純電動(dòng)物流車三元鋰電池充電時(shí)間優(yōu)化簡(jiǎn)析

萬(wàn)明麗，葛俊夏，徐柏興，周立羊

（鄭州比克新能源汽車有限公司，河南 鄭州 451450）

隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，續(xù)航里程已得到了很大的提升。當(dāng)行駛各方面都滿足人們要求后，充電問(wèn)題就成為大家的關(guān)注。當(dāng)前國(guó)家政策大力支持建設(shè)充電樁，為車輛充電提供了極大的便利，因而充電時(shí)間就成為了人們關(guān)注的重中之重。本文將闡述純電動(dòng)物流車在不具備熱管理的條件下如何優(yōu)化充電時(shí)間。

1 三元鋰電池特性

三元鋰電池大致分為3種：圓柱電池、方形電池和軟包電池。圓柱電池和方形電池大都采用鋼制外殼或鋁制外殼，軟包電池為鋁塑膜。由于當(dāng)前鋁塑膜品質(zhì)和軟包電池工藝尚不成熟，所以暫不談。本文以目前最為成熟的圓柱電池18650為例進(jìn)行闡述。

1.1 圓柱電池型號(hào)

圓柱電芯型號(hào)用5位數(shù)表示，前2位數(shù)表示直徑，后2位數(shù)表示高度。例如18650型電池，表示其直徑為18mm，高度為65mm。如圖1所示。

圖1 外部尺寸圖

1.2 圓柱電池特性

1）形狀一致性好 圓柱電池有固定的型號(hào)，相同型號(hào)的電池直徑和高度是一致的。18650電池為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，便于進(jìn)行電池包的設(shè)計(jì)和組裝。且其為鋼制外殼，不會(huì)出現(xiàn)電池尺寸異常的情況，如鼓脹、超厚、變形等。

2）空間利用率高 圓柱電池采用“螺旋漸進(jìn)線”式的卷繞結(jié)構(gòu)，能充分利用空間，使空間利用率達(dá)到最高。如圖2所示。

圖2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖

3）能量密度高 圓柱電池的能量密度可達(dá)到164~252Wh/kg。

4）安全性能好 組合蓋帽上設(shè)有保護(hù)裝置，CID一旦發(fā)生安全問(wèn)題，可以及時(shí)切斷電路，釋放出化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣體，保證電池安全。

2 充電時(shí)間優(yōu)化

電池充放電過(guò)程本質(zhì)上是化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，而此化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中會(huì)持續(xù)產(chǎn)生熱量。三元鋰圓柱電池最高允許充電溫度一般為55℃，良好的熱管理系統(tǒng)可以將電池包溫度控制在此范圍內(nèi)，目前帶熱管理系統(tǒng)的三元鋰電池包的最大充電倍率可達(dá)1C。由于熱管理系統(tǒng)成本較高，目前大多只應(yīng)用在乘用車上，物流車往往迫于成本壓力，一般沒(méi)有配置熱管理。

不帶熱管理的電池包為了控制產(chǎn)熱量，一般將最大充電倍率設(shè)置為0.5C，以此倍率進(jìn)行充電，時(shí)間可控制在2h（不考慮末期涓流充電），但并非在整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)都可用此倍率進(jìn)行充電。低溫時(shí)受三元鋰電池特性的影響，若仍使用0.5C進(jìn)行充電，則會(huì)出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象，造成容量降低，并且鋰結(jié)晶后貼附在隔膜上，甚至可能將隔膜刺破，造成正負(fù)極短路，這是十分危險(xiǎn)的，故低溫時(shí)需將充電倍率調(diào)小。而高溫時(shí)使用0.5C進(jìn)行充電會(huì)繼續(xù)產(chǎn)熱，在沒(méi)有熱管理的情況下，溫度很容易就達(dá)到電池允許充電的上限，造成車輛終止充電，故也需將充電倍率調(diào)小來(lái)控制充電過(guò)程中的溫升，盡量不使其達(dá)到充電上限溫度，這就導(dǎo)致了高低溫情況下電池的充電時(shí)間更長(zhǎng)。如何在此種條件下少量增加或不增加成本的同時(shí)縮短充電時(shí)間就成為了車廠關(guān)注的議題。本文將從以下幾個(gè)方面闡述此種條件下如何進(jìn)行充電時(shí)間的優(yōu)化。

1）低溫 為解決低溫充電時(shí)間長(zhǎng)問(wèn)題，可以采用純加熱方案：根據(jù)電池包結(jié)構(gòu)及參數(shù)選擇合適的加熱膜，當(dāng)電池溫度低于允許充電下限溫度時(shí)，啟動(dòng)加熱膜進(jìn)行加熱；當(dāng)將電池加熱到一定溫度時(shí)，開(kāi)啟充電，此時(shí)加熱膜繼續(xù)工作；當(dāng)電池被加熱到最適宜的溫度時(shí)，停止加熱，繼續(xù)充電。由于加熱膜成本較低，故此方案成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于液冷，可以成為物流車的首選。但受限于市場(chǎng)上充電樁水平的參差不齊及加熱膜市場(chǎng)不夠成熟，需要電池管理系統(tǒng)執(zhí)行一套較為復(fù)雜的控制策略才能達(dá)到較為良好的加熱效果。

2）高溫 由于液冷系統(tǒng)較為昂貴，故物流車電池高溫時(shí)一般依靠自然冷卻。大倍率充電電池溫升太快，小倍率充電時(shí)間又過(guò)長(zhǎng)，故就需要在控制溫升的基礎(chǔ)上最大限度地提升充電倍率。這需要考慮車輛的實(shí)際使用環(huán)境及工況，根據(jù)這些數(shù)據(jù)在環(huán)境艙模擬進(jìn)行大量充電測(cè)試，記錄電池溫升數(shù)據(jù)，最終確定一版最優(yōu)方案。

3）充電末期 為了使電池充進(jìn)足夠的電量，通常會(huì)在充電末期進(jìn)行涓流充電。而涓流充電時(shí)間往往較長(zhǎng)，會(huì)大大增加總體充電時(shí)間，故優(yōu)化充電時(shí)間需要首先縮短涓流充電的時(shí)間?？舍槍?duì)充電末期策略進(jìn)行優(yōu)化，使用階梯降流策略，如圖3所示，經(jīng)測(cè)試，從降流開(kāi)始到充電完成，時(shí)間可控制在15~20min內(nèi)。

圖3 充電末期降流策略

3 結(jié)語(yǔ)

除了以上3點(diǎn)外，還可從電池包結(jié)構(gòu)、材料等方面入手使電池包保持良好的散熱。當(dāng)前充電時(shí)間長(zhǎng)仍然是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的一大瓶頸，根據(jù)電池及車輛情況進(jìn)行充電時(shí)間優(yōu)化具有實(shí)際意義。