當(dāng)前最普遍的動力電池充電策略是恒流-恒壓充電，即首先對電池系統(tǒng)進(jìn)行恒定電流充電，當(dāng)電壓上升到截止電壓后再通過恒壓充電的方式補(bǔ)足容量?

然而這種充電策略存在其局限性?我國幅員遼闊，近半地區(qū)在冬季氣溫會達(dá)到零下，東北地區(qū)甚至?xí)_(dá)到零下20℃以下?動力電池關(guān)鍵材料，如正極?負(fù)極?電解液等，在低溫條件下電導(dǎo)率降低，會使電池整體導(dǎo)電性能下降，導(dǎo)致充電困難?如果不能及時在低溫環(huán)境下調(diào)整充電策略或設(shè)置保護(hù)程序，普通的充電策略會使電池在低溫環(huán)境下無法正常充電，正極的鋰在充電時不是進(jìn)入負(fù)極層狀結(jié)構(gòu)中，而是在負(fù)極表面形成鋰金屬枝晶，產(chǎn)生內(nèi)短路的安全隱患?

因此在低溫充電環(huán)境下，采用恒流-恒壓充電策略只能通過很低倍率的恒流充電來保證充電安全，充電效率非常差?當(dāng)前解決低溫充電問題的主要方式是通過預(yù)熱的方法，提前提高電池的溫度%但這種方法不僅需要為預(yù)熱裝置提供額外的電源，造成電動汽車結(jié)構(gòu)的復(fù)雜以及生產(chǎn)成本增加，還會增加充電的預(yù)熱時間，影響電動汽車的使用體驗(yàn)。

本文針對一種動力電池的多階段充電策略，通過某款動力電池系統(tǒng)的低溫充電過程對其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證?基于電動汽車低溫充電的實(shí)際情況，分析了不同溫度和不同起充SOC下該種充電策略的效果?研究表明，該種充電策略在低溫下對于電池包具有較好的充電效果?對于低溫下的電池系統(tǒng)充電，結(jié)合電池單體材料本身的性質(zhì)，利用溫度和電壓去綜合選擇與其電化學(xué)狀態(tài)相適應(yīng)的充電電流，能夠有效解決低溫充電效率低下的問題?

1 實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)參數(shù)

1.1 樣品信息

本文選擇一款猛酸鋰材料體系的電池系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)樣品?該樣品屬于能量型產(chǎn)品，應(yīng)用于純電動物流車?就目前情況來看，物流電動化已成為行業(yè)共識?物流車在行駛過程中會經(jīng)常面臨著區(qū)域廣?氣候復(fù)雜的環(huán)境，其中，低溫環(huán)境下的充電問題對于其電池系統(tǒng)的性能要求是一個嚴(yán)峻考驗(yàn)?樣品信息如表1所示?



1.2 實(shí)驗(yàn)方法

電池的電化學(xué)性能在不同的溫度區(qū)和電壓區(qū)間內(nèi)均存在著差異，在不同的溫度和電壓區(qū)間選擇相應(yīng)倍率大小的電流進(jìn)行充電有利于最大程度地發(fā)揮電池材料體系的優(yōu)勢，因而利用多階段電流充電的策略成為一個改善低溫下電池充電效果的有效方法?本文選擇了一種適合于錳酸鋰材料體系電池的多階段充電策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該充電策略在低溫下對于電池系統(tǒng)的充電效果?

(1)室溫下，分別將電池系統(tǒng)調(diào)節(jié)SOC至0%?20%?40%?60%?調(diào)節(jié)SOC的方法為，按標(biāo)準(zhǔn)充電策略以1C電流恒流充電至電池達(dá)到70%SOC，轉(zhuǎn)0.4C恒流充電至電池達(dá)到85%SOC，轉(zhuǎn)0.3C電流恒流充電至任意單體電池達(dá)到截至電壓，靜置30min之后按調(diào)整SOC至實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值B%的方法：以1C電流恒流放電(100-n)/100h，靜置1h；

(2)將電池系統(tǒng)置于0、-5和-10℃環(huán)境中進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)，要求：在溫度低于0'C時，靜置時間不少于12h或靜置到樣品溫度與環(huán)境溫度相差不大于2℃；

(3)用充放電設(shè)備按照充電策略控制電流來為電池系統(tǒng)充電，充電電流如表2，其中1C=200A；



(4)記錄充電容量及充電時間?

