為推動(dòng)電動(dòng)汽車關(guān)鍵共性技術(shù)發(fā)展，服務(wù)于成員單位技術(shù)研發(fā)需求，自成立以來(lái)，聯(lián)盟一直持續(xù)開(kāi)展整車及關(guān)鍵零部件前沿、共性技術(shù)研究工作，形成了大批研究成果，推動(dòng)了電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步。2023聯(lián)盟共立項(xiàng)共性技術(shù)課題22項(xiàng)，為推動(dòng)課題交流和成果共享，聯(lián)盟將持續(xù)發(fā)布在研課題研究進(jìn)展和成果，最大化發(fā)揮課題研究?jī)r(jià)值。

動(dòng)力電池低溫快速加熱技術(shù)

01研究目的

動(dòng)力電池低溫快速加熱技術(shù)課題由北京新能源汽車股份有限公司承擔(dān)，課題主要針對(duì)電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池在低溫下工作時(shí)，電池內(nèi)阻明顯升高、功率和能量急劇下降，導(dǎo)致低溫環(huán)境下整車充電時(shí)間增長(zhǎng)、動(dòng)力性能受限、續(xù)航衰減明顯等問(wèn)題，提出低溫快速加熱技術(shù)方案，突破三維電熱耦合仿真技術(shù)、多因素交叉尋優(yōu)驗(yàn)證技術(shù)、脈沖大電流激勵(lì)技術(shù)、車樁互聯(lián)閉環(huán)控制技術(shù)等9項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，優(yōu)化低溫充電、低溫行車、駐車保溫3大場(chǎng)景用車體驗(yàn)，形成覆蓋整包級(jí)、充電樁級(jí)、整車級(jí)的序列化低溫速熱技術(shù)規(guī)范，搭建車樁互聯(lián)平臺(tái)，推動(dòng)示范運(yùn)營(yíng)及產(chǎn)業(yè)化。

02研究進(jìn)展與階段性成果1. 電熱耦合模型進(jìn)展本項(xiàng)目通過(guò)基于AMESIM建立系統(tǒng)一維仿真模型，基于STAR-CCM+建立CFD仿真模型，并通過(guò)COSIM方式耦合仿真模型，在一維仿真模型中建立電模型計(jì)算電芯電壓、電流、及發(fā)熱功率，并將發(fā)熱功率反饋給CFD仿真模型，CFD仿真模型將電芯最高溫度、最低溫度反饋給電模型，并在一維仿真模型中設(shè)置熱管理控制策略，根據(jù)電芯最高及最低溫度執(zhí)行，具體仿真架構(gòu)如下圖所示：

圖1 電池系統(tǒng)電熱耦合仿真架構(gòu)電熱耦合仿真模型優(yōu)勢(shì)在于一維電芯模型通過(guò)不同SOC、不同溫度HPPC測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行二維等效電路模型參數(shù)辨識(shí)，可得到電芯歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻、擴(kuò)散內(nèi)阻參數(shù)，因此電芯發(fā)熱功率計(jì)算準(zhǔn)確，同時(shí)通過(guò)三維仿真模型的最高及最低溫度的實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)電熱耦合模型的動(dòng)態(tài)仿真，可極大提高系統(tǒng)溫度仿真精度。

圖2 電池系統(tǒng)最高及最低溫度對(duì)比

圖3 電芯內(nèi)阻仿真精度如圖2所示，電池系統(tǒng)最高及最低溫度仿真精度控制在2℃以內(nèi)，如圖3所示電芯內(nèi)阻仿真精度控制在3%以內(nèi)。2. 電芯邊界測(cè)試及壽命測(cè)試

構(gòu)建一種從電熱耦合仿真到多因素交叉邊界驗(yàn)證的標(biāo)準(zhǔn)化尋優(yōu)方法，在電芯析鋰及壽命邊界限制下，尋找實(shí)時(shí)優(yōu)化的電流幅頻控制策略，如圖4所示為脈沖加熱充電電流map及放電電流map。在高頻脈沖模式下，電芯經(jīng)過(guò)耐久測(cè)試，驗(yàn)證在脈沖加熱模式下電芯壽命影響。電池經(jīng)500次加熱循環(huán)后容量保持率仍≥99%，且電芯進(jìn)行拆解，電芯無(wú)析鋰現(xiàn)象，表明在高頻脈沖加熱模式下，電芯全壽命周期內(nèi)基本無(wú)壽命衰減現(xiàn)象。

圖4 電芯充電及放電電流邊界

圖5 電芯耐久循環(huán)后容量保持率及界面情況

3. 電池系統(tǒng)脈沖加熱測(cè)試

在確定電池系統(tǒng)脈沖加熱電流map基礎(chǔ)上進(jìn)行整車低溫環(huán)境脈沖加熱測(cè)試，對(duì)比測(cè)試結(jié)果如圖5所示。在-30~0攝氏度范圍內(nèi)，電池系統(tǒng)樁端脈沖加熱速率均在5℃以上，較WTC加熱0.8~1℃/min的加熱速率提升4倍以上。同時(shí)進(jìn)行低溫快充測(cè)試，相同工況下樁端脈沖加熱方式較常規(guī)WTC加熱方式快充時(shí)間減少20%~49%，可見(jiàn)通過(guò)脈沖加熱及快充的方式可極大縮短低溫環(huán)境充電時(shí)間，降低用戶低溫環(huán)境充電等待時(shí)間長(zhǎng)焦慮。

圖6 脈沖加熱速率及低溫快充時(shí)間

圖7 低溫充電能耗對(duì)比及溫差對(duì)比

4. 脈沖加熱超充樁建設(shè)

在樁端激勵(lì)源方面，選用雙向高頻DC/DC模塊作為脈沖電流激勵(lì)源，超級(jí)電容作為短時(shí)儲(chǔ)能單元，匹配高功率極狐超充終端，通過(guò)自研的脈沖加熱通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)高頻脈沖電流的輸出/輸出。脈沖加熱流程圖如圖7所示。在車樁聯(lián)調(diào)方面，通過(guò)車樁通訊協(xié)議、整車功能定義、樁端充電協(xié)議的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)車樁信號(hào)通信和速加熱功能實(shí)現(xiàn)。通過(guò)車樁雙工況自識(shí)別控制策略及基于前饋補(bǔ)償?shù)腟OC在線估算算法，優(yōu)化脈沖速加熱模式下SOC和充電剩余時(shí)間估算。

圖8 脈沖加熱流程圖

整車脈沖加熱測(cè)試數(shù)據(jù)如下圖所示，脈沖加熱完成后即進(jìn)入快充過(guò)程，且在脈沖加熱過(guò)程中電池系統(tǒng)SOC基本無(wú)變化，且加熱過(guò)程中電池系統(tǒng)溫差控制在3℃以內(nèi)?？梢?jiàn)樁端脈沖加熱是解決低環(huán)境低溫充電時(shí)間慢的有效方案。

圖9 脈沖加熱電壓曲線

圖10 脈沖加熱電流曲線    

圖11 脈沖加熱SOC曲線

圖12 脈沖加熱溫度曲線    

目前脈沖加熱超充示范站如下圖13所示。

圖13 脈沖加熱超充示范站