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主要針對(duì)動(dòng)力電池在不同溫度下（-5 ℃、-20 ℃、25 ℃、45 ℃）快速充電特性，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案，統(tǒng)計(jì)了不同溫度下的充電情況，分析了溫度對(duì)鋰離子動(dòng)力電池快速充電的影響，得出溫度越低或越高、SOC越高，電池充電電流越?。幌鄬?duì)于低溫和常溫，高溫對(duì)快充的影響最大，可為鋰離子動(dòng)力電池快速充電策略的改進(jìn)提供指導(dǎo)。

 

隨著石油能源短缺及鋰離子電池技術(shù)的大力發(fā)展，作為電動(dòng)汽車核心部件之一的鋰離子動(dòng)力電池一直是各國(guó)研究的重點(diǎn)。對(duì)充電方法的研究是目前電池主要的領(lǐng)域之一，目前的充電方法有常規(guī)充電（慢充）和快速充電。常規(guī)的充電是使用小電流恒流充電，周期為6-8h，快速充電使用大電流充電，可極大的縮短充電時(shí)間，周期一般在1-3h。影響電池充電特性的因素主要有溫度、充電電流、充電截止電壓等，其中溫度包括外界溫度和電池內(nèi)部溫度，即外界溫度會(huì)影響電池的充電特性，同時(shí)在電池充電過(guò)程中，其內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)會(huì)引起電池內(nèi)部溫度變化，而內(nèi)部溫度的變化又影響電池的性能，因此，認(rèn)識(shí)溫度對(duì)電池快充特性的影響是十分必要。

 

充電工作原理

 

動(dòng)力電池系統(tǒng)即能量存儲(chǔ)裝置，由電池單體（刀片電芯）或模組、高壓電路、低壓電路電池、管理系統(tǒng)（battery managementsystem, BMS）及機(jī)械總成等組成。電池管理系統(tǒng)通過(guò)與車載充電機(jī)或非車載充電機(jī)的實(shí)時(shí)通信或其他信號(hào)交互方式實(shí)行對(duì)充電過(guò)程的管理和控制，同時(shí)具有監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部的電流、溫度、荷電狀態(tài)（State of Charge,SOC）等參數(shù)的功能。SOC是電池剩余電量與其額定（標(biāo)稱）電量的百分比，指電池中剩余電荷的可用狀態(tài)。

 

完整的電池充電流程過(guò)程包括6個(gè)階段，如圖1。在充電過(guò)程中，電池管理系統(tǒng)向充電機(jī)發(fā)送充電指令，充電機(jī)根據(jù)充電指令來(lái)調(diào)整充電電流以保證充電過(guò)程正常進(jìn)行。電池管理系統(tǒng)根據(jù)充電過(guò)程的故障監(jiān)控是否正常、電池狀態(tài)（單體電壓和溫度）是否達(dá)到電池管理系統(tǒng)自身設(shè)定的充電截止條件以及是否收到充電機(jī)中止充電報(bào)文來(lái)判斷是否結(jié)束充電。

 

 

圖1 充電流程圖

 

試驗(yàn)方案

 

01試驗(yàn)對(duì)象

 

本文研究的試驗(yàn)對(duì)象是2套磷酸鐵鋰型動(dòng)力電池系統(tǒng)（分別編號(hào)為1#、2#），額定電壓318 V，額定容量82 Ah（25 ℃，1C），電池管理系統(tǒng)：設(shè)計(jì)商為安徽貴博新能源科技有限公司，版本號(hào)為S51EV_CANLIST-UPPER；一體式直流充電機(jī)（快充樁）：制造商為深圳市核達(dá)中遠(yuǎn)通電源技術(shù)有限公司，型號(hào)為VPS750160/15K，具有兩個(gè)快充通道；溫度箱：制造商為廣州五所環(huán)境儀器設(shè)備有限公司，型號(hào)為EW29065P12WBF。

 

02試驗(yàn)步驟

 

本試驗(yàn)方案選擇四個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試：高溫（45 ℃）、常溫（25 ℃）、低溫（-5 ℃、-20 ℃）。提供低壓放電回路閉合所需的12 V直流穩(wěn)壓電源，監(jiān)測(cè)上位機(jī)向電池管理系統(tǒng)發(fā)送行駛模擬指令，放電回路繼電器閉合。試驗(yàn)主要步驟如下，試驗(yàn)框圖見(jiàn)圖2所示（以1#電池示例）：

 

1）試驗(yàn)前對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)放電（放空）；

 

2）將動(dòng)力電池放入溫度箱中，并按照要求與快充樁、監(jiān)控電腦連接；

 

3）溫度箱開(kāi)機(jī)，調(diào)節(jié)溫度箱溫度至-5 ℃，動(dòng)力電池在非工作狀態(tài)下保持，使其內(nèi)部的平均溫度在-5 ℃；

 

