李麗麗　夏弋茹　楊振　何忠青　王勃洋

【摘要】為了解決鋰離子電池在寒冷環(huán)境中充電能力下降導(dǎo)致充電時(shí)間大幅增加的問題，分析了鋰離子電池的低溫充電方法，并針對純電動車用鋰離子電池在低溫下充電方法的差異對電池溫升速率的影響展開研究，對改善電池低溫充電速率和提升純電動車低溫充電能力提出建議。

關(guān)鍵詞：純電動汽車；低溫；充電方法；電池加熱；溫升速率

中圖分類號：U469.72? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ?DOI： 10.19822/j.cnki.1671-6329.20230015

Analysis on Influence of Low Temperature Charging Method on Temperature Rise Rate of Lithium-ion Batteries for Pure Electric Vehicles

Li Lili， Xia Yiru， Yang Zhen， He Zhongqing， Wang Boyang

（Global R&D Center， China FAW Corporation Limited， Changchun 130013）

【Abstract】 In order to solve the problem that the lithium-ion batteries charging capacity decreases in cold environments， this paper analyzes the low temperature charging methods of lithium-ion batteries， and studies the impact of the differences in charging methods of lithium-ion batteries for pure electric vehicles at low temperatures on the battery temperature rise rate， and puts forward suggestions on improving the low temperature charging rate of batteries and the low temperature charging capacity of pure electric vehicles.

Key words： Electric vehicles， Low temperature， Charging method， Battery heating， Temperature rise rate

0 引言

鋰離子電池因其具有能量密度高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)等多項(xiàng)優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域[1]。然而，低溫下鋰離子電池內(nèi)阻增大、峰值功率和可用能量下降[2-3]，并且鋰離子電池在低溫下充電容易引起負(fù)極析鋰，導(dǎo)致電池內(nèi)短路，引發(fā)安全事故[4]。我國北方大部分地區(qū)冬天的最低溫度常在-10 ℃以下，部分地區(qū)甚至低于-40 ℃[5]。因此，低溫下鋰離子電池的充電能力下降、充電易析鋰等問題嚴(yán)重影響純電動汽車的充電時(shí)間和充電安全，成為制約純電動汽車普及的因素之一。

在低溫條件下動力電池如何快速、安全充電是促進(jìn)純電汽車在寒冷地區(qū)推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。目前鋰離子電池常溫下的充電方法較多，如恒流恒壓充電[6]、多階段恒流充電[7]、脈沖充電[8]、正弦交流充電[9]和多目標(biāo)優(yōu)化充電[10-11]等方法。Tippmann等[12]在不同溫度以不同充電倍率和不同充電模式對電池進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)低溫和大倍率充電時(shí)電池壽命由于負(fù)極析鋰導(dǎo)致加速衰退。Yang等[13]對不同能量密度的電池在不同溫度和不同充電倍率下充電時(shí)的壽命衰減進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在常溫時(shí)可接受的電流在低溫充電下會導(dǎo)致電池壽命呈加速衰退趨勢。為避免電池負(fù)極析鋰，在低溫下電池可接受的充電電流非常小，導(dǎo)致低溫下充電速度緩慢，充電時(shí)間延長，加大了電動車用戶的里程焦慮。為解決鋰離子電池低溫性能差及充電難、易析鋰等問題，Song等[14]采用對流加熱的方式分析電池加熱需求，實(shí)現(xiàn)以最少的外部能量快速加熱電池的目的。Zhu等[15]構(gòu)建了電池?zé)釋W(xué)模型來計(jì)算電池產(chǎn)熱、預(yù)測電池溫升。上述研究從低溫加熱的角度入手，將電池溫度升高到適宜溫度，使其性能基本能夠完全恢復(fù)，以快速、高效、無析鋰的狀態(tài)充入電能[16-17]。電池溫度升高的速度嚴(yán)重影響著電池的低溫充電時(shí)間，本文在對鋰離子電池低溫充電策略相關(guān)文獻(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，展開低溫充電方法的差異對電池溫升速率的影響研究，從而通過提高溫升速率來縮短充電時(shí)間。

