電動汽車低溫充電性能的研究與分析

黃 炘，陳麗雪，李 川，李 津，王朝暉，李 楊

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

近些年，新能源汽車發展快速，截至2019年6月，全國新能源汽車保有量達344萬輛，占汽車總量的1.37%，相比2018年同期增加145萬輛，增長72.85%。但在取得如此成績的同時，也暴露出了越來越多的問題，其中充電問題成為了制約新能源汽車發展的重要因素［1］。

由于我國幅員遼闊，電動汽車遍布全國各地，其中我國西北和東北地區冬季時間長且高寒，而新能源汽車在低溫環境下存在續駛里程大幅縮短、充電時間加長、動力性下降等問題，給用戶的使用帶來不便，嚴重引發用戶抱怨，導致其在高寒地區的推廣應用較少。低溫環境下充電性能的降低，會影響高寒地區電動汽車的普及與發展。

國內外已對電池包 （零部件級）的極限環境充電展開研究，例如：文獻［2］研究了電動汽車鋰離子電池低溫充電的老化規律；文獻［3］采用極限電流對鉛酸電池充放電特性進行研究，提出鉛酸電池的低溫充電改進方法；文獻［4］研究了電池組低溫環境下充電控制設計與驗證。但整車結構復雜，對單體電池或電池包的研究并不能完全模擬整車級的充電性能的表現。文獻［5］研究了鋰離子動力電池低溫性能，證明了無定型碳包敷負極復合材料可以實現動力鋰離子在低溫下充放；文獻［6］研究了高低溫電動汽車用磷酸鐵鋰電池工作模型。

本文以電動汽車整車為研究對象，采用《EV-Test電動汽車測評管理規則 （2019版）》低溫充電測試方法，對不同品牌不同型號車輛進行低溫環境充電試驗，記錄充電過程電壓、電流、功率及充電報文數據，分析低溫環境下電動汽車充電性能。本文將從充電時間、充電能量、充電電流上升趨勢、最大充電電流，以及通信協議報文BCL、BCS、BMS電壓電流與電池溫度和SOC的關系這幾個方面，進行低溫充電性能的研究與分析。

1 試驗

1.1 試驗平臺

通過環境倉模擬高溫、高寒等環境，以及采用“三高”試驗場真實工況，利用能量計量裝置、波形記錄儀、CAN通信采集裝置、故障模擬裝置等，實現各種極限環境下充電信號采集 （電壓、電流、功率、能量、報文等）。

其中，交流充電設備為7kW充電樁，直流充電設備為120kW，額定電流250A的直流充電樁。環境倉為66m3的溫度沖擊試驗箱。圖1為試驗平臺簡易圖。

1.2 試驗方法

本文試驗方法出自《EV-Test電動汽車測評管理規則（2019版）》。

1.2.1 試驗條件

交流充電設備規格：7kW交流充電設備；直流充電設備規格：不低于120kW的直流充電設備；所有充電設備均應符合GB／T 34657.1-2017、GB／T 34658-2017、GB／T 20234.1-2015、GB／T 20234.2－2015和GB／T 20234.3－2015要求。

圖1 試驗平臺簡易圖

1.2.2 車輛預處理

試驗前動力蓄電池放電。首先，試驗車輛以30min最高車速的70%±5%的穩定車速行駛，使車輛的動力蓄電池放電。放電在車速不能達到30min最高車速的65%時結束。

1.2.3 試驗流程

1）低溫－10℃充電：車輛充電前應在－10℃環境中浸車14～16h，并在此環境下進行測試。對交流充電試驗，先插入供電端插頭，再插入車輛端插頭，然后操作充電樁開始充電，檢查車輛的充電狀態；車輛均應啟動充電，充電過程中，若充電接口配置電子鎖，電子鎖止裝置應保持鎖止。對直流充電試驗，在充電樁與電動汽車之間，以不小于1Hz的采集頻率實時連續記錄充電過程中的電量，記錄充電至80%SOC（依據直流充電通信報文）對應的充電時間t1（單位以h表示，數值精確到小數點后兩位）與充電電量E1。

2）車輛充電前應在（25±5）℃環境中浸車12h以上，并在此環境下進行測試。在充電樁與電動汽車之間，以不小于1Hz的采集頻率實時連續記錄充電過程中的電量，記錄80%SOC對應的充電時間t2（單位以h表示，數值精確到小數點后兩位）和對應的充電電量E2。

2 試驗結果與分析

圖2 試驗現場照片

圖2 為試驗現場照片。本文對7款車型 （1#～7#）按照第1章試驗方法進行低溫與常溫環境下的集體樣車與同一樣車的充電性能分析試驗。利用能量計量裝置采集充電設備輸出，及電動汽車充電輸入電壓、電流、功率等參數，計算充電時間和充電電量；利用波形記錄儀，記錄在低溫環境下交流充電啟動波形；通過CAN通信采集裝置記錄充電全過程GB／T 27930－2015通信報文，對通信報文進行解析處理，分析報文BCL、BCS、CCS電壓電流與BCP電池最高、最低溫度及SOC值的關系。

