焦紅星,張延星,馮世杰.新型動力電池低溫加熱策略[J].汽車工程師,2021(08):22-25+29.

摘要：

為了解決某量產(chǎn)車型動力電池低溫加熱過程中，加熱模式轉(zhuǎn)換至充電加熱模式預(yù)充失敗導(dǎo)致停止充電問題，文章在原有策略基礎(chǔ)上改進，提出了一種包含加熱、充電加熱及電模式的加熱策略，優(yōu)化模式轉(zhuǎn)換過程中預(yù)充策略，增加正極繼電器、加熱繼電器粘連檢測，充電機有無輸出保護策略，并通過臺架進行驗證。

2001 年，我國啟動了新能源汽車專項，明確提出純電驅(qū)動是國家戰(zhàn)略，在國家多項產(chǎn)業(yè)政策的扶持下，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展。目前，安全、續(xù)航、充電及價格等是限制電動汽車發(fā)展的主要因素，以上4 個因素都與電池相關(guān)。由此不難看出，動力電池在整車中占據(jù)了重要的地位，是電動汽車關(guān)鍵部件之一[1]。電池充放電過程屬化學(xué)反應(yīng)，與溫度相關(guān)。低溫條件下，電池電化學(xué)反應(yīng)活性降低。動力電池低溫特性阻礙了其在北方地區(qū)的發(fā)展[2]。為了保證低溫條件下電池能夠正常充電，需要制定低溫充電策略。文章選取某新能源汽車為研究對象，通過分析已有的低溫加熱策略，發(fā)現(xiàn)其存在一定的問題風(fēng)險，分析后改進低溫下交流加熱策略并通過臺架驗證，試驗結(jié)果表明，采用新型低溫交流充電加熱策略能有效避險初始方案存在的風(fēng)險。

1  動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

冬季低溫條件下，電池活性變差，負(fù)極材料石墨嵌鋰能力下降，采用大電流充電則會出現(xiàn)析鋰進而刺破隔膜，影響充電安全和效率。因此，為了提高動力電池低溫充電性能，需要對電池進行加熱升溫。常見的加熱方式有 3 種：電加熱膜、PTC 加熱及液熱。加熱膜和PTC 屬于電阻加熱方式，一般是將金屬加熱絲封裝于絕緣層內(nèi)，金屬絲通電之后發(fā)熱可對電池系統(tǒng)進行加熱[3]。PTC 加熱器也是電阻加熱的一種，但是它的電阻會隨自身溫度的升高而增大，從而達到恒溫加熱效果。液熱則是通過整車 PTC 加熱部件將冷卻液加熱到一定溫度，利用主動液冷系統(tǒng)對電池系統(tǒng)加熱的一種方式。

2  PTC 加熱電路設(shè)計

在動力電源系統(tǒng)中，加熱回路主要由加熱片、加熱繼電器、加熱熔斷器構(gòu)成，加熱電路兩端電壓檢測為后續(xù)優(yōu)化電路增加部分，主要在于判斷加熱繼電器是否粘連。加熱回路與動力電池充放電回路并聯(lián)，對于電池包，充電回路與放電回路不做區(qū)分，如圖 1 所示。

3  傳統(tǒng)加熱策略

進入充電模式后，BMS 判斷電池溫度，當(dāng)單體電池最小溫度 Tmin≥5℃時，進入充電模式。當(dāng)單體電池最小溫度 Tmin≤0℃時，進入加熱模式，BMS 控制加熱繼電器閉合，請求充電電壓、電流，此時請求電壓按照動力電池包最大 Pack 電壓 166 V，電流為 166 V/ 加熱片電阻，車載充電機響應(yīng) BMS 的電壓和電流請求并按照較小值輸出。當(dāng)單體電池最小溫度滿足 0＜Tmin＜5 ℃時，進入充電加熱模式，BMS 請求電流為動力電池允許充電電流與加熱片消耗電流之和，加熱片工作電壓應(yīng)與電池包電壓相當(dāng)。此策略風(fēng)險在于加熱模式下，電池溫度達到充電溫度 1℃后，BMS 請求電壓為 （Pack 電壓+5 V），電流為 Pack 電壓 / 加熱片電阻，車載充電機響應(yīng) BMS 的電壓和電流請求并按照較小值輸出，策略最初目的是為了省略預(yù)充過程，但此種方法存在預(yù)充失敗的可能，導(dǎo)致加熱轉(zhuǎn)入充電加熱模式過程中轉(zhuǎn)換失敗，充電停止。根本原因在于加熱片隨著溫度上升，電阻增加，BMS 請求電流隨著加熱片電阻變化而變化，當(dāng)請求電流與電壓相比較小時，充電機響應(yīng)電流請求，輸出電壓較小，此時預(yù)充失敗。針對此風(fēng)險，對原始低溫加熱策略進行優(yōu)化，如圖 2 所示。

