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东风汽车-20°C低温充电策略研究

2019-10-06 21:16:52·  来源：知化汽车  
　
低温会给电动汽车带来很多方面的困扰，集中体现在3个方面：一是续航里程锐减，比如日产Leaf，在-25C的续航里程相比常温时将减少30%左右；二是充电性能，低温充电
低温会给电动汽车带来很多方面的困扰，集中体现在3个方面：一是续航里程锐减，比如日产Leaf，在-25°C的续航里程相比常温时将减少30%左右；二是充电性能，低温充电对电芯的伤害会远大于低温放电，通用Volt在-4°C时将对电池的工作进行限制；最后一个是安全性，低温析锂等。
 
-20°C这种超低温充电，通常都需要将电池加热到一定的温度，然后才允许进行；东风汽车在去年的一份研究中探讨了在外接充电时，利用外接电源通过PTC先对电池进行加热的方案。
 
整车的电气原理图如下所示：电池包内的继电器包括主正主负继电器、预充继电器；以及整车辅件继电器，快充继电器和电机继电器。其中，车载充电机OBC、PTC和空调压缩机共同由辅件继电器控制与电池包的通断。所有继电器均有BMS控制，位于电池包内的电流传感器用于检测电池包内的充放电电流大小，采样周期为100ms，精度为2%FSR。
PTC加热器的功率通过PWM信号来控制，为了避免高压电路浪涌电流的影响，PTC加热器在接通后，不会立即全功率工作，由0%到100%需要26秒；PTC的功率大约为5700W。PTC的工作电流特性如下图所示：
PTC电流在前36秒内的波动很大，峰值电流从26A到42A，在42A持续时间约为0.5秒，波谷电流值约为2.3A，持续时间0.5秒，电流峰值的时间逐渐变大，波谷的时间逐渐变小。在36秒后达到稳定的输出，电流峰值稳定在15A－18A，持续时间为1秒，电流波谷约为2.3A－2.6A，持续时间约为0.1秒。
由于电池包内低SOC，又在低温，因此无法由电池包向PTC供电加热，所以策略主要是针对外接充电设备来进行，基本的思路控制电池包的充电和放电，让外接电源直接供给PTC，实现对电芯的加热。
策略1：控制充电电流
BMS正常上电，选择恒流充电的模式，电流的大小为14A（PTC在最大输出模式下的稳定工作电流），这样充电电流大小等于PTC电流和PACK充电电流之和，由于BMS要求输入给PTC的电流与充电电流大小一致，这时充入PACK的电流很小，几乎为零。该策略试验过程中，电池包的电流变化如下图
外接电源输出电流（蓝色）与电池包电流
可以看出，在PTC工作前，电池包的充电电流大约为14A（图示的-14A），PTC工作后，在76秒后电池包的放电电流稳定在-0.4A－2A；同时，充电电流在也逐渐稳定-12.2A~-13.4A，持续时间仅为0.1秒。下表是对充电电流的统计，采样周期为0.1秒，可以看出，总的充电电流采集数量占总电流采集数量的78.9%。
策略2：控制充电电压
控制的策略如下图，为了避免电流流入电池包，BMS会发送与电池包电压大小相同的充电电压指令“BMS_RequireVoltage”，当有电流对电池包进行充电时，“BMS_RequireVoltage”每10秒调小0.1V；当电池包放电电流大于0.5A时，“BMS_RequireVoltage”每10秒调大0.1V。当电池包电流为零或小于0.5A时，则认为此时处于一个平稳状态。直到充电电流大于2A或放电电流大于4A，则BMS重新进行充电电压调整。
在试验过程中，该策略下的电池包电压和电流变化如下图（电池包的额定电压为345V），可以看出BMS_RequireVoltage根据电池包的电流大小实时进行调整，当放电时，请求电压变大，当充电时，请求电压变小。
电池包电流的变化曲线如下所示，可以看出，电流以0 ~ 2A为基准进行周期性变化，放电峰值2.8A ~ 9A或充电波谷-0.2A~ -11.3A每1秒发生一次，峰值和波谷持续的时间约0.1秒，小电流充电-0.2A ~ -0.7A大约持续0.7秒。
策略2过程中的充电电流统计如下表。
策略3：断开电池包负极
 
BMS正常上电后，断开负极继电器，让外接电源直接对PTC进行供电；当加热完成后，BMS会重新闭合负极，这时要注意闭合电压与电池包相同，避免继电器粘合。
 
不过，在进行测试时，由于充电设备判断下电故障无法为PTC进行供电，该策略没有完成(貌似国内OEM这个策略用的多)。测试中，充电设备的输出电压上升到329.8V后，0.4秒后即减小至零。该策略所带来的情况可能在GB/T27930-2015中没有覆盖的，因此，充电设备基于安全，中断了充电。
比较策略1和2，可以看出，策略2的方案要优于策略1，该策略下对电池包进行充电的次数少，并且电流也小。另外，如果PTC能够在恒流下进行工作，而不是脉冲电流的方式，这将进一步提高对电池包充电的控制。
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