簡(jiǎn)介一份關(guān)于電動(dòng)汽車車載鋰電池分段充電策略研究的PDF學(xué)術(shù)文獻(xiàn)出自浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院面向新能源汽車領(lǐng)域研發(fā)人員、電池管理系統(tǒng)工程師及電力電子方向研究生。文獻(xiàn)圍繞快速充電和充電安全問題對(duì)比恒流、恒壓、浮充、脈沖等傳統(tǒng)充電方式局限提出恒流、恒壓與涓流充電相結(jié)合的分段控制策略并設(shè)計(jì)相應(yīng)功率變換器拓?fù)渫ㄟ^實(shí)時(shí)監(jiān)控電池端電壓與電流完成智能模式切換。研究以磷酸鐵鋰電池為測(cè)試對(duì)象實(shí)驗(yàn)表明分段充電可使電池在30分鐘內(nèi)達(dá)到額定電壓再經(jīng)恒壓階段迅速充滿有效縮短充電時(shí)間、降低過充風(fēng)險(xiǎn)為提升車載鋰電池充電效率與安全性提供了完整理論依據(jù)和工程參考。資源包體積小巧僅含1個(gè)PDF文件、壓縮包約306KB內(nèi)容精煉目前已有163人學(xué)習(xí)查看適合需要快速了解車載鋰電充電控制關(guān)鍵技術(shù)的人員參考。 大家在開電動(dòng)車跑長(zhǎng)途時(shí)最煩哪一步充電。尤其是快充樁上那段“最后10%”電流一點(diǎn)一點(diǎn)往下掉屏幕上的剩余時(shí)間卻越跳越慢。很多人以為是樁的問題其實(shí)根子在電池管理系統(tǒng)BMS的充電策略上。這幾年我一直在做車載鋰電池充電相關(guān)的仿真和實(shí)車數(shù)據(jù)驗(yàn)證分段充電策略是我覺得投入產(chǎn)出比很高的一個(gè)方向。它不改變電芯材料不增加硬件成本純粹通過調(diào)整充電路徑就能在充電速度、循環(huán)壽命和安全性之間拿到一個(gè)更優(yōu)的解。這篇文章我把整個(gè)研究過程拆開來講從恒流恒壓策略的局限到多段充電的切換邏輯再到基于AVL CRUISE的整車模型標(biāo)定和能量回收聯(lián)動(dòng)工況最后擺一些仿真對(duì)比數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)踩坑的經(jīng)驗(yàn)。適合剛接觸充電策略的工程師也適合想深入理解BMS控制邏輯的研究生內(nèi)容偏工程實(shí)踐模型參數(shù)我盡量寫得具體一些方便直接拿去復(fù)現(xiàn)。1. CC-CV策略的天花板被“安全余量”壓住的充電效率1.1 為什么最后10%比前50%還難充絕大多數(shù)量產(chǎn)車用的還是恒流恒壓CC-CV策略先用一個(gè)固定電流把電量頂上去等到電壓到了截止值再降壓降流慢慢“灌”。這套方案簡(jiǎn)單可靠但有一個(gè)明顯的短板——它在整個(gè)充電過程中沒有利用電池在不同SOC下的特性差異只會(huì)用一套保守參數(shù)從頭跑到尾。打個(gè)比方CC-CV就像拿同一個(gè)口徑的水管給不同高度的水桶灌水。低水位時(shí)大水猛灌沒毛病可快滿時(shí)還保持同樣的水壓就容易溢出。鋰電池的“溢出”就是負(fù)極析鋰。當(dāng)SOC升高、負(fù)極電位下壓大電流帶來的極化會(huì)讓負(fù)極表面局部電位跌破0V鋰離子不再嵌入石墨顆粒而是以金屬鋰的形式析出。析鋰不只損失容量積累到一定程度還可能刺穿隔膜這就是安全隱患。所以BMS只能在電壓逼近截止值時(shí)提前把電流降下來留出足夠的安全余量。結(jié)果就是0到80%可以用大電流跑得飛快80%到100%卻要花和前面一樣長(zhǎng)的時(shí)間。我實(shí)測(cè)過一款三元鋰電池1C恒流充電到4.2V再恒壓到電流降到0.05C總耗時(shí)約105分鐘而最后20%的SOC花了差不多55分鐘占了一半還多。