境下充電電流隨著充電時(shí)間而減小，與低溫環(huán)境下充電電流趨勢相反；常溫環(huán)境下最高充電電流可達(dá)180A，而在低溫情況下，最高電流僅有94.1A。

3 總結(jié)

圖8 低溫、常溫環(huán)境下BCS電壓電流與電池SOC的關(guān)系曲線圖

本文以電動(dòng)汽車整車為研究對象，對7輛樣車進(jìn)行低溫環(huán)境充電試驗(yàn)，記錄充電過程電壓、電流、功率及充電報(bào)文數(shù)據(jù)，分析低溫環(huán)境下電動(dòng)汽車充電性能。通過試驗(yàn)結(jié)果可知：①從集體樣車試驗(yàn)情況分析，在低溫環(huán)境下都可以正常啟動(dòng)交流充電，大部分試驗(yàn)車輛充電電量和常溫對比有一定的衰減，充電時(shí)間有一定的增加；②從同一樣車不同溫度對比試驗(yàn)情況分析，低溫、常溫環(huán)境下，充電電流上升趨勢相反，電池輸入電流小于能量計(jì)采集充電樁輸出的電力，在低溫環(huán)境下電池溫度不均，最大充電電流有所降低。