前  言

目前，受限于鋰離子動(dòng)力電池高低溫特性的影響，高溫和低溫都將給電池造成不可逆的影響，因此良好的電池?zé)峁芾砜刂撇呗跃惋@得尤為重要，本文重點(diǎn)通過純電動(dòng)汽車高低溫試驗(yàn)的方法驗(yàn)證熱管理控制策略并將其優(yōu)化完善，以保證動(dòng)力電池在高低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)能處在一個(gè)合適的溫度條件下，更有利于電池的充放電特性及循環(huán)壽命。

1.高低溫充電策略分析及試驗(yàn)規(guī)劃

該純電動(dòng)汽車采用的充電策略為：高溫充電情況下，壓縮機(jī)開啟，通過風(fēng)機(jī)使冷空氣流通為電池倉冷卻，通過冷熱空氣熱交換實(shí)現(xiàn)電池倉的降溫，通過PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)控制壓縮機(jī)開啟的頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池高溫冷卻效果。低溫充電情況下，當(dāng)達(dá)到低溫閾值時(shí)，VMS向充電機(jī)發(fā)送Powmod模式命令，車載充電機(jī)檢測(cè)到命令后以電源模式工作，PTC開啟，為電池倉升溫，通過冷熱空氣熱交換實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池低溫加熱效果。

本次高低溫測(cè)試采用銀河儀器濕熱試驗(yàn)箱模擬高低溫環(huán)境，采用Can數(shù)據(jù)監(jiān)控設(shè)備實(shí)時(shí)觀測(cè)車輛狀態(tài)，采用模式二充電樁為車輛充電；車輛在試驗(yàn)箱內(nèi)通過靜置超過8小時(shí)以上達(dá)到與試驗(yàn)箱同溫狀態(tài)，再進(jìn)行試驗(yàn)操作，給車輛充電以驗(yàn)證充電熱管理控制策略，試驗(yàn)示意圖如下：



通過設(shè)備實(shí)時(shí)采集車輛Can數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)車輛狀態(tài)、充電機(jī)狀態(tài)、PTC加熱器工作狀態(tài)、壓縮機(jī)工作狀態(tài)以及電芯最高最低溫度等信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)充電熱管理控制策略的驗(yàn)證與分析。

2.高溫充電測(cè)試與控制策略優(yōu)化

高溫試驗(yàn)設(shè)置溫箱環(huán)境溫度為45℃，車輛靜置8小時(shí)以上，同溫后對(duì)車輛進(jìn)行充電測(cè)試，監(jiān)測(cè)電池溫度變化情況，電芯最高/最低溫度變化情況如下圖所示：



由上圖可以看出在一段時(shí)間內(nèi)，電池最高/最低溫度變化微弱，熱管理系統(tǒng)冷卻能力偏弱，可能會(huì)導(dǎo)致車輛高溫環(huán)境下充電時(shí)間過長(zhǎng)，對(duì)用戶造成不良的車輛充電體驗(yàn)。分析BMS高溫冷卻控制策略，壓縮機(jī)PWM控制Map參數(shù)為：



可見當(dāng)電池包最高溫度為32℃時(shí)壓縮機(jī)開啟，開啟時(shí)長(zhǎng)占比為5%，當(dāng)最高溫度為43℃時(shí)，壓縮機(jī)開啟時(shí)長(zhǎng)占比為95%。電池在溫度達(dá)到40℃以上時(shí)，壓縮機(jī)工作占比較大，冷卻能力較強(qiáng)（90%）；電池溫度低于33℃時(shí)，壓縮機(jī)工作占比較?。?0%），冷卻能力較弱；由此可能導(dǎo)致兩個(gè)問題：（1）車輛高溫充電時(shí)長(zhǎng)延長(zhǎng)。（2）動(dòng)力電池在溫度低于38℃時(shí)，滿足充電條件，持續(xù)冷卻增加壓縮機(jī)負(fù)荷，而且造成資源浪費(fèi)。實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)可見電池冷卻效果一般，且電池冷卻時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，對(duì)于夏季用戶充電會(huì)造成不良的充電感受。