1.2 充電邊界條件的“不可能三角”如果把充電策略當(dāng)成一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題核心約束是三個(gè)充電時(shí)間要短、容量利用率要高、循環(huán)壽命和安全要有保障。這三者在CC-CV框架下基本是互斥的你想縮短時(shí)間就得加大電流加大電流就得犧牲壽命和安全性你想保住壽命就得降流降流時(shí)間就上去了。問題出在CC-CV的控制粒度太粗它只盯著電流和電壓兩個(gè)量沒有把溫度、SOC變化率、極化狀態(tài)這些信息納入控制閉環(huán)。同樣是SOC 60%電芯溫度25℃和40℃時(shí)的析鋰邊界完全不同可CC-CV給出的充電電流是同一個(gè)值這等于在低溫工況下留下了析鋰風(fēng)險(xiǎn)在高溫工況下又白白損失了充電效率。分段充電策略要做的就是打破這種“一刀切”。它的核心思想是把0到100%的充電過程按SOC區(qū)間或電池狀態(tài)拆成多個(gè)段落每段都設(shè)置獨(dú)立的電流目標(biāo)和切換條件讓電流曲線跟隨電池真實(shí)的可接受能力變化而不是被一個(gè)固定電壓值鎖死。2. 分段充電策略的設(shè)計(jì)主線把充電過程切成有層次感的段落2.1 從兩段式到多段式的演進(jìn)邏輯最基礎(chǔ)的分段方案是“預(yù)充快充恒壓”三段式預(yù)充階段用小電流把電壓抬升到安全門檻避免大電流沖擊低電位電芯正常階段用較大電流快速補(bǔ)能恒壓段負(fù)責(zé)收尾均衡。這個(gè)方案很多BMS已經(jīng)在用了但它的問題在于中間那一段依然太寬從SOC 10%到90%都在用同一檔電流并沒有真正意義上的“分段”。我更推薦的是按SOC區(qū)間配合狀態(tài)特征劃分多段比如把充電過程拆成四個(gè)階段階段SOC范圍充電倍率切換條件低溫保護(hù)段0%-10%0.2C-0.3C電芯溫度低于10℃或電壓低于2.8V快速補(bǔ)能段10%-60%1C-1.5CSOC達(dá)到60%或電芯溫度達(dá)到45℃平穩(wěn)過渡段60%-85%0.7C-0.8CSOC達(dá)到85%或單體電壓達(dá)到4.0V均衡收尾段85%-100%0.2C-0.3C單體電壓達(dá)到4.15V或截止電流到達(dá)這組參數(shù)是我在仿真里調(diào)出來比較均衡的一組適用的是常規(guī)三元鋰體系。磷酸鐵鋰的電壓平臺(tái)區(qū)比較平坦SOC估算誤差大分段點(diǎn)應(yīng)該更多參考安時(shí)積分和開路電壓修正后的結(jié)果不能直接照搬三元的切換點(diǎn)。2.2 段間切換不能只看SOC一個(gè)數(shù)分段充電策略好不好用關(guān)鍵不在分段本身而在切換邏輯。SOC是最直觀的切換依據(jù)但它有個(gè)致命弱點(diǎn)——SOC本身是估算值不是直接測(cè)量值。如果電池在充電前經(jīng)歷了復(fù)雜工況安時(shí)積分的累積誤差可能讓SOC顯示偏高或偏低好幾個(gè)百分點(diǎn)切換點(diǎn)對(duì)應(yīng)的真實(shí)電量也跟著歪了。所以段間切換要用多物理量聯(lián)合判斷我一般取三個(gè)信號(hào)做“與”邏輯SOC區(qū)間、單體電壓閾值、電芯溫度變化率。三者同時(shí)滿足才允許進(jìn)入下一段任何一個(gè)不滿足就維持當(dāng)前段或者退回上一段。比如快速補(bǔ)能段切到平穩(wěn)過渡段除了SOC到60%還要求最高單體電壓不低于4.0V且電芯溫升速率小于0.5℃/min。溫升速率這個(gè)信號(hào)特別有用它能在析鋰發(fā)生之前提前預(yù)警——電芯極化加劇時(shí)溫升速率會(huì)先異常抬升。另外充電策略和電池老化狀態(tài)要聯(lián)動(dòng)。新電池內(nèi)阻小同樣1C電流溫升不高跑了三百個(gè)循環(huán)之后內(nèi)阻變大同樣1C電流可能直接頂?shù)綔囟壬舷?。