姜翠娜，高靖宇，鄺文灝

一種低溫動(dòng)力電池交流充電加熱控制策略*

姜翠娜，高靖宇，鄺文灝

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充放電性能受其使用環(huán)境溫度的影響，在低溫環(huán)境下動(dòng)力電池的電化學(xué)反應(yīng)活性降低，低溫交流充電控制策略不合理可能導(dǎo)致動(dòng)力電池過充，不僅影響低溫充電功能的穩(wěn)定性，而且會(huì)影響動(dòng)力電池的使用壽命，甚至?xí)l(fā)安全事故。因此合理的低溫充電控制策略就顯得尤為重要。文章以廣汽新能源某純電車型為例，通過對已有的動(dòng)力電池低溫交流充電控制策略的分析研究，提出一種新型的低溫動(dòng)力電池交流充電加熱控制策略，并通過低溫實(shí)車驗(yàn)證。

電動(dòng)汽車；動(dòng)力電池；交流充電；加熱；控制策略

前言

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，高壓動(dòng)力電池作為純電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，其工作特性已成為當(dāng)今世界的研究熱點(diǎn)[1]。目前動(dòng)力電池特性受其工作環(huán)境影響比較顯著[2]，尤其低溫下，動(dòng)力電池的電化學(xué)反應(yīng)活性降低，其可用能力、充放電性能衰減比較嚴(yán)重，低溫充電可能會(huì)導(dǎo)致鋰離子析出堆積[3-5]，嚴(yán)重影響動(dòng)力電池的使用壽命，造成不可逆的損傷，甚至引發(fā)安全事故[6-9]。本文選取廣汽新能源某純電車型為研究對象，通過分析已有的低溫交流充電加熱策略，發(fā)現(xiàn)其存在一定的問題及風(fēng)險(xiǎn)，通過分析后提出一種新型的動(dòng)力電池低溫交流充電加熱控制策略，并通過實(shí)車低溫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用該新型低溫交流充電加熱控制策略可完全避免已有方案存在的問題及風(fēng)險(xiǎn)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)對象

廣汽新能源某純電車型，其動(dòng)力電池的額定容量140Ah。

交流充電樁：6.6kW，輸出電壓：220VAC；輸出電流：32A，產(chǎn)品型號：NCCP-AC220-7000-G804，如圖1所示。

圖1 交流充電樁

1.2 數(shù)采設(shè)備

整車CAN數(shù)據(jù)監(jiān)控設(shè)備，計(jì)算機(jī)。

1.3 試驗(yàn)步驟

1）將電動(dòng)汽車置于-30℃低溫環(huán)境模擬艙下充分靜置，采用整車CAN數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)力電池溫度，等待動(dòng)力電池最低溫度達(dá)到-20℃，且動(dòng)力電池上報(bào)的最高溫度與最低溫度溫差不超過2℃；

2）待動(dòng)力電池溫度達(dá)到-20℃時(shí)，連接交流充電槍，給電動(dòng)汽車進(jìn)行交流充電；

3）通過整車CAN數(shù)據(jù)監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)采集整車CAN數(shù)據(jù)，監(jiān)測車輛狀態(tài)、動(dòng)力電池繼電器狀態(tài)、加熱器工作狀態(tài)、動(dòng)力電池溫度等信息，以便試驗(yàn)結(jié)束后分析低溫充電加熱策略。

2 傳統(tǒng)低溫交流充電加熱控制策略

圖2 傳統(tǒng)低溫交流充電加熱控制策略

該純電動(dòng)汽車采用的低溫交流充電加熱策略為：當(dāng)動(dòng)力電池溫度低于低溫閾值T1時(shí)，整車控制器請求車載充電機(jī)進(jìn)入充電模式，車載充電機(jī)檢測到模式請求指令后進(jìn)入充電模式，同時(shí)整車控制器請求加熱器開啟，為動(dòng)力電池加熱，動(dòng)力電池處于邊充電邊加熱狀態(tài)，其請求車載充電機(jī)工作電流為動(dòng)力電池允許充電電流與加熱器消耗電流之和；當(dāng)動(dòng)力電池溫度達(dá)到一定值T2后，整車控制器請求加熱器關(guān)閉，動(dòng)力電池退出加熱模式，動(dòng)力電池處于充電狀態(tài)，其請求車載充電機(jī)工作電流為動(dòng)力電池允許充電電流，其控制邏輯如圖2所示。

在低溫環(huán)摸艙中對車輛進(jìn)行低溫充電測試，監(jiān)測加熱器工作狀態(tài)、加熱器消耗電流、動(dòng)力電池充放電電流、車載充電機(jī)工作電流，截取其中一段數(shù)據(jù)分析，其變化情況如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)方案動(dòng)力電池繼電器及加熱工作狀態(tài)圖