4  新型加熱策略

新型加熱策略如圖 3 所示。為防止加熱模式轉(zhuǎn)充電加熱模式時出現(xiàn)預(yù)充失敗導(dǎo)致充電停止，策略優(yōu)化如下。加熱模式下，單體電池溫度達到 1℃，BMS 斷開加熱繼電器，請求電壓電流均為 0，使得充電機處于喚醒但無輸出狀態(tài)（此過程不宜超過 2 min，避免觸發(fā)充電機 2 min 無輸出休眠策略），BMS 控制預(yù)充繼電器閉合進行預(yù)充過程，此策略不會因為加熱片電阻變化或者 Pack 電壓變化而出現(xiàn)預(yù)充失敗的可能。另外，原始策略存在充電加熱過程中充電機無輸出導(dǎo)致動力電池輸出供給電池加熱的風(fēng)險，新型策略中增加如下保護策略，在加熱模式與充電加熱模式轉(zhuǎn)換過程中，BMS 檢測到車載充電機輸出 2 A 電流后方可閉合加熱繼電器。同時，為了避免加熱繼電器故障，增加加熱繼電器故障判斷策略，閉合加熱繼電器后，等待充電機輸出電壓（外總壓 1）＞50 V 后，若檢測加熱繼電器粘連檢測點電壓（外總壓 2）＜10 V，表示加熱回路斷開，上報“加熱繼電器故障”，關(guān)閉充電機，進行故障下電；若外總壓2＞10 V，表示加熱回路正常閉合，正常進入加熱模式（或充電加熱模式），對電池進行加熱。動力電池放電過程中，如果加熱繼電器粘連，則會造成動力電池持續(xù)給加熱片供電，因此增加加熱繼電器粘連檢測策略，充放電過程中，CAN 報文“加熱接觸器狀態(tài)”為“0—斷開”時，若外總壓 2＞100 V 且持續(xù)時間大于 2 s，BMS 通過CAN 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送“加熱繼電器粘連報警”。

原始策略中未增加充電加熱過程中電池溫度降低如何解決，優(yōu)化后的策略中增加保護策略，加熱過程中加熱片滿功率工作，電池溫度呈現(xiàn)上升趨勢，充電加熱過程中由于加熱片與動力電池并聯(lián)，加熱片受制于電池電壓不能滿功率工作，外界溫度過低情況下會出現(xiàn)處于加熱片雖工作，但電池溫度下降的情況，為此策略中加入當(dāng)單體溫度低于一定值后重新進入加熱模式。

原始策略中未提及加熱片過溫報警，優(yōu)化后策略增加此保護策略。加熱過程中加熱片溫度＞59 ℃，最高允許充電電壓調(diào)整為 144 V，降功率加熱，加熱片溫度＜40 ℃后，恢復(fù)最高允許充電電壓 166 V，請求電流8 A。加熱片溫度＞67 ℃，最高允許充電電壓 0，充電電流 0，S2 不斷，保持加熱繼電器閉合狀態(tài)，加熱片溫度＜40 ℃后恢復(fù)最高允許充電電壓 144 V，充電電流8 A。加熱片溫度 >70 ℃，停止加熱，斷開 S2 開關(guān)，斷開加熱繼電器，進行故障下電。邊充電邊加熱過程中加熱片溫度＞59 ℃（溫度過高 1 級報警），只報警不處理；加熱片溫度＞67 ℃（溫度過高 2 級報警），停止加熱，斷開加熱繼電器，只充電；加熱片溫度＞69 ℃（溫度過高 3級報警），斷開所有繼電器，斷開 S2，充電錯誤。

5  策略驗證

5.1 試驗對象

某純電動汽車軟包動力電池，額定容量為 138 Ah，額定電壓 148 V。

5.2 試驗設(shè)備

電池模擬器（雙通道），型號：2*800 A/800 V。

步入式高低溫交變濕熱箱，型號：MP2HS-15-SCT/WC。

5.3 測試工況

環(huán)境溫度 -15℃，電池最低溫度（-15±2）℃，加熱充電測試，試驗過程中加熱片溫度報警測試及加熱到充電加熱轉(zhuǎn)換過程。

5.4 試驗結(jié)果

如圖 4 所示，當(dāng)單體電池最小溫度 Tmin=-15 ℃時，插搶后進入加熱模式，CP 值為 21%，表示此時是模式 2充電。正極繼電器處于斷開狀態(tài)，加熱繼電器閉合，BMS 請求電壓為 166 V，16 A，電池加熱狀態(tài)為 1，正在加熱，與策略一致。

如圖 5 所示，加熱過程中加熱片溫度達到 60℃，超過一級報警值 59℃，按照策略執(zhí)行，加熱過程中加熱片溫度＞59℃，最高允許充電電壓調(diào)整為 144 V，降功率加熱。

如圖 6 所示，Tmin≥1℃，BMS 發(fā)送電池加熱請求00，即未加熱，充電控制指令停止，加熱完成，進入充電加熱模式。BMS 請求電壓 0，請求電流 0，5 s 內(nèi)實時判斷后端電壓≤60 V，BMS 控制加熱接觸器斷開后發(fā)送加熱接觸器狀態(tài) 0，之后預(yù)充繼電器閉合，進行預(yù)充上電，高壓上電后，BMS 發(fā)送充電控制指令開始，充電機按照指令輸出，檢測到充電機輸出電流＞2 A 后加熱繼電器閉合，測試結(jié)果與策略一致。

6  結(jié)論

文章對傳統(tǒng)低溫加熱策略進行分析，指出存在加熱模式轉(zhuǎn)換至充電加熱模式預(yù)充失敗的風(fēng)險，并提出新型低溫交流充電加熱策略，通過搭建臺架，在 -15℃環(huán)境艙中測試。試驗結(jié)果表明，采用新型策略，在加熱轉(zhuǎn)換到邊充電邊加熱模式時，斷開加熱繼電器，按照充電上電過程進行上電，避免出現(xiàn)預(yù)充失敗故障，與策略一致。文章提出的新型動力電池低溫加熱策略有效地避免了低溫充電過程中模式轉(zhuǎn)換失敗的風(fēng)險，確保電動汽車在極端條下的充電穩(wěn)定性及安全性。