1 低溫充電方法對溫升速率的影響

1.1 低溫充電方法研究現(xiàn)狀

低溫環(huán)境下動力電池可接受的充電電流很小，如果用常溫下的大電流充電會導(dǎo)致負(fù)極析鋰，引發(fā)電池壽命大幅度衰減，為此相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者和工程師提出了低溫充電策略。Remmlinger等[18]基于電化學(xué)模型提出了恒流恒負(fù)極電勢恒壓充電策略，在縮短充電的同時(shí)避免了負(fù)極析鋰。Ge等[19]建立了低溫下電池析鋰模型，并推導(dǎo)了低溫下、不同荷電狀態(tài)可接受的最大電流，開發(fā)了低溫充電策略。此外，如果使用常溫充電策略以小電流充電，將導(dǎo)致充電時(shí)間的延長，并且隨著溫度的降低充電時(shí)間急劇延長，難以滿足快速充電的需求。因此，為了增大電池可接受的充電電流、縮短充電時(shí)間，一般采用對電池加熱的低溫充電方式，即通過升高電池系統(tǒng)溫度來增加充電電流，從而縮短充電時(shí)間[16]。Zhao等[20]將電池加熱到3 ℃后以常規(guī)充電方法對電池充電，14 min內(nèi)將電池充到SOC為80%，重復(fù)500次后出現(xiàn)析鋰現(xiàn)象。Yang等[21]將電池加熱到20 ℃后用3.5 C電流在15 min內(nèi)將電池充到SOC為80%，重復(fù)多次后電池壽命未出現(xiàn)加速衰退。以上文獻(xiàn)表明，提高電池溫度是實(shí)現(xiàn)電池低溫快速充電的有效方案。如何升高電池溫度也成為縮短充電時(shí)間的重要影響因素，而電池升溫方式的不同直接影響溫升速率，繼而影響縮短充電時(shí)間。因此，本文對不同加熱方式的低溫充電方法對溫升速率的影響展開分析。

目前，汽車制造商在低溫充電方法上多采用先加熱后充電和邊加熱邊充電的動力電池低溫充電方法。其中，加熱方式均采用外部熱源的形式。表1總結(jié)了3款車型在低溫充電時(shí)的基本參數(shù)信息。其中，車輛低溫充電的測試根據(jù)EV-TSET[22]管理規(guī)則中對低溫充電時(shí)間測試方法的規(guī)定進(jìn)行實(shí)施。

1.2 先加熱后充電的充電方法

先加熱后充電指的是在低溫環(huán)境下，充電槍連接車輛后不立即對動力電池執(zhí)行充電行為，而是先通過充電樁端對外部熱源進(jìn)行供電繼而給電池加熱，加熱到一定溫度后進(jìn)入到邊加熱邊充電的模式，這時(shí)充電樁端在給外部熱源供電加熱電池的同時(shí)也給電池充電。由表1可知，車輛A和車輛B充電方法一致、電池容量相同，但外部熱源的加熱功率相差較大。由圖1、圖2可知，車輛A和車輛B在整個(gè)充電過程中，電池冷卻系統(tǒng)不工作，因此不考慮低溫充電時(shí)冷卻系統(tǒng)對電池溫度的影響。綜合上述分析，對比車輛A和車輛B在外部熱源加熱功率不同時(shí)，僅加熱不充電階段的溫升速率差異。圖3、圖4所示為車輛A、B在-10 ℃環(huán)境溫度下，外部熱源加熱功率的分布情況，平均加熱功率分別為6 kW和2 kW。

由圖5a的電池溫度曲線可知，車輛A在充電開始前15 min外部熱源給電池加熱，電池溫度由-1.5 ℃上升至3.5 ℃，溫升速率為0.33 ℃/min。由圖6a的電池溫度曲線可知，車輛B在充電開始前30 min電池僅加熱不充電，電池溫度由-1.5 ℃上升至1.5 ℃，溫升速率為0.1 ℃/min，車輛A的溫升速率是車輛B的3.3倍。因此，在電池僅加熱不充電階段，外部熱源的加熱功率直接影響電池的溫升速率，且影響較大。