由圖3可以看出在低溫充電加熱過程中，當(dāng)加熱器消耗電流穩(wěn)定時(shí)，車載充電機(jī)工作電流可以跟隨加熱器消耗電流；當(dāng)加熱器消耗電流波動(dòng)時(shí)，車載充電機(jī)工作電流無法實(shí)時(shí)跟隨加熱器電流消耗。在開啟加熱器時(shí)，由于車載充電機(jī)輸出電流響應(yīng)遲滯，動(dòng)力電池處于放電狀態(tài)；在加熱器消耗電流每次下降時(shí)，都導(dǎo)致動(dòng)力電池存在一段時(shí)間的充電電流，低溫下若動(dòng)力電池溫度極低不具備允許充電能力時(shí)，該充電加熱策略會(huì)導(dǎo)致對動(dòng)力電池造成不可逆的過充，在整個(gè)充電過程中，對動(dòng)力電池的安全性及壽命造成不良影響。

3 新型低溫交流充電加熱控制策略

為防止低溫充電對動(dòng)力電池造成的過充風(fēng)險(xiǎn)，在低溫充電加熱過程中引入“隔離式”充電加熱控制策略。當(dāng)?shù)蜏貏?dòng)力電池不具備充電能力時(shí)，將動(dòng)力電池高壓繼電器斷開，進(jìn)入隔離式充電加熱模式，整車控制器開啟加熱器對動(dòng)力電池進(jìn)行加熱，其請求車載充電機(jī)工作電流為加熱器消耗電流；當(dāng)動(dòng)力電池溫度高于T1時(shí)，閉合動(dòng)力電池的高壓繼電器，進(jìn)入邊充電邊加熱模式，其請求車載充電機(jī)工作電流為動(dòng)力電池允許充電電流與加熱器消耗電流之和；當(dāng)動(dòng)力電池溫度高于T2時(shí)，進(jìn)入充電模式，其請求車載充電機(jī)工作電流為動(dòng)力電池允許充電電流。其控制邏輯如圖4所示。

圖4 新型低溫交流充電加熱控制策略

在低溫環(huán)摸艙中對車輛進(jìn)行低溫充電測試，監(jiān)測不同充電加熱階段中加熱器工作狀態(tài)、動(dòng)力電池高壓繼電器狀態(tài)、加熱器消耗電流、動(dòng)力電池充電電流、車載充電機(jī)工作電流變化情況。

根據(jù)新型低溫交流充電加熱控制策略，在滿足進(jìn)入隔離式充電加熱模式的條件下，隔離式充電加熱使能，整車動(dòng)力電池高壓繼電器狀態(tài)、加熱器消耗電流、動(dòng)力電池充放電電流、車載充電機(jī)工作電流變化入圖5、圖6所示。

圖5 隔離式充電加熱過程中動(dòng)力電池繼電器及加熱器工作狀態(tài)圖

圖6 隔離式充電加熱過程充電電流變化圖

當(dāng)整車滿足退出隔離式充電加熱模式邏輯，滿足進(jìn)入邊充電邊加熱模式時(shí)，隔離式充電加熱使能狀態(tài)信號由使能狀態(tài)變?yōu)槲词鼓軤顟B(tài)，整車動(dòng)力電池高壓繼電器狀態(tài)、加熱器消耗電流、動(dòng)力電池充放電電流、車載充電機(jī)工作電流變化入圖7、圖8所示。

圖7 邊充電邊加熱過程中動(dòng)力電池繼電器及加熱器工作狀態(tài)圖

圖8 邊充電邊加熱過程充電電流變化圖

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，整車滿足新型低溫交流充電加熱控制策略開啟條件后，進(jìn)入隔離式充電加熱模式，即圖5中的隔離式充電加熱使能后，動(dòng)力電池高壓主正繼電器斷開，將動(dòng)力電池與充電系統(tǒng)隔離，待動(dòng)力電池高壓繼電器斷開后，整車系統(tǒng)開啟加熱器對動(dòng)力電池進(jìn)行加熱，在整個(gè)隔離式充電加熱過程中，車載充電機(jī)輸出電流完全用于加熱器工作消耗，動(dòng)力電池的工作電流為0A，在加熱器工作電流下降時(shí)，未出現(xiàn)過充現(xiàn)象。