2.1 集體樣車實驗結果

2.1.1 低溫環境下交流充電結果

車輛進行放電后，在－10℃環境倉中浸車，達到浸車時間后，采用7kW交流充電樁進行試驗。通過對每一樣車進行試驗后，試驗結果7輛樣車都可以正常啟動充電。圖3為某樣車交流啟動充電波形。

圖3 某樣車交流啟動充電波形

2.1.2 低溫與常溫環境下直流充電結果

7輛樣車的低溫、常溫充電時間、充電能量數據見表1。通過數據可知，低溫環境下，大部分車輛 （6／7）的充電時間與室溫相比都有所增加，1#樣車的衰減比例最大，可達2.55。時間衰減比例越小，低溫充電時間與常溫充電時間差距更小，充電性能更好；低溫環境下充電電量相比室溫條件也有一定的衰減，6#樣車電量衰減程度最高，衰減率為0.815。但4#和5#樣車低溫充電電量要高于常溫充電電量，這是由于低溫充電策略不同，此2輛樣車電池預熱消耗了更多能量，導致低溫充電電量高于常溫充電電量。低溫充電時間衰減比例、電量衰減比例圖見圖4。

其中，低溫充電時間衰減比例系數

式中：v——充電速率。樣車充電速率結果見表2。

2.2 樣車不同溫度對比試驗結果

通過CAN信號采集裝置，可采集車樁充電通信報文。根據GB／T 27930－2015，可解析BCL電池充電需求、BCS電池充電總狀態、CCS充電機充電狀態、BSM動力蓄電池狀態信息，分析低溫環境下電池需求電流與SOC、動力蓄電池的關系，對比低溫環境和常溫環境下充電性能的區別。通信報文對應包含試驗所需物理量統計表見表3。

表1 低溫、常溫充電時間、充電能量

圖4 衰減比例統計

表2 試驗樣車充電速率

以4#樣車為例，分析充電通信協議報文。低溫環境下BCL、BCS、CCS和能量計電壓和電流曲線見圖5。從圖5可以看出，BCS、CCS、能量計電壓幾乎完全吻合。而BCS電流與能量計電流會有略微的差別。即，動力蓄電池電流小于充電樁輸出電流，充電一段時間內BCS電流與能量計采集電流對比見表4，在此時間段內能量計電流高于BCS電流約6A。此部分電流受整車充電策略調配，可用于加熱動力電池溫度，這也體現了動力電池的充電效率。

表3 充電通信報文分類

圖5 BCL、BCS、CCS和能量計電壓和電流曲線

表4 BCS電流與能量計電流差值

通過圖5也可知，當動力電池溫度越接近標稱溫度，充電電流也越大，盡可能縮短充電時間，又要降低對動力電池的壽命損耗。

圖6和圖7分別是低溫、常溫環境下BCL電壓電流與BSM最高、最低蓄電池溫度的關系曲線圖。分析兩種環境下充電過程中動力蓄電池的溫度，在常溫下，最高、最低動力電池溫度基本一致，而在低溫環境下，最高、最低動力電池溫度有明顯的差值，表明在低溫環境充電過程中，動力電池包溫度不均衡；從需求電流趨勢角度來看，在常溫條件下，需求電流隨時間下降，在低溫環境下，需求電流不斷增加。增長趨勢的不同是由動力電池的溫度和當前電池SOC值共同決定。

圖6 低溫環境下BCL與BSM關鍵參數的關系曲線圖

圖7 常溫環境下BCL與BSM關鍵參數的關系曲線圖

圖8 是低溫、常溫環境下BCS電壓電流與電池SOC的關系曲線圖。從圖8可知：在低溫、常溫環境下，車輛達到充電結束條件時 （80%SOC），BCS的電壓值相同，都為392V；常溫環境下充電電流隨著充電時間而減小，與低溫環境下充電電流趨勢相反；常溫環境下最高充電電流可達180A，而在低溫情況下，最高電流僅有94.1A。

3 總結

圖8 低溫、常溫環境下BCS電壓電流與電池SOC的關系曲線圖

本文以電動汽車整車為研究對象，對7輛樣車進行低溫環境充電試驗，記錄充電過程電壓、電流、功率及充電報文數據，分析低溫環境下電動汽車充電性能。通過試驗結果可知：①從集體樣車試驗情況分析，在低溫環境下都可以正常啟動交流充電，大部分試驗車輛充電電量和常溫對比有一定的衰減，充電時間有一定的增加；②從同一樣車不同溫度對比試驗情況分析，低溫、常溫環境下，充電電流上升趨勢相反，電池輸入電流小于能量計采集充電樁輸出的電力，在低溫環境下電池溫度不均，最大充電電流有所降低。