車輛A和車輛B分別經(jīng)過15 min和30 min的僅加熱不充電階段后，使電池包溫度達(dá)到合適溫度，隨后低溫充電進(jìn)入邊加熱邊充電模式，車輛A和車輛B的外部熱源在該模式分別工作26 min和90 min。期間，車輛A的電池溫度上升了36.5 ℃，溫升速率為1.4 ℃/min；車輛B的電池溫度上升了36 ℃，溫升速率為0.4 ℃/min，對比僅加熱不充電階段的溫升速率，當(dāng)前充電模式下的溫升速率是其4～5倍。在邊加熱邊充電階段，車輛A、B的電池SOC變化如圖7所示。車輛A的電池SOC由3%上升至48%，平均充電功率約為79.7 kW/h。車輛B的電池SOC由3%上升至85%，平均充電功率約為50 kW/h，車輛A的平均充電功率是車輛B的1.6倍。綜合上述分析，低溫快充時(shí)電池溫升速率與充電電流密切相關(guān)。電池溫升速率越大，平均充電功率增加，電池充電能力越強(qiáng)。

圖5b中，車輛A的穩(wěn)定充電電流約為231 A，此后充電電流逐漸下降至充電結(jié)束，電池系統(tǒng)最高溫度上升至45.5 ℃，隨著充電電流的減小，電池溫度也在逐漸下降，此時(shí)為了維持一定的充電電流，外部熱源啟動以6 kW的功率對電池進(jìn)行約7 min的持續(xù)加熱，如圖1所示。圖6b中，車輛B的峰值充電電流約為210 A，維持較短時(shí)間后逐漸減小，電池系統(tǒng)溫度也隨之減小，從而啟動外部熱源對電池進(jìn)行70 min加熱，如圖4所示。此時(shí)，電池充電電流大小與電池溫度相互制約，需要外部熱源加熱電池使電池溫度升高，從而抑制由于溫度下降導(dǎo)致充電電流減小。

1.3 邊加熱邊充電的充電方法

邊加熱邊充電指外部熱源給電池加熱的同時(shí)充電樁給電池充電，在電池管理系統(tǒng)檢測到電池溫度低于一定數(shù)值并且收到充電指令，則進(jìn)入邊加熱邊充電的充電模式。表1中，車輛C的低溫充電方法為邊加熱邊充電。因此，基于車輛C低溫充電過程中電池相關(guān)參數(shù)變化對該充電模式下的溫升速率差異進(jìn)行分析。車輛C在低溫充電過程中，外部熱源和電池冷卻系統(tǒng)功率變化如圖8和圖9所示，在邊加熱邊充電的模式下，外部熱源約以6 kW的加熱功率對電池進(jìn)行加熱，持續(xù)28 min；期間，電池冷卻系統(tǒng)不工作，對電池溫度無影響，如圖9所示。

低溫充電條件下，車輛C電池荷電狀態(tài)的變化如圖10所示，整個(gè)充電過程電池荷電狀態(tài)從0%上升至100%，外部熱源工作期間電池荷電狀態(tài)增加40%，平均充電功率約為69.4 kW/h，根據(jù)圖12中標(biāo)注的兩階段電池溫度變化，荷電狀態(tài)變化分別為10%和17%。

