摘 要： 本文研究了电池系统在低温下采用液热和加热膜加热方式下的充电性能，实验表明不同加热方式电池系统的充电容量和能量接近，但温升速率、充电时间以及充电末端温差有明显差异。-20℃下电池系统采用液热串联和并联方式温升速率分别为0.11℃/min和0.22℃/min；总充电时间分别为349min和221min；温差分别为4℃和6℃，液热并联比串联方式温升速率更高且总充电时间更短。采用加热膜加热温升速率可达到0.5℃/min， -20℃下充电时间为171min，但该加热方式电池温差较大，约为9℃。采用液热+加热膜加热方式温升速率约等于液热和加热膜加热两种方式分别加热温升速率之和。
关键词：动力电池系统 低温充电 加热方法
1 引言
锂离子电池在冬季应用时需进行系统加热，目前，电池系统加热方式分为内部加热和外部加热。内部加热通过电芯内部设计，利用电阻或化学反应产热进行加热，但容易引起电池性能衰减[1]。外部加热通过连接加热组件进行产热升温，其中液体加热和加热膜加热应用最为广泛，容易实现且相对安全[2，3]。
2 加热方法及控制策略
2.1 动力电池系统
实验应用自主研发100kWh电池系统，系统采用磷酸铁锂/石墨电池体系，容量为173Ah，该系统由两个电池包串联组成，单包由9个电池模组串联，每个模组采用1P10S电芯组合方式。
2.2 液体加热
实验所用加热系统位于动力电池包的底部液冷板。液冷板内部介质流道设计为“U”型流动方式，保证了液体和电池包内每个单体表面进行充分热量交换；液冷板内靠近进液管处介质流道采用阶梯式进液，可以确保液冷板内不同部位的液体温度相近。本次实验测试中采用水冷机组与电池系统连接，通过水冷机组内部水泵驱动液体流经电池系统液冷板，构成液体循环回路，水冷机组出水口温度设置为45℃。
2.3 加热膜加热
电池包内设有9个模组，每个模组两侧贴有绝缘、耐压、耐高温性能的聚酰亚胺加热膜，加热膜厚度为0.36mm（含双面胶），加热膜规格：电压32.2V，功率365W，阻值（2.84±8%）Ω。本次实验测试加热膜由充电机提供电源，通过BMU控制加热继电器的闭合来控制加热系统的通断。
2.4 加热控制策略
动力电池系统与充电设备连接后进行电池系统和充电机自检，自检正常且无系统错误，则闭合充电回路继电器，同时BMU开始检测电池状态判断电池温度，当电池温度Tmin＜0℃时，则先行启动加热回路，利用水冷机组驱动电池系统液冷板加热回路或采用充电机提供充电能源对电池系统进行加热；当电池温度Tmin≥0℃时，电池系统开启充电功能，此时系统进入边充电边加热模式；当电池温度Tmin≥15℃时，电池系统退出加热流程，进入仅充电模式。电池系统在低温环境下充电的原则是先加热，后边加热边充电，最后是仅充电。
3 试验验证及结果分析
3.1 液体加热测试分析
将电池系统在恒定温度的低温环境舱内放置24小时以上，以确保电池温度达到设定温度，本实验测试了-20℃下电池系统低温充电性能。通过BMS上位机界面实时读取电池系统总压、单体电池电压、单体电池温度、电流等信息。当单体电池最低温度达到设定温度时，电池系统开始按实际加热和充电策略进行充电至系统或单体达到上限电压。
本实验电池系统由两个电池包组成，通过改变两个电池包液冷板和水冷机组的连接方式，分别验证了液体加热系统水路串联回路和并联回路（液体流速均为13L/min）对电池低温充电性能的影响。图1可见两种液体加热系统回路对充电容量和能量影响较小，对温升速率和加热时间具有影响。液热串联方式电池系统整体温升速率偏低，仅为0.11℃/min，且在仅加热阶段时间达到176min，总充电时间为349min，由于温升速率慢，系统内单体电池温度相对均衡，温差仅为4℃。液热并联方式温升速率为0.22℃/min，约为液热串联方式的两倍，仅加热时间为92min，也降为液热串联方式加热时间的一半左右，总充电时间为221min，但该方式温升速率高，导致单体间温差也略微升高，末端温差为6℃。
