一种低温充电策略在电池系统层级的效果验证
来源|《一种低温充电策略在电池系统层级的效果验证》
来源|电动学堂
当前最普遍的动力电池充电策略是恒流-恒压充电 ， 即首先对电池系统进行恒定电流充电 ， 当电压上升到截止电压后再通过恒压充电的方式补足容量?
然而这种充电策略存在其局限性?我国幅员辽阔 ， 近半地区在冬季气温会达到零下 ， 东北地区甚至会达到零下20℃以下?动力电池关键材料 ， 如正极?负极?电解液等 ， 在低温条件下电导率降低 ， 会使电池整体导电性能下降 ， 导致充电困难?如果不能及时在低温环境下调整充电策略或设置保护程序 ， 普通的充电策略会使电池在低温环境下无法正常充电 ， 正极的锂在充电时不是进入负极层状结构中 ， 而是在负极表面形成锂金属枝晶 ， 产生内短路的安全隐患?
因此在低温充电环境下 ， 采用恒流-恒压充电策略只能通过很低倍率的恒流充电来保证充电安全 ， 充电效率非常差?当前解决低温充电问题的主要方式是通过预热的方法 ， 提前提高电池的温度%但这种方法不仅需要为预热装置提供额外的电源 ， 造成电动汽车结构的复杂以及生产成本增加 ， 还会增加充电的预热时间 ， 影响电动汽车的使用体验 。
本文针对一种动力电池的多阶段充电策略 ， 通过某款动力电池系统的低温充电过程对其有效性进行了验证?基于电动汽车低温充电的实际情况 ， 分析了不同温度和不同起充SOC下该种充电策略的效果?研究表明 ， 该种充电策略在低温下对于电池包具有较好的充电效果?对于低温下的电池系统充电 ， 结合电池单体材料本身的性质 ， 利用温度和电压去综合选择与其电化学状态相适应的充电电流 ， 能够有效解决低温充电效率低下的问题?
1实验方法和技术参数
1.1样品信息
本文选择一款猛酸锂材料体系的电池系统作为实验样品?该样品属于能量型产品 ， 应用于纯电动物流车?就目前情况来看 ， 物流电动化已成为行业共识?物流车在行驶过程中会经常面临着区域广?气候复杂的环境 ， 其中 ， 低温环境下的充电问题对于其电池系统的性能要求是一个严峻考验?样品信息如表1所示?
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1.2实验方法
电池的电化学性能在不同的温度区和电压区间内均存在着差异 ， 在不同的温度和电压区间选择相应倍率大小的电流进行充电有利于最大程度地发挥电池材料体系的优势 ， 因而利用多阶段电流充电的策略成为一个改善低温下电池充电效果的有效方法?本文选择了一种适合于锰酸锂材料体系电池的多阶段充电策略进行实验 ， 验证该充电策略在低温下对于电池系统的充电效果?
(1)室温下 ， 分别将电池系统调节SOC至0%?20%?40%?60%?调节SOC的方法为 ， 按标准充电策略以1C电流恒流充电至电池达到70%SOC ， 转0.4C恒流充电至电池达到85%SOC ， 转0.3C电流恒流充电至任意单体电池达到截至电压 ， 静置30min之后按调整SOC至实验目标值B%的方法：以1C电流恒流放电(100-n)/100h ， 静置1h；
(2)将电池系统置于0、-5和-10℃环境中进行环境适应 ， 要求：在温度低于0'C时 ， 静置时间不少于12h或静置到样品温度与环境温度相差不大于2℃；
(3)用充放电设备按照充电策略控制电流来为电池系统充电 ， 充电电流如表2 ， 其中1C=200A；
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(4)记录充电容量及充电时间?
其中 ， 充电电流的控制原则为：
(1)充电电流的调整通过统计任一充电时刻的电压和温度所在的表格区间确定 ， 改变电流充电直至达到对应区间内的上限电压 ， 期间只要温度区间不变 ， 则电流不变 ， 如：当电池单体温度在20~45℃ ， 最高电压Vmax在3.65~3.95V时 ， 选择1C电流充电 ， 对应充电上限为3.95V ， Vmax＞3.95V时转0.53C或0.4C；电流调整前需要静置10s；不同温度区间对应不同的充电上限电压 ， 5℃以下对应上限电压4.1V ， 5℃及以上对应上限电压4.15V；充电到规定上限后 ， 如果温度没有升高至下一个区间 ， 则按照当前温度区间的电流依次降流充电；0°C以上若以最小电流充电至上限后仍未充满 ， 则增加一步0.1C补电；
(2)任一时刻SOC?温度?电压均为BMS显示数值 ， 其中<20t；时温度以BMS显示单体最低温度tmin为准 ， ≥20℃时以单体最高温度tmax为准；电压以BMS显示最小单元Vmax为准；
【一种低温充电策略在电池系统层级的效果验证】(3)在充电过程中 ， 若存在因精度?环境温度变化等导致的温度变化 ， 如显示tmin（max）进入下一个温度区间后跳变回之前的温度区间 ， 当tmin（max）下降>2℃或下降>1℃且持续时间>10min时则选择前一个温度区间下的对应电流进行充电?
