新型动力电池低温加热策略

焦红星,张延星,冯世杰.新型动力电池低温加热策略[J].汽车工程师,2021(08):22-25+29.

摘要：

为了解决某量产车型动力电池低温加热过程中，加热模式转换至充电加热模式预充失败导致停止充电问题，文章在原有策略基础上改进，提出了一种包含加热、充电加热及电模式的加热策略，优化模式转换过程中预充策略，增加正极继电器、加热继电器粘连检测，充电机有无输出保护策略，并通过台架进行验证。

2001 年，我国启动了新能源汽车专项，明确提出纯电驱动是国家战略，在国家多项产业政策的扶持下，我国新能源汽车产业得到了快速发展。目前，安全、续航、充电及价格等是限制电动汽车发展的主要因素，以上4 个因素都与电池相关。由此不难看出，动力电池在整车中占据了重要的地位，是电动汽车关键部件之一[1]。电池充放电过程属化学反应，与温度相关。低温条件下，电池电化学反应活性降低。动力电池低温特性阻碍了其在北方地区的发展[2]。为了保证低温条件下电池能够正常充电，需要制定低温充电策略。文章选取某新能源汽车为研究对象，通过分析已有的低温加热策略，发现其存在一定的问题风险，分析后改进低温下交流加热策略并通过台架验证，试验结果表明，采用新型低温交流充电加热策略能有效避险初始方案存在的风险。

1  动力电池热管理系统

冬季低温条件下，电池活性变差，负极材料石墨嵌锂能力下降，采用大电流充电则会出现析锂进而刺破隔膜，影响充电安全和效率。因此，为了提高动力电池低温充电性能，需要对电池进行加热升温。常见的加热方式有 3 种：电加热膜、PTC 加热及液热。加热膜和PTC 属于电阻加热方式，一般是将金属加热丝封装于绝缘层内，金属丝通电之后发热可对电池系统进行加热[3]。PTC 加热器也是电阻加热的一种，但是它的电阻会随自身温度的升高而增大，从而达到恒温加热效果。液热则是通过整车 PTC 加热部件将冷却液加热到一定温度，利用主动液冷系统对电池系统加热的一种方式。

2  PTC 加热电路设计

在动力电源系统中，加热回路主要由加热片、加热继电器、加热熔断器构成，加热电路两端电压检测为后续优化电路增加部分，主要在于判断加热继电器是否粘连。加热回路与动力电池充放电回路并联，对于电池包，充电回路与放电回路不做区分，如图 1 所示。

3  传统加热策略

进入充电模式后，BMS 判断电池温度，当单体电池最小温度 Tmin≥5℃时，进入充电模式。当单体电池最小温度 Tmin≤0℃时，进入加热模式，BMS 控制加热继电器闭合，请求充电电压、电流，此时请求电压按照动力电池包最大 Pack 电压 166 V，电流为 166 V/ 加热片电阻，车载充电机响应 BMS 的电压和电流请求并按照较小值输出。当单体电池最小温度满足 0＜Tmin＜5 ℃时，进入充电加热模式，BMS 请求电流为动力电池允许充电电流与加热片消耗电流之和，加热片工作电压应与电池包电压相当。此策略风险在于加热模式下，电池温度达到充电温度 1℃后，BMS 请求电压为 （Pack 电压+5 V），电流为 Pack 电压 / 加热片电阻，车载充电机响应 BMS 的电压和电流请求并按照较小值输出，策略最初目的是为了省略预充过程，但此种方法存在预充失败的可能，导致加热转入充电加热模式过程中转换失败，充电停止。根本原因在于加热片随着温度上升，电阻增加，BMS 请求电流随着加热片电阻变化而变化，当请求电流与电压相比较小时，充电机响应电流请求，输出电压较小，此时预充失败。针对此风险，对原始低温加热策略进行优化，如图 2 所示。

