張順義， 王傳義， 趙有為

（徐州徐工汽車(chē)制造有限公司， 江蘇 徐州 221100）

新能源領(lǐng)域是商用車(chē)市場(chǎng)未來(lái)主要競(jìng)爭(zhēng)賽道之一。在國(guó)家節(jié)能減排政策的驅(qū)動(dòng)下，商用車(chē)的電動(dòng)化轉(zhuǎn)型勢(shì)在必行、刻不容緩。發(fā)展純電動(dòng)重卡是中國(guó)邁向“交通強(qiáng)國(guó)”的必由之路，也是實(shí)現(xiàn)“雙碳”背景下可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略舉措。商用車(chē)的電動(dòng)化是從傳統(tǒng)車(chē)的電動(dòng)化、關(guān)鍵總成數(shù)字化、智能化到電動(dòng)平臺(tái)的專(zhuān)屬化逐漸演變。

一汽解放汽車(chē)有限公司在2021年9月發(fā)布了新能源“15333”戰(zhàn)略，在純電、混動(dòng)、燃料電池幾條技術(shù)路線上均有布局，產(chǎn)品涵蓋重、中、輕、微、客等5大平臺(tái)，場(chǎng)景覆蓋了牽引、渣土、混凝土攪拌運(yùn)輸、環(huán)衛(wèi)、城市物流、城市公交等多種場(chǎng)景。目前新能源商用車(chē)的銷(xiāo)量快速提升，最具代表的是換電牽引車(chē)（圖1）。拋開(kāi)最重要的安全性不說(shuō)，續(xù)航里程和快速充/換電技術(shù)是客戶最關(guān)心的方面。如何能夠快速充電，以及如何降低充電能量損失已經(jīng)成為了各主機(jī)廠和電池廠的研究課題。目前國(guó)內(nèi)新能源商用車(chē)幾乎都是采用磷酸鐵鋰（LFP） 作為動(dòng)力電池。本文研究對(duì)象建立在LFP動(dòng)力電池的基礎(chǔ)之上。

圖1 新能源重卡后背式充換電牽引車(chē)

1 新能源車(chē)型電池充電分析

電池充電時(shí)間的長(zhǎng)短取決于充電樁和電池的匹配程度，以及電池自身的能力，即電池系統(tǒng)容量和充電倍率。目前中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的充電樁最大允許充電電流是單槍250A，雙槍400A。

舉例來(lái)說(shuō)，徐工新能源重卡牽引車(chē)匹配一線電池大廠的282kWh電池方案，參數(shù)見(jiàn)表1，電池系統(tǒng)電容460Ah，雙支路充電電流400A，1C充電，理論充滿時(shí)間H=460Ah/400A，大約70min，但是整個(gè)充電階段，根據(jù)SOC、環(huán)境溫度不同，電池并不是一直按照1C倍率充電，實(shí)際是按照策略充電。

表1 電池系統(tǒng)參數(shù)表

由BMS發(fā)送允許充電電流請(qǐng)求，單槍限值=Min（250）；雙槍限值=Min（400）。因此，參照充電請(qǐng)求電流表（表2），在20℃下，0～100%SOC充滿，實(shí)際用時(shí)約1.5h。這個(gè)時(shí)長(zhǎng)，對(duì)于特殊使用場(chǎng)景下的客戶是難以接受的。

表2 充電請(qǐng)求電流表 A

不同車(chē)企的充電策略不同，以充換電牽引車(chē)為例，采用175Ah電芯，雙支路，充電策略分兩部分。

1） BMS對(duì)充電樁發(fā)送充電請(qǐng)求（表2）：25℃，0～80%SOC時(shí)，1C充電，80%～100%SOC時(shí)，0.8C充電。