2结果与讨论
2.1不同环境温度下的充电电流
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图1~4分别为起始SOC为0%?20%?40%和60%条件下 ， 使用此充电策略充电的电流-容量曲线?由不同初始SOC起充下的充电电流分布可以看出 ， 当初始SOC较低时(0%?20%) ， 充电电流值变化较大 ， 电流的阶跃较明显；当初始SOC较高时(40%?60%) ， 充电电流值变化较小 ， 且电流的阶跃幅度较小 ， 始终保持一个相对稳定的电流对高SOC下的电池系统进行补电直至充满?此充电策略根据电池单体的温度和最高电压综合决定适合其相应状态下的充电电流倍率 ， 在相同的温度区间内 ， 电池电压越低充电倍率越大；在相同的电压区间内 ， 温度越高充电倍率越大 ， 整体的充电电流分布呈阶梯状?开始阶段电流较小 ， 随着充电电压上升 ， 电池温度上升 ， 电流逐渐增大 ， 最后阶段 ， 电池的温度稳定在相应的温度区间内 ， 电流逐渐减小 ， 进入小电流补电的模式直至将电池系统充满?
综合来看 ， 在整个充电过程中 ， 此充电策略中的充电电流对电池单体的温度和电压起到了正反馈的作用 ， 直到电池系统充到满电状态?
2.2不同环境温度下的充电容
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由表3充电容量记录表可知 ， 电池系统在相同的0%SOC下起充 ， 在不同的低温环境—10?-5和0℃中 ， 充电容量分别为额定容量200Ah的89%?90%和95% ， 均达到89%以上 ， 说明此充电策略在低温环境下具有较好的充电效果?
当电池系统初始状态处于0%SOC?20%SOC时 ， 环境温度越高 ， 充电容量越高?当电池系统初始状态同为40%SOC时 ， -5°C下电池系统在充电过程中进行了5次电流选择 ， 其中最大电流0.25C ， 最小电流为0.1C ， 充电容量为117.75Ah ， 明显高于-10和0℃下的充电容量88.31和104.82Ah ， 由此说明当初始SOC同为40%时 ， 此充电策略在-5℃时能够有效提高电池的充电容量 ， 具有较好的充电效果?当电池初始状态同为60%SOC时 ， -5℃下电池系统在充电过程中仅进行了3次电流选择 ， 其中最大电流为0.12C ， 最小电流为0.1C ， 充电容量为58.17Ah ， 明显低于-10和0℃下的充电容量63.41和66.38Ah?由此说明当初始SOC同为60%时 ， 此充电策略在-50℃时的充电效果较差 ， 具有一定的局限性?
综上可以看出 ， 此充电策略的充电效果在较高的40%SOC?60%SOC条件下 ， 温度不同 ， 充电效果有差异 ， 且不稳定?此充电策略对于不同SOC区间的电池系统 ， 充电效果不同 ， 有一定的局限性?
2.3不同环境温度下的电池温升
一般来说 ， 低温环境下 ， 电池温度越低 ， 充电效果越差 ， 电池温升越低?本文选择的多阶段充电策略是由充电过程中电池的温度和电压共同控制的 ， 所以电池的温升是影响充电效果的一个重要因素?
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⑴表4为电池系统在不同条件下的电池温升情况?由表4可以看出 ， 相同温度条件下 ， 电池系统初始SOC越高 ， 充电时间越短 ， 充电结束时的温升变化越低；当电池系统处于相同初始SOC ， 环境温度为-5和0°C时 ， 电池系统的充电温升基本一致 ， 环境温度为-10℃时 ， 电池系统的充电温升要明显偏低?
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(2)图5?6?7分别为不同环境温度下电池系统的温升曲线 ， 此充电策略下的电池温升呈阶梯状的稳步上升趋势 ， 无大幅度的阶跃?在-5℃环境下 ， 电池系统从不同的初始SOC起充的温升曲线上升趋势一致性较高 ， 说明此温度下该充电策略对于提高电池系统温升的效果较好 ， 受电池箱的初始SOC影响较小?
上述两点说明 ， 在-5℃环境温度充电时 ， 此充电策略对该电池系统充电过程中的温升调节具有较好的影响 ， 增强了充电电流的正反馈作用 ， 从而改善了该温度下的充电效果?
3结论
本文以锰酸锂正极材料体系的动力电池系统为测试对象 ， 对一种根据温度和电压协同调节电流倍率的多阶段充电策略进行了不同温度?不同SOC条件下的充电效果验证 ， 得到以下结论：
(1)不同的低温环境-10?-5和0℃中 ， 电池系统从0%SOC状态下开始充电 ， 充电容量分别为额定容量的89%?90%和95% ， 表明该充电策略在低温环境下表现出较好的充电效果?
(2)相同温度?不同起充SOC的充电测试表明 ， 该充电方法对于初始SOC为0% ， 20%和40%的电池系统充电效果起到较大提升 ， 对于起充SOC为60%的电池系统 ， 充电效果提升有限?
(3)相同SOC ， 不同环境温度的充电测试表明 ， 此策略增强了充电电流对于电池系统的正反馈作用 ， 有利于电池系统在低温环境下的温升调节 ， 从而改善其低温充电效果?
该种多阶段充电策略为解决电池系统低温环境下充电效率低下的问题提供了一种解决办法?通过更多电池体系的测试和验证 ， 进一步优化不同阶段的充电电流和限制条件 ， 可以使充电效果进一步提高?
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