纯电动汽车高低温充电控制策略测试与研究

前  言

目前，受限于锂离子动力电池高低温特性的影响，高温和低温都将给电池造成不可逆的影响，因此良好的电池热管理控制策略就显得尤为重要，本文重点通过纯电动汽车高低温试验的方法验证热管理控制策略并将其优化完善，以保证动力电池在高低温环境下运行时能处在一个合适的温度条件下，更有利于电池的充放电特性及循环寿命。

1.高低温充电策略分析及试验规划

该纯电动汽车采用的充电策略为：高温充电情况下，压缩机开启，通过风机使冷空气流通为电池仓冷却，通过冷热空气热交换实现电池仓的降温，通过PWM脉冲宽度调制技术控制压缩机开启的频率，进而实现对动力电池高温冷却效果。低温充电情况下，当达到低温阈值时，VMS向充电机发送Powmod模式命令，车载充电机检测到命令后以电源模式工作，PTC开启，为电池仓升温，通过冷热空气热交换实现动力电池低温加热效果。

本次高低温测试采用银河仪器湿热试验箱模拟高低温环境，采用Can数据监控设备实时观测车辆状态，采用模式二充电桩为车辆充电；车辆在试验箱内通过静置超过8小时以上达到与试验箱同温状态，再进行试验操作，给车辆充电以验证充电热管理控制策略，试验示意图如下：



通过设备实时采集车辆Can数据，监测车辆状态、充电机状态、PTC加热器工作状态、压缩机工作状态以及电芯最高最低温度等信息，以实现对充电热管理控制策略的验证与分析。

2.高温充电测试与控制策略优化

高温试验设置温箱环境温度为45℃，车辆静置8小时以上，同温后对车辆进行充电测试，监测电池温度变化情况，电芯最高/最低温度变化情况如下图所示：



由上图可以看出在一段时间内，电池最高/最低温度变化微弱，热管理系统冷却能力偏弱，可能会导致车辆高温环境下充电时间过长，对用户造成不良的车辆充电体验。分析BMS高温冷却控制策略，压缩机PWM控制Map参数为：



可见当电池包最高温度为32℃时压缩机开启，开启时长占比为5%，当最高温度为43℃时，压缩机开启时长占比为95%。电池在温度达到40℃以上时，压缩机工作占比较大，冷却能力较强（90%）；电池温度低于33℃时，压缩机工作占比较小（10%），冷却能力较弱；由此可能导致两个问题：（1）车辆高温充电时长延长。（2）动力电池在温度低于38℃时，满足充电条件，持续冷却增加压缩机负荷，而且造成资源浪费。实际检测数据可见电池冷却效果一般，且电池冷却时长较长，对于夏季用户充电会造成不良的充电感受。

因此建议优化压缩机PWM控制Map参数，考虑到电池温度特性，工作温度最高不高于45摄氏度，且压缩机开启时长占比低于70%情况下，冷却效果一般，电池温度降低不明显，冷却时长较长，故考虑设置压缩机开启阈值为大于70%，设置温度窗口值为38℃-43℃,即当温度高于38摄氏度时压缩机开启，开启时长占比70%，当温度高于43℃时压缩机开启时才占比大于95%。

调整后压缩机PWM控制Map参数为：



优化之后的充电过程电芯温度数据如下图所示：



通过对比分析，压缩机参数优化对于车辆高温充电电池包冷却效果比较明显，在电池最高温度低于38℃时，车辆开始正常充电，有效缩短了车辆高温充电时间，缩小了压缩机负荷。

3.低温充电测试与控制策略优化

低温充电测试设置环境温度为-20℃，车辆静止超过8小时，同温以后对车辆进行充电，检测电池包温度变化情况如下图所示：



充电开始阶段，PTC工作，为电池包加热，提高电池温度，充电控制策略控制电池包温度低于阈值温度1(5℃)时开启PTC加热，充电过程中温度降低至阈值温度2(2℃)时再次开启PTC加热。分析上图可知，充电初期，车载充电机电压提升阶段，PTC介入，电池包高压断开，导致车载充电机输出电压被拉低，后续无法爬升到目标电压，有导致充电失败的隐患。

分析高压继电器控制时序，发现在车载充电机电压爬升阶段断开电池包高压会导致隐患产生，建议优化继电器控制策略，即充电进入冷却控制时序时，BMS发送电源模式后，增加延时T，之后断开电池包高压。

继电器控制时序调整后低温充电控制流程图如下：



策略优化后，增加延时T，充电机电源模式下电压有充足的时间正常爬升至目标电压，之后电池包断开高压，充电机为PTC供电，完成电池包充电加热功能。

实测数据与理论分析一致，电池包初始温度低于温度阈值，满足加热开启条件，测试窗口值，当电池包温度加热到阈值温度1(5℃)时，加热转充电，当电池包温度低于阈值温度2(2℃)时，充电转加热，实测数据如下图所示：



4.总结

本文通过对纯电动车辆高低温充电测试与理论分析相结合的方式研究了车辆在高低温极端条件下的充电热管理控制策略，通过试验以及数据对比分析，优化了两项热管理控制策略：

第一是优化了空调压缩机工作Map表，此项优化可以有效缩短高温充电时间，降低压缩机负荷；

第二是优化低温充电时继电器控制时序，此项优化可以有效保护充电机，确保充电机power模式下的电压成功爬升至目标电压后断开电池包高压，PTC成功加热电池包，有效规避低温充电失败的风险，确保车辆极端条件下的稳定充电和运行。

高低温等环境适应性试验是贯穿汽车研发、生产和使用过程中的一些重要基础性试验，通过极端条件下的试验可以发现车辆在设计过程中的缺陷并且及时有效的采取必要的纠正和预防措施提高汽车的环境适应性能力。电动汽车受限于电池的温度特性，极端温度对车辆性能会产生较大影响，因此环境适应性试验就显得尤为重要。