因此建議優(yōu)化壓縮機(jī)PWM控制Map參數(shù)，考慮到電池溫度特性，工作溫度最高不高于45攝氏度，且壓縮機(jī)開啟時(shí)長(zhǎng)占比低于70%情況下，冷卻效果一般，電池溫度降低不明顯，冷卻時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，故考慮設(shè)置壓縮機(jī)開啟閾值為大于70%，設(shè)置溫度窗口值為38℃-43℃,即當(dāng)溫度高于38攝氏度時(shí)壓縮機(jī)開啟，開啟時(shí)長(zhǎng)占比70%，當(dāng)溫度高于43℃時(shí)壓縮機(jī)開啟時(shí)才占比大于95%。

調(diào)整后壓縮機(jī)PWM控制Map參數(shù)為：



優(yōu)化之后的充電過程電芯溫度數(shù)據(jù)如下圖所示：



通過對(duì)比分析，壓縮機(jī)參數(shù)優(yōu)化對(duì)于車輛高溫充電電池包冷卻效果比較明顯，在電池最高溫度低于38℃時(shí)，車輛開始正常充電，有效縮短了車輛高溫充電時(shí)間，縮小了壓縮機(jī)負(fù)荷。

3.低溫充電測(cè)試與控制策略優(yōu)化

低溫充電測(cè)試設(shè)置環(huán)境溫度為-20℃，車輛靜止超過8小時(shí)，同溫以后對(duì)車輛進(jìn)行充電，檢測(cè)電池包溫度變化情況如下圖所示：



充電開始階段，PTC工作，為電池包加熱，提高電池溫度，充電控制策略控制電池包溫度低于閾值溫度1(5℃)時(shí)開啟PTC加熱，充電過程中溫度降低至閾值溫度2(2℃)時(shí)再次開啟PTC加熱。分析上圖可知，充電初期，車載充電機(jī)電壓提升階段，PTC介入，電池包高壓斷開，導(dǎo)致車載充電機(jī)輸出電壓被拉低，后續(xù)無法爬升到目標(biāo)電壓，有導(dǎo)致充電失敗的隱患。

分析高壓繼電器控制時(shí)序，發(fā)現(xiàn)在車載充電機(jī)電壓爬升階段斷開電池包高壓會(huì)導(dǎo)致隱患產(chǎn)生，建議優(yōu)化繼電器控制策略，即充電進(jìn)入冷卻控制時(shí)序時(shí)，BMS發(fā)送電源模式后，增加延時(shí)T，之后斷開電池包高壓。

繼電器控制時(shí)序調(diào)整后低溫充電控制流程圖如下：



策略優(yōu)化后，增加延時(shí)T，充電機(jī)電源模式下電壓有充足的時(shí)間正常爬升至目標(biāo)電壓，之后電池包斷開高壓，充電機(jī)為PTC供電，完成電池包充電加熱功能。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論分析一致，電池包初始溫度低于溫度閾值，滿足加熱開啟條件，測(cè)試窗口值，當(dāng)電池包溫度加熱到閾值溫度1(5℃)時(shí)，加熱轉(zhuǎn)充電，當(dāng)電池包溫度低于閾值溫度2(2℃)時(shí)，充電轉(zhuǎn)加熱，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如下圖所示：



4.總結(jié)

本文通過對(duì)純電動(dòng)車輛高低溫充電測(cè)試與理論分析相結(jié)合的方式研究了車輛在高低溫極端條件下的充電熱管理控制策略，通過試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)對(duì)比分析，優(yōu)化了兩項(xiàng)熱管理控制策略：

第一是優(yōu)化了空調(diào)壓縮機(jī)工作Map表，此項(xiàng)優(yōu)化可以有效縮短高溫充電時(shí)間，降低壓縮機(jī)負(fù)荷；

第二是優(yōu)化低溫充電時(shí)繼電器控制時(shí)序，此項(xiàng)優(yōu)化可以有效保護(hù)充電機(jī)，確保充電機(jī)power模式下的電壓成功爬升至目標(biāo)電壓后斷開電池包高壓，PTC成功加熱電池包，有效規(guī)避低溫充電失敗的風(fēng)險(xiǎn)，確保車輛極端條件下的穩(wěn)定充電和運(yùn)行。

高低溫等環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)是貫穿汽車研發(fā)、生產(chǎn)和使用過程中的一些重要基礎(chǔ)性試驗(yàn)，通過極端條件下的試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)車輛在設(shè)計(jì)過程中的缺陷并且及時(shí)有效的采取必要的糾正和預(yù)防措施提高汽車的環(huán)境適應(yīng)性能力。電動(dòng)汽車受限于電池的溫度特性，極端溫度對(duì)車輛性能會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)就顯得尤為重要。