當(dāng)整車滿足退出隔離式充電加熱模式條件，滿足進(jìn)入邊充電邊加熱模式的條件后，整車進(jìn)入邊充電邊加熱模式，即圖7中的隔離式充電加熱使能狀態(tài)信號變?yōu)槲词鼓軤顟B(tài)，并且閉合動(dòng)力電池的高壓繼電器，進(jìn)入邊充電邊加熱模式，整車請求車載充電機(jī)工作電流為動(dòng)力電池允許充電電流與加熱器消耗電流之和。在模式切換時(shí)由于車載充電機(jī)模式跳轉(zhuǎn)，存在極短暫不輸出電流狀態(tài)。從圖8可以看出，進(jìn)入邊充電邊加熱模式后，車載充電機(jī)存在1s以內(nèi)的短暫停止輸出電流現(xiàn)象，此時(shí)動(dòng)力電池放電補(bǔ)償加熱器的功率消耗，待車載充電機(jī)模式切換成功后，車載充電機(jī)的實(shí)際工作電流為加熱器消耗電流值與動(dòng)力電池請求的允許充電電流值，動(dòng)力電池未出現(xiàn)過充現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

本文對低溫交流充電加熱策略進(jìn)行分析，并提出新型的低溫交流充電加熱控制策略對低溫動(dòng)力電池進(jìn)行充電加熱，并通過實(shí)車-20℃的低溫環(huán)摸充電測試，試驗(yàn)結(jié)果表明，采用新型低溫交流充電加熱控制策略，在-20℃充電時(shí)，可斷開動(dòng)力電池高壓繼電器，保護(hù)動(dòng)力電池，通過車載充電機(jī)直接給加熱器供電，可完全避免低溫充電加熱過程中，由于車載充電機(jī)輸出電流遲滯的工作特性在加熱器功率消耗瞬態(tài)波動(dòng)時(shí)，造成對動(dòng)力電池過充風(fēng)險(xiǎn)。該新型低溫充電加熱控制策略有效地避免了低溫充電過充風(fēng)險(xiǎn)，確保電動(dòng)汽車在極端條件下的充電穩(wěn)定性及安全性。

[1] 王少龍,侯明,王瑞山.動(dòng)力電池的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].云南冶金,2010,3(2):77-90.

[2] HUANG C K,SAKAMOTO J S,WOLFENSTINE J, et al. The limits of low temperature performance of Li-ion cells[J].Journal of the Electrochemical Society,2000,147(8):2893-2896.

[3] 張承寧,雷治國,董玉剛.電動(dòng)汽車鋰離子電池低溫加熱方法研究[J].2012,9(32):922-925.

[4] Hand A,Stuart T A.AC heating for EV/HEV batteries[C]//Proceed -ings of Power Electronics in Transportation. Michigan, USA: IEEE, 2002119-124.

[5] Hand A,A high frequency inverter for cold temperature battery heating[C]//Proceedings of the IEEE Workshop on Computers in Power Electronics. Urbana, USA: [s. n.],2004:215-222.

[6] 王婷,沈帥等.動(dòng)力電池低溫加熱系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].民兩用技術(shù)與產(chǎn)品,2015(6):1-2.

[7] 雷治國,張承寧,董玉剛等.電動(dòng)汽車用鋰離子電池低溫性和加熱方法[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013(39):9.

[8] RAO Z,WANG S,ZHANG Y.Thermal management with phase change material for a power battery under cold temperatures[J]. Energy Sources,Part A:Recovery,Utilization and Environmental Effe -cts,2014,36(20):2287-2295.

[9] 雷治國,張承寧.電動(dòng)汽車電池組熱管理系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J].電源技術(shù),2011(35):12.

A Heating Control Strategy for Low-temperature Power Batter during AC Charge*

Jiang Cuina, Gao Jingyu, Kuang Wenhao

（Guangzhou Automobile Group Co., Ltd Automotive Engineering Institute, Guangdong Guangzhou 511434）

The charging and discharging performance of electric vehicle power battery is affected by its operating temperature. In low temperature, the electrochemical reaction activity of the power battery decreases. An unreasonable low-temperature AC charge control strategy may cause the power battery overcharged, which not only affects the stability of the low-temperature charging function, but also affects the life of the power battery, and even leads to safety accidents. Therefore, a reasonable low-temperature charging control strategy is particularly important. In this paper, we take an electric vehicle of GAC NE as an example, by analyzing and researching of an existing low-temperature AC charging control strategy for power batteries, a new low-temperature AC charge heating control strategy for power batteries is proposed and verified in low-temperature.

Electric vehicle; Power battery; AC charge; Heat; Control strategy

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.001

U469.7

B

1671-7988(2021)06-01-04

U469.7

B

1671-7988(2021)06-01-04

姜翠娜，碩士，就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，研究方向：新能源汽車整車控制策略。

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助（項(xiàng)目編號：2017YFB0103300）。