車輛C充電電流和電池電壓的變化趨勢如圖11所示。電池電壓由323 V升高至391 V，基本穩(wěn)定在電池系統(tǒng)額定電壓，無明顯變化；充電電流約28 min后達(dá)到最大充電電流219 A。對外部熱源工作過程中充電電流和電池溫度的變化展開分析，觀察圖11中電流的變化曲線，在達(dá)到峰值充電電流前選取2段穩(wěn)定充電電流曲線，同時(shí)分析圖12中電池溫度變化。從圖11電流的變化曲線可知，在開始充電階段，初始充電電流約111 A，持續(xù)時(shí)間為10 min，對應(yīng)圖12中電池溫度由-3 ℃上升至6 ℃，溫升速率為0.9 ℃/min；在第二段穩(wěn)定電流區(qū)間，約以200 A的充電電流對電池充電，同樣持續(xù)10 min，電池溫度由15 ℃上升至27 ℃，溫升速率為1.2 ℃/min。從電池溫升速率和充電倍率上比較，充電電流的大小直接影響電池充電時(shí)的溫升速率，從而影響充電倍率，穩(wěn)定充電電流越大，電池溫升速率越大，充電倍率越高，相同時(shí)間下充入的電量越多。

2 結(jié)束語

受鋰離子電池的電化學(xué)性質(zhì)影響，其在低溫條件下充電能力下降，根本原因是為了防止低溫條件下大電流充電電池負(fù)極析鋰，從而降低充電電流導(dǎo)致充電能力下降。為解決這一問題，大多數(shù)采取提升電池溫度以增大低溫條件下充電電流的方法。本文選取3種車型、2種低溫充電方法對純電動車用鋰離子動力電池低溫充電時(shí)電池溫升速率的影響因素展開分析。

在不同車型、低溫充電方法相同、不同加熱功率的條件下分析僅加熱不充電階段電池的溫升速率，結(jié)果表明外部熱源加熱功率越大，電池溫度升高越快、溫升速率越大。對比同一車型在僅加熱不充電階段和邊加熱邊充電階段溫升速率和平均充電速率的差異，說明電流的加入對提升低溫下電池溫度有較好的效果，電池溫度的增加使得電池充電表現(xiàn)更好、平均充電速率更大，充電更快。此外，通過對僅采用邊加熱邊充電方法的車輛電池充電電流及溫度變化進(jìn)行分析，得到充電電流的大小與電池溫度具有一定相關(guān)性，從而影響溫升速率的大小及充電倍率，最終直接關(guān)系到低溫下動力電池的充電時(shí)間。

綜合上述分析，外部熱源的加熱功率、充電模式及穩(wěn)定充電電流的大小均為影響鋰離子電池溫升速率的重要因素，通過增加外部熱源功率、優(yōu)化低溫充電模式和增加初始充電電流大小來提高電池溫升速率。本文僅在現(xiàn)有數(shù)據(jù)上對溫升速率的影響因素進(jìn)行了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的定性分析，后續(xù)可在有大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對自變量與因變量開展定量分析以及各自變量間的相關(guān)性分析。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王蘇杭， 李建林， 李雅欣， 等. 鋰離子電池系統(tǒng)低溫充電策略[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù)， 2022， 11（5）： 1537-1542.

[2] ZHE L， WANG Y， BIE X， et al. Low Temperature Properties of the Li[Li0.2Co0.4Mn0.4]O2 Cathode Material for Li-Ion Batteries[J]. Electrochemistry Communications， 2011， 13（19）： 1016-1019.

[3] WANG T， WU X， XU S， et al. Performance of Plug-in Hybrid Electric Vehicle Under Low Temperature Condition and Economy Analysis of Battery Pre-Heating[J]. Journal of Power Sources， 2018， 401（10）： 245-254.

[4] ZHU G， WEN K， LV W， et al. Materials Insights Into Low-temperature Performance of Lithium-Ion Batteries[J]. Journal of Power Sources， 2015， 300（12）： 29-40.

[5] 高慶九， 周小艷. 中國冬季最低氣溫觀測與再分析資料的比較[J]. 氣象科學(xué)， 2017， 37（7）： 8.

[6] SHENG S Z. The Effect of the Charging Protocol on the Cycle Life of A Li-Ion Battery[J]. Journal of Power Sources， 2006， 161（2）： 1385-1391.

