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不同温度下锂离子动力电池快速充电特性

2021-12-17 21:23:04·  来源：环境技术核心期刊  作者：蔡国辉，郑昆，等  
　
主要针对动力电池在不同温度下（-5 ℃、-20 ℃、25 ℃、45 ℃）快速充电特性，设计了试验方案，统计了不同温度下的充电情况，分析了温度对锂离子动力电池快速充
主要针对动力电池在不同温度下（-5 ℃、-20 ℃、25 ℃、45 ℃）快速充电特性，设计了试验方案，统计了不同温度下的充电情况，分析了温度对锂离子动力电池快速充电的影响，得出温度越低或越高、SOC越高，电池充电电流越小；相对于低温和常温，高温对快充的影响最大，可为锂离子动力电池快速充电策略的改进提供指导。
随着石油能源短缺及锂离子电池技术的大力发展，作为电动汽车核心部件之一的锂离子动力电池一直是各国研究的重点。对充电方法的研究是目前电池主要的领域之一，目前的充电方法有常规充电（慢充）和快速充电。常规的充电是使用小电流恒流充电，周期为6-8h，快速充电使用大电流充电，可极大的缩短充电时间，周期一般在1-3h。影响电池充电特性的因素主要有温度、充电电流、充电截止电压等，其中温度包括外界温度和电池内部温度，即外界温度会影响电池的充电特性，同时在电池充电过程中，其内部的化学反应会引起电池内部温度变化，而内部温度的变化又影响电池的性能，因此，认识温度对电池快充特性的影响是十分必要。
充电工作原理
动力电池系统即能量存储装置，由电池单体（刀片电芯）或模组、高压电路、低压电路电池、管理系统（battery managementsystem, BMS）及机械总成等组成。电池管理系统通过与车载充电机或非车载充电机的实时通信或其他信号交互方式实行对充电过程的管理和控制，同时具有监测电池内部的电流、温度、荷电状态（State of Charge,SOC）等参数的功能。SOC是电池剩余电量与其额定（标称）电量的百分比，指电池中剩余电荷的可用状态。
完整的电池充电流程过程包括6个阶段，如图1。在充电过程中，电池管理系统向充电机发送充电指令，充电机根据充电指令来调整充电电流以保证充电过程正常进行。电池管理系统根据充电过程的故障监控是否正常、电池状态（单体电压和温度）是否达到电池管理系统自身设定的充电截止条件以及是否收到充电机中止充电报文来判断是否结束充电。


图1 充电流程图
试验方案
01、试验对象
本文研究的试验对象是2套磷酸铁锂型动力电池系统（分别编号为1#、2#），额定电压318 V，额定容量82 Ah（25 ℃，1C），电池管理系统：设计商为安徽贵博新能源科技有限公司，版本号为S51EV_CANLIST-UPPER；一体式直流充电机（快充桩）：制造商为深圳市核达中远通电源技术有限公司，型号为VPS750160/15K，具有两个快充通道；温度箱：制造商为广州五所环境仪器设备有限公司，型号为EW29065P12WBF。
02、试验步骤
本试验方案选择四个温度点进行测试：高温（45 ℃）、常温（25 ℃）、低温（-5 ℃、-20 ℃）。提供低压放电回路闭合所需的12 V直流稳压电源，监测上位机向电池管理系统发送行驶模拟指令，放电回路继电器闭合。试验主要步骤如下，试验框图见图2所示（以1#电池示例）：
1）试验前对动力电池进行标准放电（放空）；
2）将动力电池放入温度箱中，并按照要求与快充桩、监控电脑连接；
3）温度箱开机，调节温度箱温度至-5 ℃，动力电池在非工作状态下保持，使其内部的平均温度在-5 ℃；
4）按照快充低压线束定义，将电池快充点火正、负，快充环路互锁信号、快充CAN-H、CAN-L信号正确连接；
5）插入充电枪，启动快充桩进行快充，至充满电；
6）标准放电（放空）；
7）调节温度箱温度至-20 ℃、45 ℃、25 ℃，并分别重复步骤3）-5）；
注：a）标准放电（放空）：以82 A（1C）放电至240 V（或有单串电压2.75 V保护）截止；b）充满：充电至最大单体电压≥4.25 V截止。

图2 试验结构框图
结果分析
在对电池充入相同的电量下，为减少快速充电的时间，应增大充电电流。通过对试验数据的处理、分析，不同温度下锂离子动力电池的快充曲线见图3所示，2个电池在每个温度点的充电电流均出现阶梯性变化。
低温下（-20 ℃、-5 ℃）充电电流变化趋势是小→大→小，在低温初始段，电池内部的温度（单体最高温度）较低，随着充电继续进行，电池内部温度逐步升高，在常温20 ℃左右，充电电流达到最大（100 A），当电池内部温度达到30 ℃左右时，充电电流再次降低，此时电池SOC已达到90%，随后充电电流再逐步减少直至充满。
常温（25 ℃）和高温（45 ℃）时充电电流变化趋势均是大→小，常温初始段的电流达（100 A），当电池内部温度达到40 ℃左右时，充电电流降低至65 A，在电池SOC充至90%时，此时电池内部温度为44 ℃左右，充电电流再逐步减少至充满。
高温初始段，电池内部的温度较高，此时初始充电电流相对常温较小，充电电流为50 A左右，随着电池内部温度逐步升高，充电电流逐步降低，当电池SOC充至90%，充电电流降至最小，此时电池内部温度达到54 ℃，随后电池以最小电流充电至充满。
以上分析可得，锂离子动力电池在不同温度下的充电电流与电池内部温度和电池当前SOC有关。电池内部温度越低、SOC越高，电池充电电流越小；电池温度过高，存在安全隐患，因此电池的充电电流也会降低。
（a）-20 ℃ （b） -5 ℃
（c）25 ℃ （d）45 ℃
图3 不同温度下电池充电曲线
各个温度下2个电池充电时间见表1所示。在常温下，从0%SOC~100%SOC该电池快速充电耗时约1.5 h，达到了快速充电目的。对比1#、2#电池每个温度条件下的充电时间发现，常温25 ℃下的充电时间整体最短，低温次之，高温的快充时间最长，说明高温对快充的影响最大，即温度越高，快充时间越长。
表1 不同温度下锂离子动力电池快充时间
结束语
本文主要针对高温、低温、常温下锂离子动力电池的快速充电特性进行了试验方案设计，经过试验数据分析，得出以下几点结论，可为锂离子动力电池快速充电策略的改进提供指导：
1）电池充电电流受温度影响，温度越低、越高，电流均越小；
2）电池充电电流受电池当前SOC影响，SOC越高，电流越小；
3）相对于低温和常温，高温对快充的影响最大。
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