动力电池快充策略研究

文章来源：中国第一汽车股份有限公司新能源开发院

1前言

本文结合锂离子电池的工作特性，通过定制开发快充电池单体，实现电池系统20min级快充能力。以阶梯式分段恒流充电模式为基础，提出了4种快充策略，通过对充电时间、充电容量、电池最高温度、温差和生热与散热功率6个指标的仿真和试验对比，选定最优的充电策略。

2研究背景

2.1技术背景
1972年，美国科学家马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：
I=I0e-αt（1）
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。
马斯定律中的最大充电电流为一个临界值，以该电流充电会使电池微量产气，当充电电流小于该临界值时，锂离子电池安全，但会延长充电时间；当充电电流超出该临界值时，电池内部会出现产气现象。
大电流充电虽然缩短了充电时间，但会导致锂离子电池内部电解液分解，且大电流造成的极化现象更为严重，反而大大降低了充电效率。因此，需要设计低于临界值的、合适的充电电流。

2.2快充策略设计
本文的研究对象是搭载于一汽某款纯电动车的快充三元锂离子动力电池，电池包标称电压为525.6V，标称容量90Ah，总成方案2P144S，总成充、放电截止电压为403.2V~604.8V，电池单体标称电压3.65V，额定容量45Ah，充、放电截止电压2.8V~4.2V。

本文基于马斯三定律，设计4种分段阶梯恒流充电方法，综合考率动力电池快充时间、最高温度、最大温差等因素，从多维度评价4种快充策略。
本文设计快充策略1（以下简称为策略1）的SOC为5%~80%目标快充时间为12min级；快充策略2、3和4（以下简称为策略2、3和4）的SOC为5%~80%目标快充时间为20min级。
提出策略2、3和4的目的是为了优化策略1在充电过程中可能出现的电池温度高和温差大等问题，降低安全风险，同时电池最高温度的下降对电池寿命有益。
策略1的SOC为5%~80%的目标充电时间为12min级，平均快充倍率3.75C，根据电池单体能力，将阶梯分段快充倍率设计为4C~3C；
策略2、3和4的SOC为5%80%的目标充电时间为20min级，平均快充倍率2.75C，根据电池单体能力，将策略2、3和4的快充倍率分别设计为3C~1C、3C~2C~1C和4C~3C~2C~1C。根据目标快充时间和分段倍率，计算可得策略1至策略4阶段充电分别为：4C充电至SOC为50%，3C充电至SOC为80%；3C充电至SOC为65%，1C充电至SOC为80%；3C充电至SOC为50%，2C充电至SOC为70%，1C充电至SOC为80%；4C充电至SOC为15%,3C充电至SOC为50%，2C充电至SOC为70%，1C充电至SOC为80%。该单体的开路电压和内阻如表1所示。根据表1和公式（2），计算可得策略1的4C阶段充电至3.89V，3C阶段充电至4.14V。根据公式（2），若4种充电策略均充电至SOC为80%，充电策略2、3和4末端1C阶段充电截止电压小于策略1的3C阶段截止电压，所以策略2、3和4的充电末端截止电压同样设定为4.14V，可以保证4种策略均充电到SOC为80%以上,截取SOC为5%至80%的充入能量。策略1至策略4如图1和表2所示。

U=OCV+IR（2）
式中,U为工作电压;OCV为开路电压;I为电流;R为直流内阻。


充电过程中电池冷却策略为入水口温度25℃，水流量12L/min。若任一单体温度升至55℃，则停止试验。

3仿真验证

本文利用AMESIM软件建模，对策略1至策略4进行仿真，目的是验证4种快充策略设计是否合理，仿真时间是否与理论时间接近，4种策略理论快充时间与仿真快充时间如表3所示。
根据策略1：由SOC从5%起始，4C恒流充电至SOC为50%，3C恒流充电至SOC为80%，可知切换电流的理论时间点为6.75min，仿真得到的切换电流时间点与理论时间点相同，如图2所示。

根据策略2：从SOC为5%起始，3C恒流充电至SOC为65%，1C恒流充电至SOC为80%，可知切换电流的理论时间点为12min，仿真得到的切换电流时间点为11min，如图3所示。

根据策略3：从SOC为5%起始，3C恒流充电至SOC为50%，2C恒流充电至SOC为70%，1C恒流充电至SOC为80%，可知切换电流的理论时间点为9min和15min，仿真得到的切换电流的时间点为9min和16.5min，如图4所示。

根据策略4：由SOC为5%起始，4C恒流充电至SOC为15%,3C恒流充电至SOC为50%，2C恒流充电至SOC为70%，1C恒流充电至SOC为80%，可知切换电流的理论时间点为1.5min、8.5min和14.5min，仿真得到的切换电流时间点2.5min、9.25min和13.85min，如图5所示。


