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東風(fēng)汽車(chē)-20°C低溫充電策略研究

2019-10-06 21:16:52·  來(lái)源：知化汽車(chē)  
　
低溫會(huì)給電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)很多方面的困擾，集中體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是續(xù)航里程銳減，比如日產(chǎn)Leaf，在-25C的續(xù)航里程相比常溫時(shí)將減少30%左右；二是充電性能，低溫充電
低溫會(huì)給電動(dòng)汽車(chē)帶來(lái)很多方面的困擾，集中體現(xiàn)在3個(gè)方面：一是續(xù)航里程銳減，比如日產(chǎn)Leaf，在-25°C的續(xù)航里程相比常溫時(shí)將減少30%左右；二是充電性能，低溫充電對(duì)電芯的傷害會(huì)遠(yuǎn)大于低溫放電，通用Volt在-4°C時(shí)將對(duì)電池的工作進(jìn)行限制；最后一個(gè)是安全性，低溫析鋰等。
 
-20°C這種超低溫充電，通常都需要將電池加熱到一定的溫度，然后才允許進(jìn)行；東風(fēng)汽車(chē)在去年的一份研究中探討了在外接充電時(shí)，利用外接電源通過(guò)PTC先對(duì)電池進(jìn)行加熱的方案。
 
整車(chē)的電氣原理圖如下所示：電池包內(nèi)的繼電器包括主正主負(fù)繼電器、預(yù)充繼電器；以及整車(chē)輔件繼電器，快充繼電器和電機(jī)繼電器。其中，車(chē)載充電機(jī)OBC、PTC和空調(diào)壓縮機(jī)共同由輔件繼電器控制與電池包的通斷。所有繼電器均有BMS控制，位于電池包內(nèi)的電流傳感器用于檢測(cè)電池包內(nèi)的充放電電流大小，采樣周期為100ms，精度為2%FSR。
PTC加熱器的功率通過(guò)PWM信號(hào)來(lái)控制，為了避免高壓電路浪涌電流的影響，PTC加熱器在接通后，不會(huì)立即全功率工作，由0%到100%需要26秒；PTC的功率大約為5700W。PTC的工作電流特性如下圖所示：
PTC電流在前36秒內(nèi)的波動(dòng)很大，峰值電流從26A到42A，在42A持續(xù)時(shí)間約為0.5秒，波谷電流值約為2.3A，持續(xù)時(shí)間0.5秒，電流峰值的時(shí)間逐漸變大，波谷的時(shí)間逐漸變小。在36秒后達(dá)到穩(wěn)定的輸出，電流峰值穩(wěn)定在15A－18A，持續(xù)時(shí)間為1秒，電流波谷約為2.3A－2.6A，持續(xù)時(shí)間約為0.1秒。
由于電池包內(nèi)低SOC，又在低溫，因此無(wú)法由電池包向PTC供電加熱，所以策略主要是針對(duì)外接充電設(shè)備來(lái)進(jìn)行，基本的思路控制電池包的充電和放電，讓外接電源直接供給PTC，實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯的加熱。
策略1：控制充電電流
BMS正常上電，選擇恒流充電的模式，電流的大小為14A（PTC在最大輸出模式下的穩(wěn)定工作電流），這樣充電電流大小等于PTC電流和PACK充電電流之和，由于BMS要求輸入給PTC的電流與充電電流大小一致，這時(shí)充入PACK的電流很小，幾乎為零。該策略試驗(yàn)過(guò)程中，電池包的電流變化如下圖
外接電源輸出電流（藍(lán)色）與電池包電流
可以看出，在PTC工作前，電池包的充電電流大約為14A（圖示的-14A），PTC工作后，在76秒后電池包的放電電流穩(wěn)定在-0.4A－2A；同時(shí)，充電電流在也逐漸穩(wěn)定-12.2A~-13.4A，持續(xù)時(shí)間僅為0.1秒。下表是對(duì)充電電流的統(tǒng)計(jì)，采樣周期為0.1秒，可以看出，總的充電電流采集數(shù)量占總電流采集數(shù)量的78.9%。
策略2：控制充電電壓
控制的策略如下圖，為了避免電流流入電池包，BMS會(huì)發(fā)送與電池包電壓大小相同的充電電壓指令“BMS_RequireVoltage”，當(dāng)有電流對(duì)電池包進(jìn)行充電時(shí)，“BMS_RequireVoltage”每10秒調(diào)小0.1V；當(dāng)電池包放電電流大于0.5A時(shí)，“BMS_RequireVoltage”每10秒調(diào)大0.1V。當(dāng)電池包電流為零或小于0.5A時(shí)，則認(rèn)為此時(shí)處于一個(gè)平穩(wěn)狀態(tài)。直到充電電流大于2A或放電電流大于4A，則BMS重新進(jìn)行充電電壓調(diào)整。
在試驗(yàn)過(guò)程中，該策略下的電池包電壓和電流變化如下圖（電池包的額定電壓為345V），可以看出BMS_RequireVoltage根據(jù)電池包的電流大小實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)放電時(shí)，請(qǐng)求電壓變大，當(dāng)充電時(shí)，請(qǐng)求電壓變小。
電池包電流的變化曲線如下所示，可以看出，電流以0 ~ 2A為基準(zhǔn)進(jìn)行周期性變化，放電峰值2.8A ~ 9A或充電波谷-0.2A~ -11.3A每1秒發(fā)生一次，峰值和波谷持續(xù)的時(shí)間約0.1秒，小電流充電-0.2A ~ -0.7A大約持續(xù)0.7秒。
策略2過(guò)程中的充電電流統(tǒng)計(jì)如下表。
策略3：斷開(kāi)電池包負(fù)極
 
BMS正常上電后，斷開(kāi)負(fù)極繼電器，讓外接電源直接對(duì)PTC進(jìn)行供電；當(dāng)加熱完成后，BMS會(huì)重新閉合負(fù)極，這時(shí)要注意閉合電壓與電池包相同，避免繼電器粘合。
 
不過(guò)，在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，由于充電設(shè)備判斷下電故障無(wú)法為PTC進(jìn)行供電，該策略沒(méi)有完成(貌似國(guó)內(nèi)OEM這個(gè)策略用的多)。測(cè)試中，充電設(shè)備的輸出電壓上升到329.8V后，0.4秒后即減小至零。該策略所帶來(lái)的情況可能在GB/T27930-2015中沒(méi)有覆蓋的，因此，充電設(shè)備基于安全，中斷了充電。
比較策略1和2，可以看出，策略2的方案要優(yōu)于策略1，該策略下對(duì)電池包進(jìn)行充電的次數(shù)少，并且電流也小。另外，如果PTC能夠在恒流下進(jìn)行工作，而不是脈沖電流的方式，這將進(jìn)一步提高對(duì)電池包充電的控制。
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