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電動(dòng)汽車快充策略設(shè)計(jì)的影響因素研究

2020-03-24 21:19:43·  來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  
　
作者單位：奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司0 引 言結(jié)合鋰離子電池工作的基本原理，以三元鋰離子電池為研究對(duì)象，以分段恒流充電模式為背景，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析了幾種
作者單位：奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司
 
0 引 言
結(jié)合鋰離子電池工作的基本原理，以三元鋰離子電池為研究對(duì)象，以分段恒流充電模式為背景，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析了幾種影響快充策略設(shè)計(jì)的因素，包括溫度?電流和熱管理三個(gè)方面?
1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象
三元鋰離子電池，電池額定容量為140 Ah，充電最高電壓保護(hù)值為4.2 V，充電最低電壓保護(hù)值為2.8 V?充放電設(shè)備:Digatron，80 kW， 型號(hào)為EVT300-0600-80 KW-SN-2013000419?
步入式高低溫濕熱試驗(yàn)箱:帕薩特，50 kW，型號(hào)為PUV1408-DW?
1.2 實(shí)驗(yàn)步驟
(1) 分別在-20 ℃?-10 ℃?0 ℃?25 ℃ 和40 ℃環(huán)境下，標(biāo)準(zhǔn)充電至充電截止條件?
(2) (25±2) ℃環(huán)境下，分別以0.1 C?0.33 C?0.5 C?1 C 充電至充電截止條件?
(3) 在-10 ℃環(huán)境下，對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)采用分段恒流的充電方式，從0% SOC 充電到80% SOC?
2 結(jié)果與分析
2.1 溫度
 
由表1 中數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的上升，電池的容量不斷增大;隨著溫度的減小，電池充電的容量逐漸變小?這主要與電池內(nèi)部鋰離子的工作原理相關(guān)?在一定溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，電解液粘度減小，離子遷移速度加快，導(dǎo)電性增強(qiáng)，充放電容量增大?但是，如果溫度超過(guò)電性能的最佳使用環(huán)境再進(jìn)一步升高，將會(huì)造成SEI 膜?電解液的分解，并伴隨許多副反應(yīng)的發(fā)生，最終造成鋰離子電池性能降低?
隨著溫度降低，電解液粘度變大，鋰離子的遷移速度變小，導(dǎo)電性降低，同時(shí)電池內(nèi)阻增大，進(jìn)一步阻礙了鋰離子的遷移?因此，充放電的容量比常溫容量低?在低溫充電時(shí)，鋰離子從正極脫出，通過(guò)電解液向負(fù)極碳材料層間嵌入，在負(fù)極表面容易形成鋰枝晶?長(zhǎng)時(shí)間低溫充電，容易造成堆積過(guò)多的鋰枝晶不斷增大，最終刺穿隔膜，使電池短路[3]?因此，充電時(shí)需要使電芯處于最優(yōu)使用溫度范圍?事實(shí)上，過(guò)低溫度或者過(guò)高溫度都會(huì)對(duì)電芯造成不可逆的傷害，使電池性能變差，容量損失，壽命縮短?
2.2 電流
1972 年，美國(guó)科學(xué)家麥斯在第二次國(guó)際車輛會(huì)議上提出了著名的馬斯三定律?該定律說(shuō)明，鋰離子電池充電可接受的最大充電電流會(huì)隨著充電時(shí)間的增加而成指數(shù)型減小，即:
 
式中:I 為電池可接受的充電電流;I0 為開(kāi)始充電(t=0)時(shí)電池可接受的最大充電電流;α 為充電可接受電流衰減常數(shù)(α=I0/C)，與電池的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān);t 為充電時(shí)間?
 
馬斯定律的最佳充電曲線?當(dāng)充電電流小于最大充電電流且位于可接受區(qū)內(nèi)，鋰離子電池安全，但會(huì)延長(zhǎng)充電時(shí)間?當(dāng)充電電流超出充電電流的最大可接受曲線，則會(huì)出現(xiàn)析氣現(xiàn)象?此時(shí)的充電電流比較大，雖然縮短了充電時(shí)間，但是大電流造成了電芯溫度升高過(guò)快，使鋰離子電池內(nèi)部電解液分解，且大電流造成的極化現(xiàn)象更嚴(yán)重，大大降低了充電效率?因此，需要選擇合適的充電電流?
 
