商用車動力電池充電分析及能量損失研究

張順義， 王傳義， 趙有為

（徐州徐工汽車制造有限公司， 江蘇 徐州 221100）

新能源領(lǐng)域是商用車市場未來主要競爭賽道之一。在國家節(jié)能減排政策的驅(qū)動下，商用車的電動化轉(zhuǎn)型勢在必行、刻不容緩。發(fā)展純電動重卡是中國邁向“交通強國”的必由之路，也是實現(xiàn)“雙碳”背景下可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略舉措。商用車的電動化是從傳統(tǒng)車的電動化、關(guān)鍵總成數(shù)字化、智能化到電動平臺的專屬化逐漸演變。

一汽解放汽車有限公司在2021年9月發(fā)布了新能源“15333”戰(zhàn)略，在純電、混動、燃料電池幾條技術(shù)路線上均有布局，產(chǎn)品涵蓋重、中、輕、微、客等5大平臺，場景覆蓋了牽引、渣土、混凝土攪拌運輸、環(huán)衛(wèi)、城市物流、城市公交等多種場景。目前新能源商用車的銷量快速提升，最具代表的是換電牽引車（圖1）。拋開最重要的安全性不說，續(xù)航里程和快速充/換電技術(shù)是客戶最關(guān)心的方面。如何能夠快速充電，以及如何降低充電能量損失已經(jīng)成為了各主機廠和電池廠的研究課題。目前國內(nèi)新能源商用車幾乎都是采用磷酸鐵鋰（LFP） 作為動力電池。本文研究對象建立在LFP動力電池的基礎(chǔ)之上。

圖1 新能源重卡后背式充換電牽引車

1 新能源車型電池充電分析

電池充電時間的長短取決于充電樁和電池的匹配程度，以及電池自身的能力，即電池系統(tǒng)容量和充電倍率。目前中國標準的充電樁最大允許充電電流是單槍250A，雙槍400A。

舉例來說，徐工新能源重卡牽引車匹配一線電池大廠的282kWh電池方案，參數(shù)見表1，電池系統(tǒng)電容460Ah，雙支路充電電流400A，1C充電，理論充滿時間H=460Ah/400A，大約70min，但是整個充電階段，根據(jù)SOC、環(huán)境溫度不同，電池并不是一直按照1C倍率充電，實際是按照策略充電。

表1 電池系統(tǒng)參數(shù)表

由BMS發(fā)送允許充電電流請求，單槍限值=Min（250）；雙槍限值=Min（400）。因此，參照充電請求電流表（表2），在20℃下，0～100%SOC充滿，實際用時約1.5h。這個時長，對于特殊使用場景下的客戶是難以接受的。

表2 充電請求電流表 A

不同車企的充電策略不同，以充換電牽引車為例，采用175Ah電芯，雙支路，充電策略分兩部分。

1） BMS對充電樁發(fā)送充電請求（表2）：25℃，0～80%SOC時，1C充電，80%～100%SOC時，0.8C充電。

2） 末端充電流程（電壓過高開始限充電電流），BMS是根據(jù)單體最高電芯電壓來進行降電流控制的：①當Umax＞3.5V，最大充電電流不能＞0.75C；②當Umax＞3.525V，最大充電電流不能超過0.5C；③當Umax＞3.55V，最大充電電流在0.2C和40A之間取??；④單體最高電壓達到3.7V，停止充電。

2 電池充電時間縮短方法

重卡換電解決了整車長時間充電給運營商或車主帶來的等待時間。后背式換電框架通過換電站，使整車換電時間控制在5min之內(nèi)。但電池本身容量沒變，充電的時間沒有變化，通過研究發(fā)現(xiàn)，影響充電時間的因素如下。

1） 電池系統(tǒng)容量和充電倍率。容量和倍率都取決于電芯特性，這一層面需要選用或開發(fā)容量/倍率更高的電芯（電池）。能量型電池1C充電，電芯容量不同，允許充電電流不同，比如175Ah電芯，單支路單槍允許充電電流175A，雙支路雙槍允許充電電流350A；230Ah電芯，單支路單槍允許充電電流230A，雙支路雙槍允許充電電流400A（充電樁限電流）。

2） BMS充電策略調(diào)整。根據(jù)SOC區(qū)間不同，調(diào)高充電電流值，需要電池自身能力和溫控（水冷機組） 重新匹配，目前提升效果不大。

3） 根據(jù)應用場景不同，特制非國標要求的充電樁，改大充電電流，同時需考慮電池水冷配足。另外，市面上存在的3槍或4槍充電，適用于大電量的電池系統(tǒng)充電需求，相同時間內(nèi)充進去的電量多，不代表282kWh電池系統(tǒng)多槍充電更快。

