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电动汽车快充策略设计的影响因素研究

2020-03-24 21:19:43·  来源：电动学堂  
　
作者单位：奇瑞新能源汽车技术有限公司0 引 言结合锂离子电池工作的基本原理，以三元锂离子电池为研究对象，以分段恒流充电模式为背景，通过试验对比分析了几种
作者单位：奇瑞新能源汽车技术有限公司
 
0 引 言
结合锂离子电池工作的基本原理，以三元锂离子电池为研究对象，以分段恒流充电模式为背景，通过试验对比分析了几种影响快充策略设计的因素，包括温度､电流和热管理三个方面｡
1 实验设计
1.1 实验对象
三元锂离子电池，电池额定容量为140 Ah，充电最高电压保护值为4.2 V，充电最低电压保护值为2.8 V｡充放电设备:Digatron，80 kW， 型号为EVT300-0600-80 KW-SN-2013000419｡
步入式高低温湿热试验箱:帕萨特，50 kW，型号为PUV1408-DW｡
1.2 实验步骤
(1) 分别在-20 ℃､-10 ℃､0 ℃､25 ℃ 和40 ℃环境下，标准充电至充电截止条件｡
(2) (25±2) ℃环境下，分别以0.1 C､0.33 C､0.5 C､1 C 充电至充电截止条件｡
(3) 在-10 ℃环境下，对锂离子电池系统采用分段恒流的充电方式，从0% SOC 充电到80% SOC｡
2 结果与分析
2.1 温度
 
由表1 中数据可知，随着温度的上升，电池的容量不断增大;随着温度的减小，电池充电的容量逐渐变小｡这主要与电池内部锂离子的工作原理相关｡在一定温度范围内，随着温度的升高，电解液粘度减小，离子迁移速度加快，导电性增强，充放电容量增大｡但是，如果温度超过电性能的最佳使用环境再进一步升高，将会造成SEI 膜､电解液的分解，并伴随许多副反应的发生，最终造成锂离子电池性能降低｡
随着温度降低，电解液粘度变大，锂离子的迁移速度变小，导电性降低，同时电池内阻增大，进一步阻碍了锂离子的迁移｡因此，充放电的容量比常温容量低｡在低温充电时，锂离子从正极脱出，通过电解液向负极碳材料层间嵌入，在负极表面容易形成锂枝晶｡长时间低温充电，容易造成堆积过多的锂枝晶不断增大，最终刺穿隔膜，使电池短路[3]｡因此，充电时需要使电芯处于最优使用温度范围｡事实上，过低温度或者过高温度都会对电芯造成不可逆的伤害，使电池性能变差，容量损失，寿命缩短｡
2.2 电流
1972 年，美国科学家麦斯在第二次国际车辆会议上提出了著名的马斯三定律｡该定律说明，锂离子电池充电可接受的最大充电电流会随着充电时间的增加而成指数型减小，即:
 
式中:I 为电池可接受的充电电流;I0 为开始充电(t=0)时电池可接受的最大充电电流;α 为充电可接受电流衰减常数(α=I0/C)，与电池的结构和状态有关;t 为充电时间｡
 
马斯定律的最佳充电曲线｡当充电电流小于最大充电电流且位于可接受区内，锂离子电池安全，但会延长充电时间｡当充电电流超出充电电流的最大可接受曲线，则会出现析气现象｡此时的充电电流比较大，虽然缩短了充电时间，但是大电流造成了电芯温度升高过快，使锂离子电池内部电解液分解，且大电流造成的极化现象更严重，大大降低了充电效率｡因此，需要选择合适的充电电流｡
 
随着电池充电电流的增大，充电容量不断减小，充电时间不断缩短｡究其原因，主要有两方面｡一是大电流充电时，在很短时间内锂离子大量从负极层间脱出，并聚集在负极表面，而离负极较远的区域离子还未到达，形成浓度差，造成浓差极化;二是大电流使电极材料的结构发生改变，使最终容量不能释放，最终影响电池的循环寿命｡
 
由图1 可知，当温度一定时，当前条件下电池可允许的最大充电电流会随着SOC 的增大而降低｡在高SOC 高电压阶段，电流不大于7 A，此现象符合麦斯定律｡当SOC 一定(电压不变)时，电池可允许的最大充电电流会随着温度的升高而增大｡因此，在设计快充充电策略时，需要考虑不同温度､不同SOC 范围充电电流是时刻变化的｡
 
2.3 热管理
由图1 可知，当温度位于15 ℃时和25 ℃时，电池可以以较大的电流进行充电｡但是，电动汽车使用环境温度多变，尤其是冬季外部环境温度较低，电动汽车使用时电池系统温度变化范围大，起始温度低｡这种情况下快充充电，需要先将电池边加热边充电到适宜温度后，再进行大电流充电｡既能保证快充时间，也能保证电池安全｡因此，在制定快速充电策略时，需要确定加热截止的条件｡基于以上对于温度和电流影响因素的分析，设计验证加热截止温度的试验｡在-10 ℃环境下，对锂离子电池系统采用分段恒流的充电方式充电至80% SOC，得到加热到不同截止温度所需的快充充电的时间､温升､温度变化率等变化曲线｡
 
由表2 中数据可知，加热到最低单体温度15 ℃截止比加热到最低单体温度25 ℃截止时间短29 min，整个充电过程的温升低19 ℃，温度变化率小0.09 ℃ /min｡加热到15 ℃比加热到25 ℃充电至80% SOC 的总时间短26 min，可知主要是在加热阶段缩短了时间｡根据上述电池最大的充电电流，当电池温度大于15 ℃时，可以选择较大的电流，不必等到所有温度都到达25 ℃时再使用最大的电流｡因此，选择合适的加热截止温度，减小温升大幅度的增高，是快速充电必须考虑的重要因素｡

3 结 论
目前，各车企快充最常用充电方式均为分段恒流充电法｡设计快充策略时，主要考虑以下因素:
①快充电流｡根据麦斯定律，找出适合所用电池的快充可接受的最大充电电流，以最大限度接近曲线，但不能越过析气区｡
②快充温度｡一般情况下，大多数锂离子电池最适宜工作温度范围位于15 ~ 40 ℃，可以保持较良好的电性能，以最大电流进行充电｡因此，当快充时温度超出电池温度的最佳使用范围时，高温散热，低温加热｡
③热管理｡当使用较大电流充电时，需要考虑大电流带来的温升及温差变化｡此时，需要电池系统拥有良好的热管理，使电池系统内所有单体温度均匀分布｡ 
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