黃 炘，陳麗雪，李 川，李 津，王朝暉，李 楊

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

近些年，新能源汽車發(fā)展快速，截至2019年6月，全國新能源汽車保有量達(dá)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(shí)，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(fā)展的重要因素［1］。

由于我國幅員遼闊，電動(dòng)汽車遍布全國各地，其中我國西北和東北地區(qū)冬季時(shí)間長且高寒，而新能源汽車在低溫環(huán)境下存在續(xù)駛里程大幅縮短、充電時(shí)間加長、動(dòng)力性下降等問題，給用戶的使用帶來不便，嚴(yán)重引發(fā)用戶抱怨，導(dǎo)致其在高寒地區(qū)的推廣應(yīng)用較少。低溫環(huán)境下充電性能的降低，會(huì)影響高寒地區(qū)電動(dòng)汽車的普及與發(fā)展。

國內(nèi)外已對(duì)電池包 （零部件級(jí)）的極限環(huán)境充電展開研究，例如：文獻(xiàn)［2］研究了電動(dòng)汽車鋰離子電池低溫充電的老化規(guī)律；文獻(xiàn)［3］采用極限電流對(duì)鉛酸電池充放電特性進(jìn)行研究，提出鉛酸電池的低溫充電改進(jìn)方法；文獻(xiàn)［4］研究了電池組低溫環(huán)境下充電控制設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。但整車結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)單體電池或電池包的研究并不能完全模擬整車級(jí)的充電性能的表現(xiàn)。文獻(xiàn)［5］研究了鋰離子動(dòng)力電池低溫性能，證明了無定型碳包敷負(fù)極復(fù)合材料可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力鋰離子在低溫下充放；文獻(xiàn)［6］研究了高低溫電動(dòng)汽車用磷酸鐵鋰電池工作模型。

本文以電動(dòng)汽車整車為研究對(duì)象，采用《EV-Test電動(dòng)汽車測評(píng)管理規(guī)則 （2019版）》低溫充電測試方法，對(duì)不同品牌不同型號(hào)車輛進(jìn)行低溫環(huán)境充電試驗(yàn)，記錄充電過程電壓、電流、功率及充電報(bào)文數(shù)據(jù)，分析低溫環(huán)境下電動(dòng)汽車充電性能。本文將從充電時(shí)間、充電能量、充電電流上升趨勢、最大充電電流，以及通信協(xié)議報(bào)文BCL、BCS、BMS電壓電流與電池溫度和SOC的關(guān)系這幾個(gè)方面，進(jìn)行低溫充電性能的研究與分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

通過環(huán)境倉模擬高溫、高寒等環(huán)境，以及采用“三高”試驗(yàn)場真實(shí)工況，利用能量計(jì)量裝置、波形記錄儀、CAN通信采集裝置、故障模擬裝置等，實(shí)現(xiàn)各種極限環(huán)境下充電信號(hào)采集 （電壓、電流、功率、能量、報(bào)文等）。

其中，交流充電設(shè)備為7kW充電樁，直流充電設(shè)備為120kW，額定電流250A的直流充電樁。環(huán)境倉為66m3的溫度沖擊試驗(yàn)箱。圖1為試驗(yàn)平臺(tái)簡易圖。

1.2 試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)方法出自《EV-Test電動(dòng)汽車測評(píng)管理規(guī)則（2019版）》。

1.2.1 試驗(yàn)條件

交流充電設(shè)備規(guī)格：7kW交流充電設(shè)備；直流充電設(shè)備規(guī)格：不低于120kW的直流充電設(shè)備；所有充電設(shè)備均應(yīng)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(yàn)平臺(tái)簡易圖

1.2.2 車輛預(yù)處理

試驗(yàn)前動(dòng)力蓄電池放電。首先，試驗(yàn)車輛以30min最高車速的70%±5%的穩(wěn)定車速行駛，使車輛的動(dòng)力蓄電池放電。放電在車速不能達(dá)到30min最高車速的65%時(shí)結(jié)束。

1.2.3 試驗(yàn)流程

1）低溫－10℃充電：車輛充電前應(yīng)在－10℃環(huán)境中浸車14～16h，并在此環(huán)境下進(jìn)行測試。對(duì)交流充電試驗(yàn)，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(tài)；車輛均應(yīng)啟動(dòng)充電，充電過程中，若充電接口配置電子鎖，電子鎖止裝置應(yīng)保持鎖止。對(duì)直流充電試驗(yàn)，在充電樁與電動(dòng)汽車之間，以不小于1Hz的采集頻率實(shí)時(shí)連續(xù)記錄充電過程中的電量，記錄充電至80%SOC（依據(jù)直流充電通信報(bào)文）對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間t1（單位以h表示，數(shù)值精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位）與充電電量E1。

2）車輛充電前應(yīng)在（25±5）℃環(huán)境中浸車12h以上，并在此環(huán)境下進(jìn)行測試。在充電樁與電動(dòng)汽車之間，以不小于1Hz的采集頻率實(shí)時(shí)連續(xù)記錄充電過程中的電量，記錄80%SOC對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間t2（單位以h表示，數(shù)值精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位）和對(duì)應(yīng)的充電電量E2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場照片