4）按照快充低壓線束定義，將電池快充點(diǎn)火正、負(fù)，快充環(huán)路互鎖信號(hào)、快充CAN-H、CAN-L信號(hào)正確連接；

 

5）插入充電槍，啟動(dòng)快充樁進(jìn)行快充，至充滿電；

 

6）標(biāo)準(zhǔn)放電（放空）；

 

7）調(diào)節(jié)溫度箱溫度至-20 ℃、45 ℃、25 ℃，并分別重復(fù)步驟3）-5）；

 

注：a）標(biāo)準(zhǔn)放電（放空）：以82 A（1C）放電至240 V（或有單串電壓2.75 V保護(hù)）截止；b）充滿：充電至最大單體電壓≥4.25 V截止。

 

 

圖2  試驗(yàn)結(jié)構(gòu)框圖

 

結(jié)果分析

 

在對(duì)電池充入相同的電量下，為減少快速充電的時(shí)間，應(yīng)增大充電電流。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、分析，不同溫度下鋰離子動(dòng)力電池的快充曲線見(jiàn)圖3所示，2個(gè)電池在每個(gè)溫度點(diǎn)的充電電流均出現(xiàn)階梯性變化。

 

低溫下（-20 ℃、-5 ℃）充電電流變化趨勢(shì)是小→大→小，在低溫初始段，電池內(nèi)部的溫度（單體最高溫度）較低，隨著充電繼續(xù)進(jìn)行，電池內(nèi)部溫度逐步升高，在常溫20 ℃左右，充電電流達(dá)到最大（100 A），當(dāng)電池內(nèi)部溫度達(dá)到30 ℃左右時(shí)，充電電流再次降低，此時(shí)電池SOC已達(dá)到90%，隨后充電電流再逐步減少直至充滿。

 

常溫（25 ℃）和高溫（45 ℃）時(shí)充電電流變化趨勢(shì)均是大→小，常溫初始段的電流達(dá)（100 A），當(dāng)電池內(nèi)部溫度達(dá)到40 ℃左右時(shí)，充電電流降低至65 A，在電池SOC充至90%時(shí)，此時(shí)電池內(nèi)部溫度為44 ℃左右，充電電流再逐步減少至充滿。

 

高溫初始段，電池內(nèi)部的溫度較高，此時(shí)初始充電電流相對(duì)常溫較小，充電電流為50 A左右，隨著電池內(nèi)部溫度逐步升高，充電電流逐步降低，當(dāng)電池SOC充至90%，充電電流降至最小，此時(shí)電池內(nèi)部溫度達(dá)到54 ℃，隨后電池以最小電流充電至充滿。

 

以上分析可得，鋰離子動(dòng)力電池在不同溫度下的充電電流與電池內(nèi)部溫度和電池當(dāng)前SOC有關(guān)。電池內(nèi)部溫度越低、SOC越高，電池充電電流越??；電池溫度過(guò)高，存在安全隱患，因此電池的充電電流也會(huì)降低。

 

      （a）-20 ℃       

 

 

 （b） -5 ℃

 

 

（c）25 ℃     

 

 

（d）45 ℃

 

圖3  不同溫度下電池充電曲線

 

各個(gè)溫度下2個(gè)電池充電時(shí)間見(jiàn)表1所示。在常溫下，從0%SOC~100%SOC該電池快速充電耗時(shí)約1.5 h，達(dá)到了快速充電目的。對(duì)比1#、2#電池每個(gè)溫度條件下的充電時(shí)間發(fā)現(xiàn)，常溫25 ℃下的充電時(shí)間整體最短，低溫次之，高溫的快充時(shí)間最長(zhǎng)，說(shuō)明高溫對(duì)快充的影響最大，即溫度越高，快充時(shí)間越長(zhǎng)。

 

表1  不同溫度下鋰離子動(dòng)力電池快充時(shí)間

 

 

結(jié)束語(yǔ)

 

本文主要針對(duì)高溫、低溫、常溫下鋰離子動(dòng)力電池的快速充電特性進(jìn)行了試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論，可為鋰離子動(dòng)力電池快速充電策略的改進(jìn)提供指導(dǎo)：

 

1）電池充電電流受溫度影響，溫度越低、越高，電流均越??；

2）電池充電電流受電池當(dāng)前SOC影響，SOC越高，電流越小；

3）相對(duì)于低溫和常溫，高溫對(duì)快充的影響最大。

 

引用本文：

 

蔡國(guó)輝，董田，李揚(yáng)，李翔，鄭昆.不同溫度下鋰離子動(dòng)力電池快速充電特性[J].環(huán)境技術(shù)，2021，(S1):59-61+66.

專家簡(jiǎn)介：蔡國(guó)輝，工業(yè)和信息化部電子第五研究所蕪湖實(shí)驗(yàn)室,男，碩士，助理工程師，研究方向：新能源動(dòng)力電池研究。

鄭昆，廣州五所環(huán)境儀器有限公司,男，碩士，工程師，研究方向：高端可靠性環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備研發(fā)。