2） 末端充電流程（電壓過(guò)高開(kāi)始限充電電流），BMS是根據(jù)單體最高電芯電壓來(lái)進(jìn)行降電流控制的：①當(dāng)Umax＞3.5V，最大充電電流不能＞0.75C；②當(dāng)Umax＞3.525V，最大充電電流不能超過(guò)0.5C；③當(dāng)Umax＞3.55V，最大充電電流在0.2C和40A之間取?。虎軉误w最高電壓達(dá)到3.7V，停止充電。

2 電池充電時(shí)間縮短方法

重卡換電解決了整車(chē)長(zhǎng)時(shí)間充電給運(yùn)營(yíng)商或車(chē)主帶來(lái)的等待時(shí)間。后背式換電框架通過(guò)換電站，使整車(chē)換電時(shí)間控制在5min之內(nèi)。但電池本身容量沒(méi)變，充電的時(shí)間沒(méi)有變化，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，影響充電時(shí)間的因素如下。

1） 電池系統(tǒng)容量和充電倍率。容量和倍率都取決于電芯特性，這一層面需要選用或開(kāi)發(fā)容量/倍率更高的電芯（電池）。能量型電池1C充電，電芯容量不同，允許充電電流不同，比如175Ah電芯，單支路單槍允許充電電流175A，雙支路雙槍允許充電電流350A；230Ah電芯，單支路單槍允許充電電流230A，雙支路雙槍允許充電電流400A（充電樁限電流）。

2） BMS充電策略調(diào)整。根據(jù)SOC區(qū)間不同，調(diào)高充電電流值，需要電池自身能力和溫控（水冷機(jī)組） 重新匹配，目前提升效果不大。

3） 根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同，特制非國(guó)標(biāo)要求的充電樁，改大充電電流，同時(shí)需考慮電池水冷配足。另外，市面上存在的3槍或4槍充電，適用于大電量的電池系統(tǒng)充電需求，相同時(shí)間內(nèi)充進(jìn)去的電量多，不代表282kWh電池系統(tǒng)多槍充電更快。

根據(jù)功率P=UI可見(jiàn)，提高電池系統(tǒng)電壓到800V，在電流不變的情況下，單位時(shí)間內(nèi)可充入更多的電量；但是電池的充電時(shí)間取決于充電倍率，充電倍率C=充電電流I/系統(tǒng)容量Ah，可見(jiàn)充電時(shí)間取決于充電電流，與電壓無(wú)關(guān)[1]。

要加快充電時(shí)間有兩個(gè)辦法：①如果電池系統(tǒng)容量允許（兩支路是460Ah），可以加大充電電流到460A；②選用功率型電池，電池自身允許的充電倍率提高到2C或者更大，充電時(shí)間可節(jié)省近一半。

3 充電過(guò)程中的能量損失

電池系統(tǒng)充電過(guò)程中產(chǎn)生的損耗可概括為3個(gè)部分。

1） 高低電壓轉(zhuǎn)化過(guò)程中的能量損耗。DC-DC大電池為小電池充電的損耗，主要是用于大電池給小電池充電，充電過(guò)程中，P=I2×R，整個(gè)回路的線束、電池、插接件等都有內(nèi)阻。電池在充放電循環(huán)過(guò)程中充入和放出的能量分別為：

式中：Vch、Vdis——充、放電電壓；Ich、Idis——充、放電電壓；1——1次循環(huán)充電和放電時(shí)間；Ech——1次循環(huán)中充入的能量；Edis——1次循環(huán)中放出的能量。用充入能量與放出能量之差來(lái)表示測(cè)試電池在一個(gè)完整循環(huán)中的能量損失。這是一個(gè)固有損耗，慢充、快充以及車(chē)輛在行駛過(guò)程中充電都有這項(xiàng)損耗。