圖2 為試驗(yàn)現(xiàn)場照片。本文對(duì)7款車型 （1#～7#）按照第1章試驗(yàn)方法進(jìn)行低溫與常溫環(huán)境下的集體樣車與同一樣車的充電性能分析試驗(yàn)。利用能量計(jì)量裝置采集充電設(shè)備輸出，及電動(dòng)汽車充電輸入電壓、電流、功率等參數(shù)，計(jì)算充電時(shí)間和充電電量；利用波形記錄儀，記錄在低溫環(huán)境下交流充電啟動(dòng)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(bào)文，對(duì)通信報(bào)文進(jìn)行解析處理，分析報(bào)文BCL、BCS、CCS電壓電流與BCP電池最高、最低溫度及SOC值的關(guān)系。

2.1 集體樣車實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 低溫環(huán)境下交流充電結(jié)果

車輛進(jìn)行放電后，在－10℃環(huán)境倉中浸車，達(dá)到浸車時(shí)間后，采用7kW交流充電樁進(jìn)行試驗(yàn)。通過對(duì)每一樣車進(jìn)行試驗(yàn)后，試驗(yàn)結(jié)果7輛樣車都可以正常啟動(dòng)充電。圖3為某樣車交流啟動(dòng)充電波形。

圖3 某樣車交流啟動(dòng)充電波形

2.1.2 低溫與常溫環(huán)境下直流充電結(jié)果

7輛樣車的低溫、常溫充電時(shí)間、充電能量數(shù)據(jù)見表1。通過數(shù)據(jù)可知，低溫環(huán)境下，大部分車輛 （6／7）的充電時(shí)間與室溫相比都有所增加，1#樣車的衰減比例最大，可達(dá)2.55。時(shí)間衰減比例越小，低溫充電時(shí)間與常溫充電時(shí)間差距更小，充電性能更好；低溫環(huán)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(yù)熱消耗了更多能量，導(dǎo)致低溫充電電量高于常溫充電電量。低溫充電時(shí)間衰減比例、電量衰減比例圖見圖4。

其中，低溫充電時(shí)間衰減比例系數(shù)

式中：v——充電速率。樣車充電速率結(jié)果見表2。

2.2 樣車不同溫度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

通過CAN信號(hào)采集裝置，可采集車樁充電通信報(bào)文。根據(jù)GB／T 27930－2015，可解析BCL電池充電需求、BCS電池充電總狀態(tài)、CCS充電機(jī)充電狀態(tài)、BSM動(dòng)力蓄電池狀態(tài)信息，分析低溫環(huán)境下電池需求電流與SOC、動(dòng)力蓄電池的關(guān)系，對(duì)比低溫環(huán)境和常溫環(huán)境下充電性能的區(qū)別。通信報(bào)文對(duì)應(yīng)包含試驗(yàn)所需物理量統(tǒng)計(jì)表見表3。

表1 低溫、常溫充電時(shí)間、充電能量

圖4 衰減比例統(tǒng)計(jì)

表2 試驗(yàn)樣車充電速率

以4#樣車為例，分析充電通信協(xié)議報(bào)文。低溫環(huán)境下BCL、BCS、CCS和能量計(jì)電壓和電流曲線見圖5。從圖5可以看出，BCS、CCS、能量計(jì)電壓幾乎完全吻合。而BCS電流與能量計(jì)電流會(huì)有略微的差別。即，動(dòng)力蓄電池電流小于充電樁輸出電流，充電一段時(shí)間內(nèi)BCS電流與能量計(jì)采集電流對(duì)比見表4，在此時(shí)間段內(nèi)能量計(jì)電流高于BCS電流約6A。此部分電流受整車充電策略調(diào)配，可用于加熱動(dòng)力電池溫度，這也體現(xiàn)了動(dòng)力電池的充電效率。

表3 充電通信報(bào)文分類

圖5 BCL、BCS、CCS和能量計(jì)電壓和電流曲線

表4 BCS電流與能量計(jì)電流差值

通過圖5也可知，當(dāng)動(dòng)力電池溫度越接近標(biāo)稱溫度，充電電流也越大，盡可能縮短充電時(shí)間，又要降低對(duì)動(dòng)力電池的壽命損耗。

圖6和圖7分別是低溫、常溫環(huán)境下BCL電壓電流與BSM最高、最低蓄電池溫度的關(guān)系曲線圖。分析兩種環(huán)境下充電過程中動(dòng)力蓄電池的溫度，在常溫下，最高、最低動(dòng)力電池溫度基本一致，而在低溫環(huán)境下，最高、最低動(dòng)力電池溫度有明顯的差值，表明在低溫環(huán)境充電過程中，動(dòng)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(shí)間下降，在低溫環(huán)境下，需求電流不斷增加。增長趨勢的不同是由動(dòng)力電池的溫度和當(dāng)前電池SOC值共同決定。

圖6 低溫環(huán)境下BCL與BSM關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)系曲線圖

圖7 常溫環(huán)境下BCL與BSM關(guān)鍵參數(shù)的關(guān)系曲線圖

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

3 總結(jié)

圖8 低溫、常溫環(huán)境下BCS電壓電流與電池SOC的關(guān)系曲線圖

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