其中，充電電流的控制原則為：

(1)充電電流的調(diào)整通過統(tǒng)計任一充電時刻的電壓和溫度所在的表格區(qū)間確定，改變電流充電直至達(dá)到對應(yīng)區(qū)間內(nèi)的上限電壓，期間只要溫度區(qū)間不變，則電流不變，如：當(dāng)電池單體溫度在20~45℃，最高電壓Vmax在3.65~3.95V時，選擇1C電流充電，對應(yīng)充電上限為3.95V，Vmax＞3.95V時轉(zhuǎn)0.53C或0.4C；電流調(diào)整前需要靜置10s；不同溫度區(qū)間對應(yīng)不同的充電上限電壓，5℃以下對應(yīng)上限電壓4.1V，5℃及以上對應(yīng)上限電壓4.15V；充電到規(guī)定上限后，如果溫度沒有升高至下一個區(qū)間，則按照當(dāng)前溫度區(qū)間的電流依次降流充電；0°C以上若以最小電流充電至上限后仍未充滿，則增加一步0.1C補(bǔ)電；

(2)任一時刻SOC?溫度?電壓均為BMS顯示數(shù)值，其中<20t；時溫度以BMS顯示單體最低溫度tmin為準(zhǔn)，≥20℃時以單體最高溫度tmax為準(zhǔn)；電壓以BMS顯示最小單元Vmax為準(zhǔn)；

(3)在充電過程中，若存在因精度?環(huán)境溫度變化等導(dǎo)致的溫度變化，如顯示tmin（max）進(jìn)入下一個溫度區(qū)間后跳變回之前的溫度區(qū)間，當(dāng)tmin（max）下降>2℃或下降>1℃且持續(xù)時間>10min時則選擇前一個溫度區(qū)間下的對應(yīng)電流進(jìn)行充電?

2 結(jié)果與討論

2.1 不同環(huán)境溫度下的充電電流




圖1~4分別為起始SOC為0%?20%?40%和60%條件下，使用此充電策略充電的電流-容量曲線?由不同初始SOC起充下的充電電流分布可以看出，當(dāng)初始SOC較低時(0%?20%)，充電電流值變化較大，電流的階躍較明顯；當(dāng)初始SOC較高時(40%?60%)，充電電流值變化較小，且電流的階躍幅度較小，始終保持一個相對穩(wěn)定的電流對高SOC下的電池系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)電直至充滿?此充電策略根據(jù)電池單體的溫度和最高電壓綜合決定適合其相應(yīng)狀態(tài)下的充電電流倍率，在相同的溫度區(qū)間內(nèi)，電池電壓越低充電倍率越大；在相同的電壓區(qū)間內(nèi)，溫度越高充電倍率越大，整體的充電電流分布呈階梯狀?開始階段電流較小，隨著充電電壓上升，電池溫度上升，電流逐漸增大，最后階段，電池的溫度穩(wěn)定在相應(yīng)的溫度區(qū)間內(nèi)，電流逐漸減小，進(jìn)入小電流補(bǔ)電的模式直至將電池系統(tǒng)充滿?

綜合來看，在整個充電過程中，此充電策略中的充電電流對電池單體的溫度和電壓起到了正反饋的作用，直到電池系統(tǒng)充到滿電狀態(tài)?

2.2 不同環(huán)境溫度下的充電容



由表3充電容量記錄表可知，電池系統(tǒng)在相同的0%SOC下起充，在不同的低溫環(huán)境—10?-5和0℃中，充電容量分別為額定容量200Ah的89%?90%和95%，均達(dá)到89%以上，說明此充電策略在低溫環(huán)境下具有較好的充電效果?