图1 电池系统-20℃低温充电过程单体电压&温度变化曲线
3.2 加热膜加热测试分析
采用加热膜加热方法测试电池系统在-20℃和0℃低温环境下的充电性能，首先将电池系统放置于恒温环境舱内直到电池温度达到设定温度，通过BMS上位机读取单体电池温度，并控制继电器进行加热通断及充电通断。
图2 显示了低温-20℃和0℃环境下电池系统采用加热膜加热及充电过程参数。该加热方式下电池系统温升速率及加热时间有明显改善，在-20℃~0℃仅加热阶段温升速率达到0.51℃/min，加热时间仅用39min即达到0℃。在0~15℃边充电边加热阶段温升速率为0.54℃/min，比仅加热阶段温升速率高0.03℃/min，该温升速率也是由电池系统充电过程自产热提供。低温-20℃下电池总充电时间为171min，比液热串联方式时间缩短一半左右；但由于加热膜加热温升速率较高，单体电池温度不均匀，温差为9℃。
图2 加热膜加热方式下电池系统低温充电过程单体电压&温度变化曲线
对比低温-20℃和0℃环境下电池系统充电性能，充电容量和能量相近，且在0~15℃边充电边加热阶段温升速率和加热时间也相近，但由于0℃下没有仅加热阶段，故电池系统总充电时间为121min，比-20℃下充电时间少50min，且单体电池温度仅为5℃。
3.3 液热+加热膜加热测试分析
本实验所用电池系统同时兼具液热和加热膜加热功能，故实验中研究了-20℃同时开启液热和加热膜加热功能充电性能。在-20℃~0℃仅加热阶段温升速率为0.61℃/min，加热时间为33min；在0~15℃边充电边加热阶段温升速率为0.66℃/min，加热时间为23min；各阶段温升速率约等于液热和加热膜加热两种方式分别加热温升速率之和。温升速率的提高导致总充电时间降低，液热+加热膜加热方式总充电时间减少为141min。由于加热膜加热导致单体电芯温度不均匀，故液热+加热膜加热方式充电末端温差为8℃。
4 结论
本文研究了电池系统在低温下采用液热和加热膜加热方式下的充电性能，实验表明不同加热方式下充电容量和能量相接近，但温升速率、总充电时间及充电温差具有差异。其中，液热方式温升速率较低，充电时间长，但电芯温差较小。对比-20℃下液热串联和并联方式，温升速率分别为0.11℃/min和0.22℃/min；总充电时间分别为349min和221min；温差分别为4℃和6℃，液热并联方式温升速率更高且总充电时间更短。加热膜加热温升速率可达到0.5℃/min，-20℃下充电时间为171min，但该加热方式电新温差较大，约为9℃。采用液热+加热膜加热方式的温升速率约为液热和加热膜加热两种方式分别加热温升速率之和，温升速率的提高导致总充电时间降低，液热+加热膜加热方式总充电时间减少为141min。
参考文献：
[1]ZHAO X W，ZHANG G Y，YANG L，et al. A new charging mode of Li-ion batteries with LiFePO4/C composites under low temperature [J].J Therm Anal Calorim，2011，104（2）：561-567.
[2]张承宁，雷治国，董玉刚.电动汽车锂离子电池低温加热方法研究[J].北京理工大学学报，2012，32（9）：921-925.
[3]李相哲，苏芳，徐磊.电动汽车动力电池系统加热方法研究进展[J].电源技术，2019，43（5）：900-903.
文章来源 期刊（时代汽车），作者：栗晓杰 高雅 郭凤刚 许紫光；北汽福田汽车股份有限公司；