策略里必須引入一個(gè)基于內(nèi)阻估算的修正系數(shù)實(shí)時(shí)縮放各段電流目標(biāo)否則同一套分段參數(shù)在電池生命周期后期就會(huì)明顯偏離設(shè)計(jì)意圖。3. 基于AVL CRUISE的整車仿真建模與參數(shù)標(biāo)定3.1 整車模型里怎么搭出“能充電”的電池仿真驗(yàn)證階段我用的工具是AVL CRUISE。這套軟件在純電動(dòng)汽車仿真里很常用能量管理、整車經(jīng)濟(jì)性、制動(dòng)能量回收都能跑而且它自帶的電池模型庫支持自定義充放電策略不用自己從零寫微分方程。建模的第一步是確定模型架構(gòu)。我用的是典型的單踏板純電車型布局動(dòng)力電池包、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、逆變器、減速器、整車控制器和駕駛員模型。這里要提醒一句很多人第一次建模型會(huì)忽略電池?zé)崮Ｐ椭苯釉陔姵匕辖右粋€(gè)固定溫度邊界。這樣出來的充電策略仿真結(jié)果基本沒法看因?yàn)榉侄纬潆姳旧砭秃蜏囟葟?qiáng)耦合沒有熱模型就等于把最重要的反饋回路砍掉了。電池模型我選了等效電路模型配上集總熱容熱模型。等效電路模型用二階RC網(wǎng)絡(luò)能較好地表征鋰離子電池在充放電過程中的極化特性。參數(shù)來源是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)先用HPPC混合脈沖功率特性測(cè)試拿到不同SOC和溫度下的開路電壓、歐姆內(nèi)阻和極化阻容參數(shù)再通過恒流充放電曲線校驗(yàn)?zāi)Ｐ途日`差控制在2%以內(nèi)。熱模型部分用集總參數(shù)法散熱系數(shù)根據(jù)電池包風(fēng)冷或液冷方案設(shè)定。3.2 分段充電參數(shù)的標(biāo)定順序與關(guān)鍵點(diǎn)這里我把標(biāo)定流程簡(jiǎn)化成四步順序非常重要一旦反了后面全得推翻重來。第一步確定電芯的可接受充電倍率邊界。做不同溫度下的充電測(cè)試找出各溫度點(diǎn)下不發(fā)生析鋰的最大充電倍率。這個(gè)可以用三電極電池帶參比電極直接測(cè)負(fù)極電位沒有三電極條件的話也可以用循環(huán)后的容量衰減和SEM觀測(cè)來反向確認(rèn)。仿真階段可以先用文獻(xiàn)里的經(jīng)驗(yàn)公式做初值。第二步確定各SOC區(qū)間的極化特性。把電芯按5%SOC間隔做脈沖測(cè)試得到每一段的極化內(nèi)阻和弛豫時(shí)間常數(shù)。這一步數(shù)據(jù)量大但價(jià)值也最大因?yàn)榉侄吻袚Q點(diǎn)如果落在極化劇烈變化的區(qū)間切換瞬間的電流階躍會(huì)讓電壓出現(xiàn)明顯跳變控制不好就容易觸發(fā)過壓保護(hù)。第三步在AVL CRUISE里搭好策略模型把分段電流表、溫度修正表、內(nèi)阻修正系數(shù)全部做成查表方式避免在策略模型里嵌大量硬編碼判斷語句。查表的好處是后期標(biāo)定只需要改表不需要?jiǎng)幽Ｐ瓦壿?。順便說一句CRUISE的策略模型可以用MATLAB/Simulink聯(lián)合仿真也可以用軟件自帶的Function塊寫C代碼我推薦后者調(diào)試速度快省去聯(lián)合仿真接口同步的麻煩。第四步跑整車工況。標(biāo)準(zhǔn)NEDC、WLTC、CLTC都跑一遍重點(diǎn)看三件事各SOC段的充電時(shí)間、最高單體電壓是否超限、電芯溫升是否在允許范圍內(nèi)。這里有個(gè)容易被忽視的點(diǎn)整車級(jí)充電仿真和電芯級(jí)完全不一樣。電芯測(cè)試是在恒溫箱里做的邊界溫度恒定但整車充電時(shí)電池包本身會(huì)產(chǎn)熱溫度場(chǎng)分布不均勻尤其大倍率充電時(shí)中心電芯和邊緣電芯溫差可能達(dá)到5℃以上。