當(dāng)電池系統(tǒng)初始狀態(tài)處于0%SOC?20%SOC時，環(huán)境溫度越高，充電容量越高?當(dāng)電池系統(tǒng)初始狀態(tài)同為40%SOC時，-5°C下電池系統(tǒng)在充電過程中進(jìn)行了5次電流選擇，其中最大電流0.25C，最小電流為0.1C，充電容量為117.75Ah，明顯高于-10和0℃下的充電容量88.31和104.82Ah，由此說明當(dāng)初始SOC同為40%時，此充電策略在-5℃時能夠有效提高電池的充電容量，具有較好的充電效果?當(dāng)電池初始狀態(tài)同為60%SOC時，-5℃下電池系統(tǒng)在充電過程中僅進(jìn)行了3次電流選擇，其中最大電流為0.12C，最小電流為0.1C，充電容量為58.17Ah，明顯低于-10和0℃下的充電容量63.41和66.38Ah?由此說明當(dāng)初始SOC同為60%時，此充電策略在-50℃時的充電效果較差，具有一定的局限性?

綜上可以看出，此充電策略的充電效果在較高的40%SOC?60%SOC條件下，溫度不同，充電效果有差異，且不穩(wěn)定?此充電策略對于不同SOC區(qū)間的電池系統(tǒng)，充電效果不同，有一定的局限性?

2.3 不同環(huán)境溫度下的電池溫升

一般來說，低溫環(huán)境下，電池溫度越低，充電效果越差，電池溫升越低?本文選擇的多階段充電策略是由充電過程中電池的溫度和電壓共同控制的，所以電池的溫升是影響充電效果的一個重要因素?



⑴表4為電池系統(tǒng)在不同條件下的電池溫升情況?由表4可以看出，相同溫度條件下，電池系統(tǒng)初始SOC越高，充電時間越短，充電結(jié)束時的溫升變化越低；當(dāng)電池系統(tǒng)處于相同初始SOC，環(huán)境溫度為-5和0°C時，電池系統(tǒng)的充電溫升基本一致，環(huán)境溫度為-10℃時，電池系統(tǒng)的充電溫升要明顯偏低?





(2)圖5?6?7分別為不同環(huán)境溫度下電池系統(tǒng)的溫升曲線，此充電策略下的電池溫升呈階梯狀的穩(wěn)步上升趨勢，無大幅度的階躍?在-5℃環(huán)境下，電池系統(tǒng)從不同的初始SOC起充的溫升曲線上升趨勢一致性較高，說明此溫度下該充電策略對于提高電池系統(tǒng)溫升的效果較好，受電池箱的初始SOC影響較小?

上述兩點(diǎn)說明，在-5℃環(huán)境溫度充電時，此充電策略對該電池系統(tǒng)充電過程中的溫升調(diào)節(jié)具有較好的影響，增強(qiáng)了充電電流的正反饋?zhàn)饔?，從而改善了該溫度下的充電效?

3 結(jié)論

本文以錳酸鋰正極材料體系的動力電池系統(tǒng)為測試對象，對一種根據(jù)溫度和電壓協(xié)同調(diào)節(jié)電流倍率的多階段充電策略進(jìn)行了不同溫度?不同SOC條件下的充電效果驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

(1)不同的低溫環(huán)境-10?-5和0℃中，電池系統(tǒng)從0%SOC狀態(tài)下開始充電，充電容量分別為額定容量的89%?90%和95%，表明該充電策略在低溫環(huán)境下表現(xiàn)出較好的充電效果?

(2)相同溫度?不同起充SOC的充電測試表明，該充電方法對于初始SOC為0%，20%和40%的電池系統(tǒng)充電效果起到較大提升，對于起充SOC為60%的電池系統(tǒng)，充電效果提升有限?

(3)相同SOC，不同環(huán)境溫度的充電測試表明，此策略增強(qiáng)了充電電流對于電池系統(tǒng)的正反饋?zhàn)饔?，有利于電池系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的溫升調(diào)節(jié)，從而改善其低溫充電效果?

該種多階段充電策略為解決電池系統(tǒng)低溫環(huán)境下充電效率低下的問題提供了一種解決辦法?通過更多電池體系的測試和驗(yàn)證，進(jìn)一步優(yōu)化不同階段的充電電流和限制條件，可以使充電效果進(jìn)一步提高?