4  新型加热策略

新型加热策略如图 3 所示。为防止加热模式转充电加热模式时出现预充失败导致充电停止，策略优化如下。加热模式下，单体电池温度达到 1℃，BMS 断开加热继电器，请求电压电流均为 0，使得充电机处于唤醒但无输出状态（此过程不宜超过 2 min，避免触发充电机 2 min 无输出休眠策略），BMS 控制预充继电器闭合进行预充过程，此策略不会因为加热片电阻变化或者 Pack 电压变化而出现预充失败的可能。另外，原始策略存在充电加热过程中充电机无输出导致动力电池输出供给电池加热的风险，新型策略中增加如下保护策略，在加热模式与充电加热模式转换过程中，BMS 检测到车载充电机输出 2 A 电流后方可闭合加热继电器。同时，为了避免加热继电器故障，增加加热继电器故障判断策略，闭合加热继电器后，等待充电机输出电压（外总压 1）＞50 V 后，若检测加热继电器粘连检测点电压（外总压 2）＜10 V，表示加热回路断开，上报“加热继电器故障”，关闭充电机，进行故障下电；若外总压2＞10 V，表示加热回路正常闭合，正常进入加热模式（或充电加热模式），对电池进行加热。动力电池放电过程中，如果加热继电器粘连，则会造成动力电池持续给加热片供电，因此增加加热继电器粘连检测策略，充放电过程中，CAN 报文“加热接触器状态”为“0—断开”时，若外总压 2＞100 V 且持续时间大于 2 s，BMS 通过CAN 网络发送“加热继电器粘连报警”。

原始策略中未增加充电加热过程中电池温度降低如何解决，优化后的策略中增加保护策略，加热过程中加热片满功率工作，电池温度呈现上升趋势，充电加热过程中由于加热片与动力电池并联，加热片受制于电池电压不能满功率工作，外界温度过低情况下会出现处于加热片虽工作，但电池温度下降的情况，为此策略中加入当单体温度低于一定值后重新进入加热模式。

原始策略中未提及加热片过温报警，优化后策略增加此保护策略。加热过程中加热片温度＞59 ℃，最高允许充电电压调整为 144 V，降功率加热，加热片温度＜40 ℃后，恢复最高允许充电电压 166 V，请求电流8 A。加热片温度＞67 ℃，最高允许充电电压 0，充电电流 0，S2 不断，保持加热继电器闭合状态，加热片温度＜40 ℃后恢复最高允许充电电压 144 V，充电电流8 A。加热片温度 >70 ℃，停止加热，断开 S2 开关，断开加热继电器，进行故障下电。边充电边加热过程中加热片温度＞59 ℃（温度过高 1 级报警），只报警不处理；加热片温度＞67 ℃（温度过高 2 级报警），停止加热，断开加热继电器，只充电；加热片温度＞69 ℃（温度过高 3级报警），断开所有继电器，断开 S2，充电错误。

5  策略验证

5.1 试验对象

某纯电动汽车软包动力电池，额定容量为 138 Ah，额定电压 148 V。

5.2 试验设备

电池模拟器（双通道），型号：2*800 A/800 V。

步入式高低温交变湿热箱，型号：MP2HS-15-SCT/WC。

5.3 测试工况

环境温度 -15℃，电池最低温度（-15±2）℃，加热充电测试，试验过程中加热片温度报警测试及加热到充电加热转换过程。

5.4 试验结果

如图 4 所示，当单体电池最小温度 Tmin=-15 ℃时，插抢后进入加热模式，CP 值为 21%，表示此时是模式 2充电。正极继电器处于断开状态，加热继电器闭合，BMS 请求电压为 166 V，16 A，电池加热状态为 1，正在加热，与策略一致。

如图 5 所示，加热过程中加热片温度达到 60℃，超过一级报警值 59℃，按照策略执行，加热过程中加热片温度＞59℃，最高允许充电电压调整为 144 V，降功率加热。

如图 6 所示，Tmin≥1℃，BMS 发送电池加热请求00，即未加热，充电控制指令停止，加热完成，进入充电加热模式。BMS 请求电压 0，请求电流 0，5 s 内实时判断后端电压≤60 V，BMS 控制加热接触器断开后发送加热接触器状态 0，之后预充继电器闭合，进行预充上电，高压上电后，BMS 发送充电控制指令开始，充电机按照指令输出，检测到充电机输出电流＞2 A 后加热继电器闭合，测试结果与策略一致。

6  结论

文章对传统低温加热策略进行分析，指出存在加热模式转换至充电加热模式预充失败的风险，并提出新型低温交流充电加热策略，通过搭建台架，在 -15℃环境舱中测试。试验结果表明，采用新型策略，在加热转换到边充电边加热模式时，断开加热继电器，按照充电上电过程进行上电，避免出现预充失败故障，与策略一致。文章提出的新型动力电池低温加热策略有效地避免了低温充电过程中模式转换失败的风险，确保电动汽车在极端条下的充电稳定性及安全性。