朱紅 聶永福 蔣旭吟 王亞東 謝堃

摘要：鋰離子動力電池在低溫條件下表現(xiàn)了其相對較差的性能，由其是低溫快充特性。本文通過對整車在低溫下進行快充實驗，對低溫快充策略進行優(yōu)化，將快充過程中的溫差、最高溫度、充電時間和充電能耗控制在整車合理的需求范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池；低溫快充；充電策略

引言

近年來，隨著整車性能的提升，高能量密度的三元鋰離子電池已被運用到純電動汽車上。然而，極端的高低溫環(huán)境及電池自身特性限制了鋰離子動力電池充放電功率的發(fā)揮，進而影響整車性能[1]。由其是在低溫環(huán)境下，鋰離子電池內(nèi)部阻抗的增加及高倍率充電過程中存在鋰枝晶的風險[2]，將會嚴重影響到整車的低溫充電時間。因此，本文以具有高續(xù)航的純電動汽車及其所使用的高能量密度電池系統(tǒng)為研究對象，結(jié)合鋰離子電池的低溫特性，進行了整車低溫快充策略系統(tǒng)化研究。

1實驗

1.1實驗對象

本實驗的研究對象為純電動汽車（401KM）使用的高比能量的三元動力電池系統(tǒng)，主要參數(shù)：額定容量為153Ah，電壓平臺為355.2V，高溫保護點為55℃。

1.2實驗設備

120 KW一體式直流充電樁（TCDZ-DC-0.7/120）

1.3實驗方法

整車低溫快充：a）將整車以小電流（0.1C）放至空電狀態(tài)，并在低溫環(huán)境下（黑河、-25℃）靜置時間≥12h，確保電池的最低溫度在（-20±2）℃范圍內(nèi)，溫差控制在5 ℃以內(nèi)；b）在120KW直流快充樁上進行低溫充電；c）調(diào)整低溫快充策略，再進行a）和b）實驗過程，并記錄實驗數(shù)據(jù)。

2結(jié)果與討論

2.1 低溫快充策略對比

鋰離子電池在整個壽命期間會有較長一段時間處于低溫環(huán)境下，電池在低溫下會導致電池化學反應活性降低，影響電池的低溫充電能力。圖1中描述了本實驗研究對象在不同溫度段的快充電流，從圖中可以看出電池在0℃ ≥ Tmin ≥ -20℃范圍內(nèi)可以進行充電，但是充電倍率較低，是無法滿足快充時間的要求，目前常用PTC對電池模組進行外部加熱提高電池充電溫度。依據(jù)圖1的快充參數(shù)，制定不同的快充策略，對比快充的時間和溫度的變化，以優(yōu)化整車的低溫快充策略。

依據(jù)前期確定的三種低溫充電策略進行整車的快充實驗，表1中記錄了三種低溫快充策略的快充及加熱時間、溫度變化和溫差。快充策略1起始充電的溫度和SOC分別為-20℃和2.5%，前期利用8A的電流進行PTC加熱至最低溫（Tmin）≥ 5℃，加熱期間及加熱截止后電池按照快充參數(shù)表進行充電?？斐洳呗?和策略3加熱截止的最低溫度分別為≥ 15℃和≥ 20℃，兩種策略起始的SOC和溫度如表2所示。由表1統(tǒng)計的實驗結(jié)果可以看出策略2（2h13min）和策略3（2h14min）的低溫快充時間相比策略1的3h26min有明顯的降低，主要是由于加熱結(jié)束后快充電流進入到相對比較大的溫度階段。策略3的快充的最高溫度達到了42℃，溫差高達18℃，不利于快充后整車的正常行駛，且加熱時間相對較長，也造成了不必要的能耗。

2.2 低溫快充優(yōu)化后策略測試

依據(jù)不同快充策略的測試結(jié)果對比，優(yōu)化后的低溫快充實驗結(jié)果如圖2所示，充電起始的最低溫度為-19℃，由圖2可觀察到隨著加熱的進行電池溫差逐漸被拉大，為了防止充電截止溫差過大，策略2將加熱截止的最低溫度控制在Tmin = 15℃。策略2可以防止加熱時間過長導致的溫差過大，這樣電池的最高溫度會維持在40℃以下，不會進入到降功率充電階段。策略2加熱結(jié)束后的快充電流進入20℃ > Tmin ≥ 15℃階段，此時快充倍率達到1.05C，電池充電時產(chǎn)生的熱量會把電池溫度相對較快拉升至Tmin ≥ 20℃。因此，電池在充電至4.15V約86%SOC前均可以維持在0.85C左右的充電倍率，在降低快充時間的同時，且截止溫度也不會過高。

3總結(jié)

本文綜合考慮了電芯的低溫充電特性和整車性能需求，對比不同低溫快充策略的測試結(jié)果，進行快充策略優(yōu)化，以實現(xiàn)短的快充時間、低的加熱能耗及確保電池低溫充電安全性能。

參考文獻

[1] Jaguemont J，Boulon L，Dubé Y. A comprehensive review of lithium-ion batteries used in hybrid and electric vehicles at cold temperatures[J]. Applied Energy，2016，164：99-114.

[2] Smart M C，Ratnakumar B V，Whitcanack L，et al. Performance characteristics of lithium ion cells at low temperatures[J]. IEEE aerospace and electronic systems magazine，2002，17（12）：16-20.

（作者單位：奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司）