[7] JIANG J， LIU Q， ZHANG C， et al. Evaluation of Acceptable Charging Current of Power Li-Ion Batteries Based on Polarization Characteristics[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2014， 61（12）： 6844-6851.

[8] LI J， MURPHY E， WINNICK J， et al. The Effects of Pulse Charging on Cycling Characteristics of Commercial Lithium-Ion Batteries[J]. Journal of Power Sources， 2001， 102（1-2）： 302-309.

[9] CHEN L R， WU S L， SHIEH D T， et al. Sinusoidal-Ripple-Current Charging Strategy and Optimal Charging Frequency Study for Li-Ion Batteries[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2013， 60（1）： 88-97.

[10] ZHANG C， JIANG J， GAO Y， et al. Charging Optimization in Lithium-Ion Batteries Based on Temperature Rise and Charge Time[J]. Applied Energy， 2016， 194（5）： 569-577.

[11] OUYANG Q， CHEN J， ZHENG J， et al. Optimal Multi-Objective Charging for Lithium-Ion Battery Packs： A Hierarchical Control Approach[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics， 2018， 14（9）： 4243-4253.

[12] TIPPMANN S， WALPER D， BALBOA L， et al. Low-Temperature Charging of Lithium-Ion Cells Part I： Electrochemical Modeling and Experimental Investigation of Degradation Behavior[J]. Journal of Power Sources， 2014， 252（4）： 305-316.

[13] YANG X G， WANG C Y. Understanding the Trilemma of Fast Charging， Energy Density and Cycle Life of Lithium-Ion Batteries[J]. Journal of Power Sources， 2018， 402（10）： 489-498.

[14] SONG Z， HOFMANN H， LI J， et al. The Optimization of a Hybrid Energy Storage System at Subzero Temperatures： Energy Management Strategy Design and Battery Heating Requirement Analysis[J]. Applied Energy， 2015， 159（12）： 576-588.

[15] ZHU J， SUN Z， WEI X， et al. An Alternating Current Heating Method for Lithium-Ion Batteries From Subzero Temperatures[J]. International journal of energy research， 2016， 40（13）： 1869-1883.

[16] 阮海軍. 低溫環(huán)境下鋰離子電池優(yōu)化加熱及充電方法研究[D]. 北京： 北京交通大學(xué)， 2019.

[17] PENG X， CHEN S， GARG A， et al. A Review of The Estimation and Heating Methods for Lithium-Ion Batteries Pack at the Cold Environment[J]. Energy Science & Engineering， 2019， 7（3）：645-662.

[18] REMMLINGER J， TIPPMANN S， BUCHHOLZ M， et al. Low-Temperature Charging of Lithium-Ion Cells Part Ii： Model Reduction and Application[J]. Journal of Power Sources， 2014， 254（5）：268-276.

[19] GE H， AOKI T， IKEDA N， et al. Investigating Lithium Plating in Lithium-Ion Batteries at Low Temperatures Using Electrochemical Model with NMR Assisted Parameterization[J]. Journal of the Electrochemical Society， 2017， 164（6）： 1050-1060.

[20] ZHAO X W， ZHANG G Y， YANG L， et al. A New Charging Mode of Li-Ion Batteries with Lifepo4/c Composites Under Low Temperature[J]. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry， 2011， 104（2）： 561-567.

[21] YANG X G， LIU T， GAO Y， et al. Asymmetric Temperature Modulation for Extreme Fast Charging of Lithium-Ion Batteries[J/OL]. Joule. （2019-12-18）[2024-04-04]. https：//www.semanticscholar.org/paper/Asymmetric-Temperature-Modulation-for-Extreme-Fast-Yang-Liu/e525f23f644fcc

d25eeb716abab8b9633f7dc02e.

[22] 電車匯. 中汽中心2019版EV-TEST電動汽車測評規(guī)則發(fā)布[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)， 2019（8）：1.

（責(zé)任編輯 明慧）

【作者簡介】

李麗麗（1995—），女，中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌囌囬_發(fā)系統(tǒng)集成。

E-mail：lilili9@faw.com.cn