2） 電池散熱或者加熱的損耗。在慢充和快充過(guò)程中，伴隨電化學(xué)反應(yīng)時(shí)的吸熱或放熱，會(huì)有電池降溫或者電池升溫情況出現(xiàn)，或者在充放電過(guò)程中，由電池內(nèi)阻和極化內(nèi)阻等因素產(chǎn)生的熱量也會(huì)造成損耗。能量損失的比例可作為電池好壞的一個(gè)指標(biāo)，其值越低，則電池健康狀態(tài)越好。

過(guò)電壓和放電倍率是直接影響電池?zé)崃看笮〉囊蛩?，也是在充電過(guò)程中匹配冷水機(jī)組需考慮的主要因素。隨著循環(huán)次數(shù)增多以及放電倍率增大，電池的過(guò)電壓增高，能量損失率越高。

水冷機(jī)組是新能源整車(chē)系統(tǒng)的重要組成部分，用來(lái)滿足電池包制冷需求。水冷機(jī)組主要是由壓縮機(jī)、冷凝器、冷凝風(fēng)扇、水泵、板式換熱器組成，可以輸出低溫冷卻液來(lái)持續(xù)地冷卻電池包。

3） 充電機(jī)轉(zhuǎn)換損耗。這個(gè)損耗只有慢充有，具體要看充電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，快充沒(méi)有這個(gè)損耗。

總的來(lái)說(shuō)，一般情況，充電損耗應(yīng)該是在10%以?xún)?nèi)，不過(guò)具體損耗度數(shù)不好說(shuō)。比如冬天零下十幾二十度，充電損耗肯定更大[2]。

充電電流從充電樁（槍?zhuān)?到整車(chē)充電座到電池BDU到達(dá)電池箱，目前充電樁默認(rèn)最大允許充電電流，單槍250A，雙槍400A，3槍4槍同時(shí)充電時(shí)，單槍最大電流都是可以協(xié)議定制的，若調(diào)高充電電流需考慮樁和電池雙方的承載能力。

充電過(guò)程中，到了協(xié)議標(biāo)定的界限，BMS會(huì)發(fā)出開(kāi)啟水冷的請(qǐng)求，由電池供電給水冷機(jī)組降溫。

實(shí)車(chē)方面的數(shù)據(jù)，充電樁充電到電池，過(guò)程中的能量損失是7%。

充電樁充電原理參考《GB/T 18487.1—2015 電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求》附錄B.3充電控制過(guò)程[3]。

4 結(jié)論

未來(lái)5年之內(nèi)，液態(tài)鋰離子動(dòng)力電池仍是主流，方形LFP電池仍最適合商用車(chē)。全固態(tài)電池和鋰空氣電池因?yàn)槠涓吣芰棵芏染邆浒l(fā)展前景，但至少需要5～10年的開(kāi)發(fā)周期，且更適用于壽命要求不高的乘用車(chē)領(lǐng)域。電池管理系統(tǒng)功能和性能持續(xù)提升（電池狀態(tài)預(yù)測(cè)精度、功能安全、火情預(yù)警及高壓大電流等），并與VCU結(jié)合更緊密（配合策略及功能轉(zhuǎn)移）。

充電過(guò)程中電芯的溫度升高影響電池的壽命，BMS能監(jiān)控電池箱內(nèi)的所有探針溫度，及時(shí)向冷卻系統(tǒng)發(fā)送冷卻請(qǐng)求。使用正規(guī)廠家生產(chǎn)的電池包，基于正規(guī)大廠給出的可靠的電芯數(shù)據(jù)，保證了電芯性能的一致性，使用安全可靠的BMS系統(tǒng)，搭配使用滿足國(guó)標(biāo)的，能正常響應(yīng)BMS充電請(qǐng)求的直流充電樁對(duì)新能源車(chē)進(jìn)行快充，不會(huì)影響電池的壽命。

影響電池的充電快慢的因素是電池自身特性（電容和放電倍率） 和充電樁的承載能力，同時(shí)需匹配充電過(guò)程中的水冷機(jī)組，以免電池溫度過(guò)高影響電池壽命[4]。