4试验验证

4.1试验设备
充放电设备型号：MRTS-DC250kW，环境舱型号：SEWTH-A-190LHS。
4.2试验步骤
（1）25±2℃下，1C恒流放电任一单体电压至2.8V；
（2）25±2℃下，搁置30min；
（3）25±2℃下，1C恒流充电至SOC为5%；
（4）25±2℃下，搁置至电池温度至25±2℃；
（5）25±2℃下，采用某种快充策略进行快充，试验开始即开启冷却。
4.3结果分析
该电池系统的25℃，1C容量为89.6Ah，能量47.3kW∙h，因考虑实际使用情况，快充充入的能量对于整车续驶里程的补给更有实际意义，故本文4种快充策略都选取充入75%的能量为结束点，即充入35.48kW∙h，SOC为5%～80%快充，结果如表4所示。

4.3.1快充性能分析
（1）快充时间：试验所得快充时间与理论快充时间相比，最多相差3.5%，最少相差0，故可认为策略设计满足目标要求。策略3与策略2相比，缩短了3C和1C阶段的充电时间，中间加入2C充电阶段，在理论时间相同的情况下，实际充电时间相差0.1min。策略4与策略3相比，是将SOC为5%～15%阶段的充电倍率从3C调整为4C，其他不变，故策略4比策略3实际快充时间短。
（2）充入容量：在充入能量相同的情况下，快充容量如图6所示。策略1充入容量为63.6Ah，策略2至策略4为64.5Ah左右。策略1比策略2至4充入容量少的原因为锂离子电池在大电流充电时会产生极化现象，电池极化是由电化学反应物质在电解液和正负电极中传输过程受阻引起的。电池极化会抬高端电压，使电池充电时快速升至截止电压，造成电池充电容量变少。

4.3.2热管理分析
4种快充策略的台架试验，热管理策略都为入水口水温25℃，水流量12L/min，快充开始即开启冷却。以下从充电结束时刻温度、充电过程最高温度、生热与散热功率、温差4个指标进行详细分析。
（1）充电结束时刻温度。策略1在快充结束时刻温度为54℃，已接近55℃的电池许用温度上限，若使用策略1快充后直接启动整车，会使整车动力性下降，冷却开启时间增长和冷却能耗增加，导致整车续驶里程下降；若快充后整车静置或静置保持冷却开启，使电池下降到一定温度再开始使用，这样或增加了时间成本或增加了整车能耗、缩短了续驶里程，而续驶里程恰恰是用户最关心的整车指标之一，故策略1存在较大劣势。而策略2至策略4的结束时刻温度为41℃和42℃，远低于使用温度上限，因此，快充后无需静置可直接启动整车，同时也能保证电池性能处在一个较优水平，节省了时间成本和冷却的能耗。
（2）最高温度：最高温度及电流如图7所示。

从图7中可以看出，4C和3C充电阶段电池温度是上升的，2C充电阶段温度基本维持不变，1C充电阶段温度在下降。策略1的最高温度达54℃，在4种策略中最高，原因为策略1的平均倍率最大，且4C倍率持续时间最长，故温升最高。策略1在第5min时，电池最高温度已达到50℃，该电池系统50℃开始限功率，此时充电功率降为50%，若策略1搭载实车使用，则快充时间无法保证在12min级。策略2至策略4的试验中，策略3的电池温度最低，为43℃，策略2的电池温度最高，为48℃，已接近限功率值，在整车使用也存在风险，故应考虑从策略3和策略4中选择最佳充电策略。
（3）生热与散热功率：本文根据试验所得充电结束时刻温度和充电过程中的最高温度，通过计算与仿真得到策略1至策略4的平均生热功率与平均散热功率，并对比仿真与试验得到的充电结束时刻温度和充电过程中的最高温度，详细结果见表5。

在策略1至策略4中，策略1的平均生热功率与平均散热功率最大，原因为在电池内阻相同的情况下，策略1的平均电流最大，所以策略1的平均生热功率最大；策略1的温升最高，在冷却策略相同的情况下，策略1的平均散热功率最大。策略3的平均生热功率最小，在电池搭载整车进行充电时，可以适当降低散热功率的使用需求，从而降低整车能耗，因此，考虑选择策略3为最优充电策略。

策略1和策略4温差都超过了10℃，分析原因
(1)内阻一致性：电池生热功率由电流和内阻直接决定，若电池系统内的单体内阻一致性较差，则每个电池单体的温度会有一定的差别，且大电流会“放大”这种差别，而策略1和策略4都有4C充电阶段，故温差较大。
(2)热管理系统设计：该电池包的水冷板与模组接触面并不能完全覆盖模组底面的全部面积，故开启冷却后，每个模组内靠近端板的一个单体底面未能进行冷却，导致每个模组靠近端板位置的单体温度会比其他单体的温度高。因此，策略4温差大，长期使用该策略会使电池一致性变差，故在4种快充策略中，应选定策略3为该电池系统的最优快充策略。

5结论

本文基于马斯三定律，根据目标快充时间，计算并提出4种快充策略，通过仿真和试验，综合对比4种策略的快充时间、充入容量、温度、温差和生热与散热功率6个指标，虽然策略1在充电时间上优于其它三种策略，但策略1充电过程中最高温度已接近电池许用温度上限且温差过大，无法满足整车级别使用需求；策略2至策略4充电时间都在20min级别，策略3在最高温度、结束时刻温度、温差和生热与散热功率5个指标上，都优于其他两种策略，因此选定策略3为4种快充策略中的最优快充策略。