根據(jù)功率P=UI可見，提高電池系統(tǒng)電壓到800V，在電流不變的情況下，單位時間內(nèi)可充入更多的電量；但是電池的充電時間取決于充電倍率，充電倍率C=充電電流I/系統(tǒng)容量Ah，可見充電時間取決于充電電流，與電壓無關(guān)[1]。

要加快充電時間有兩個辦法：①如果電池系統(tǒng)容量允許（兩支路是460Ah），可以加大充電電流到460A；②選用功率型電池，電池自身允許的充電倍率提高到2C或者更大，充電時間可節(jié)省近一半。

3 充電過程中的能量損失

電池系統(tǒng)充電過程中產(chǎn)生的損耗可概括為3個部分。

1） 高低電壓轉(zhuǎn)化過程中的能量損耗。DC-DC大電池為小電池充電的損耗，主要是用于大電池給小電池充電，充電過程中，P=I2×R，整個回路的線束、電池、插接件等都有內(nèi)阻。電池在充放電循環(huán)過程中充入和放出的能量分別為：

式中：Vch、Vdis——充、放電電壓；Ich、Idis——充、放電電壓；1——1次循環(huán)充電和放電時間；Ech——1次循環(huán)中充入的能量；Edis——1次循環(huán)中放出的能量。用充入能量與放出能量之差來表示測試電池在一個完整循環(huán)中的能量損失。這是一個固有損耗，慢充、快充以及車輛在行駛過程中充電都有這項損耗。

2） 電池散熱或者加熱的損耗。在慢充和快充過程中，伴隨電化學反應時的吸熱或放熱，會有電池降溫或者電池升溫情況出現(xiàn)，或者在充放電過程中，由電池內(nèi)阻和極化內(nèi)阻等因素產(chǎn)生的熱量也會造成損耗。能量損失的比例可作為電池好壞的一個指標，其值越低，則電池健康狀態(tài)越好。

過電壓和放電倍率是直接影響電池熱量大小的因素，也是在充電過程中匹配冷水機組需考慮的主要因素。隨著循環(huán)次數(shù)增多以及放電倍率增大，電池的過電壓增高，能量損失率越高。

水冷機組是新能源整車系統(tǒng)的重要組成部分，用來滿足電池包制冷需求。水冷機組主要是由壓縮機、冷凝器、冷凝風扇、水泵、板式換熱器組成，可以輸出低溫冷卻液來持續(xù)地冷卻電池包。

3） 充電機轉(zhuǎn)換損耗。這個損耗只有慢充有，具體要看充電機的轉(zhuǎn)換效率，快充沒有這個損耗。

總的來說，一般情況，充電損耗應該是在10%以內(nèi)，不過具體損耗度數(shù)不好說。比如冬天零下十幾二十度，充電損耗肯定更大[2]。

充電電流從充電樁（槍） 到整車充電座到電池BDU到達電池箱，目前充電樁默認最大允許充電電流，單槍250A，雙槍400A，3槍4槍同時充電時，單槍最大電流都是可以協(xié)議定制的，若調(diào)高充電電流需考慮樁和電池雙方的承載能力。

充電過程中，到了協(xié)議標定的界限，BMS會發(fā)出開啟水冷的請求，由電池供電給水冷機組降溫。

實車方面的數(shù)據(jù)，充電樁充電到電池，過程中的能量損失是7%。

充電樁充電原理參考《GB/T 18487.1—2015 電動汽車傳導充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求》附錄B.3充電控制過程[3]。

4 結(jié)論

未來5年之內(nèi)，液態(tài)鋰離子動力電池仍是主流，方形LFP電池仍最適合商用車。全固態(tài)電池和鋰空氣電池因為其高能量密度具備發(fā)展前景，但至少需要5～10年的開發(fā)周期，且更適用于壽命要求不高的乘用車領(lǐng)域。電池管理系統(tǒng)功能和性能持續(xù)提升（電池狀態(tài)預測精度、功能安全、火情預警及高壓大電流等），并與VCU結(jié)合更緊密（配合策略及功能轉(zhuǎn)移）。

充電過程中電芯的溫度升高影響電池的壽命，BMS能監(jiān)控電池箱內(nèi)的所有探針溫度，及時向冷卻系統(tǒng)發(fā)送冷卻請求。使用正規(guī)廠家生產(chǎn)的電池包，基于正規(guī)大廠給出的可靠的電芯數(shù)據(jù)，保證了電芯性能的一致性，使用安全可靠的BMS系統(tǒng)，搭配使用滿足國標的，能正常響應BMS充電請求的直流充電樁對新能源車進行快充，不會影響電池的壽命。

影響電池的充電快慢的因素是電池自身特性（電容和放電倍率） 和充電樁的承載能力，同時需匹配充電過程中的水冷機組，以免電池溫度過高影響電池壽命[4]。