隨著電池充電電流的增大，充電容量不斷減小，充電時(shí)間不斷縮短?究其原因，主要有兩方面?一是大電流充電時(shí)，在很短時(shí)間內(nèi)鋰離子大量從負(fù)極層間脫出，并聚集在負(fù)極表面，而離負(fù)極較遠(yuǎn)的區(qū)域離子還未到達(dá)，形成濃度差，造成濃差極化;二是大電流使電極材料的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使最終容量不能釋放，最終影響電池的循環(huán)壽命?
 
由圖1 可知，當(dāng)溫度一定時(shí)，當(dāng)前條件下電池可允許的最大充電電流會(huì)隨著SOC 的增大而降低?在高SOC 高電壓階段，電流不大于7 A，此現(xiàn)象符合麥斯定律?當(dāng)SOC 一定(電壓不變)時(shí)，電池可允許的最大充電電流會(huì)隨著溫度的升高而增大?因此，在設(shè)計(jì)快充充電策略時(shí)，需要考慮不同溫度?不同SOC 范圍充電電流是時(shí)刻變化的?
 
2.3 熱管理
由圖1 可知，當(dāng)溫度位于15 ℃時(shí)和25 ℃時(shí)，電池可以以較大的電流進(jìn)行充電?但是，電動(dòng)汽車使用環(huán)境溫度多變，尤其是冬季外部環(huán)境溫度較低，電動(dòng)汽車使用時(shí)電池系統(tǒng)溫度變化范圍大，起始溫度低?這種情況下快充充電，需要先將電池邊加熱邊充電到適宜溫度后，再進(jìn)行大電流充電?既能保證快充時(shí)間，也能保證電池安全?因此，在制定快速充電策略時(shí)，需要確定加熱截止的條件?基于以上對(duì)于溫度和電流影響因素的分析，設(shè)計(jì)驗(yàn)證加熱截止溫度的試驗(yàn)?在-10 ℃環(huán)境下，對(duì)鋰離子電池系統(tǒng)采用分段恒流的充電方式充電至80% SOC，得到加熱到不同截止溫度所需的快充充電的時(shí)間?溫升?溫度變化率等變化曲線?
 
由表2 中數(shù)據(jù)可知，加熱到最低單體溫度15 ℃截止比加熱到最低單體溫度25 ℃截止時(shí)間短29 min，整個(gè)充電過(guò)程的溫升低19 ℃，溫度變化率小0.09 ℃ /min?加熱到15 ℃比加熱到25 ℃充電至80% SOC 的總時(shí)間短26 min，可知主要是在加熱階段縮短了時(shí)間?根據(jù)上述電池最大的充電電流，當(dāng)電池溫度大于15 ℃時(shí)，可以選擇較大的電流，不必等到所有溫度都到達(dá)25 ℃時(shí)再使用最大的電流?因此，選擇合適的加熱截止溫度，減小溫升大幅度的增高，是快速充電必須考慮的重要因素?

3 結(jié) 論
目前，各車企快充最常用充電方式均為分段恒流充電法?設(shè)計(jì)快充策略時(shí)，主要考慮以下因素:
①快充電流?根據(jù)麥斯定律，找出適合所用電池的快充可接受的最大充電電流，以最大限度接近曲線，但不能越過(guò)析氣區(qū)?
②快充溫度?一般情況下，大多數(shù)鋰離子電池最適宜工作溫度范圍位于15 ~ 40 ℃，可以保持較良好的電性能，以最大電流進(jìn)行充電?因此，當(dāng)快充時(shí)溫度超出電池溫度的最佳使用范圍時(shí)，高溫散熱，低溫加熱?
③熱管理?當(dāng)使用較大電流充電時(shí)，需要考慮大電流帶來(lái)的溫升及溫差變化?此時(shí)，需要電池系統(tǒng)擁有良好的熱管理，使電池系統(tǒng)內(nèi)所有單體溫度均勻分布? 
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