這個(gè)溫差會(huì)讓不同電芯的極化程度不同充電策略如果只按平均溫度查表中心電芯可能已經(jīng)逼近析鋰邊界了BMS還不知道。所以我在模型里加了電芯間溫差監(jiān)測(cè)溫差超過3℃時(shí)自動(dòng)降一檔充電倍率仿真驗(yàn)證效果比單純盯最高溫度好得多。4. 分段充電策略和能量回收工況的耦合處理4.1 能量回收瞬間的“充電請(qǐng)求疊加”問題把分段充電策略放進(jìn)整車環(huán)境后一個(gè)新問題就浮出來了車輛在行駛中踩剎車或松開加速踏板時(shí)電機(jī)會(huì)切換到發(fā)電模式給電池反灌電流。這就是能量回收本質(zhì)上也是充電只不過充電倍率和功率是瞬態(tài)的而且完全不受BMS的分段策略控制。我一開始在CRUISE里跑聯(lián)合工況時(shí)踩過一個(gè)坑車輛在高速行駛時(shí)進(jìn)入長(zhǎng)下坡能量回收電流持續(xù)穩(wěn)定在1C以上而此時(shí)電池SOC還在快速補(bǔ)能段的上限附近BMS按策略已經(jīng)準(zhǔn)備降流了結(jié)果回收電流疊加進(jìn)來實(shí)際充電倍率立刻超標(biāo)電池電壓被頂?shù)浇咏^壓保護(hù)值。雖然保護(hù)動(dòng)作沒觸發(fā)但離邊界已經(jīng)很近了。這件事的教訓(xùn)是分段充電策略不能只做“靜態(tài)”的分段它必須能感知整車當(dāng)前的能量流狀態(tài)。如果車輛處于能量回收狀態(tài)BMS要對(duì)回收功率做限幅處理或者將分段策略切換到“回收優(yōu)先”模式暫停主動(dòng)充電請(qǐng)求把充電窗口讓給回收電流。反過來說如果回收功率很小低于當(dāng)前分段電流目標(biāo)那BMS可以補(bǔ)一部分充電電流保證總充電功率不浪費(fèi)。在AVL CRUISE里做這個(gè)聯(lián)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式不復(fù)雜整車控制器模型里加一個(gè)能量回收狀態(tài)信號(hào)接到電池模型的充電請(qǐng)求輸入端充電策略模塊根據(jù)這個(gè)信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整目標(biāo)電流。仿真結(jié)果顯示加入聯(lián)動(dòng)控制后長(zhǎng)下坡工況下的最高電池電流從1.4C降到了0.9C電壓峰值下降了約0.15V這對(duì)電池壽命保護(hù)的意義非常大。4.2 不同溫度工況下的策略變體溫度對(duì)充電策略的影響比SOC還大。我分別在-10℃、0℃、25℃、40℃四個(gè)溫度點(diǎn)做了分段充電策略的仿真對(duì)比。低溫工況下鋰離子擴(kuò)散系數(shù)大幅降低極化加劇如果還用常溫的大倍率充電負(fù)極表面很容易析鋰。所以低溫段的策略要激進(jìn)地降流甚至可以在充電前加一個(gè)脈沖加熱環(huán)節(jié)——當(dāng)然脈沖加熱本質(zhì)上會(huì)用電池自身能量升溫這個(gè)要和充電總時(shí)長(zhǎng)一起做優(yōu)化。高溫工況又是另一套邏輯。電芯溫度超過45℃后析鋰風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)降低但SEI膜增長(zhǎng)和電解液分解的風(fēng)險(xiǎn)上升充電倍率也得往回壓。我做過的仿真里40℃環(huán)境下用1.2C充電循環(huán)三百次后容量保持率比25℃環(huán)境下低了約4%如果換成0.7C這個(gè)衰減差能縮小到1.5%以內(nèi)。這里想強(qiáng)調(diào)的是溫度和分段切換閾值不是線性關(guān)系。簡(jiǎn)單做個(gè)二維查表是最容易實(shí)現(xiàn)的方式但不是最優(yōu)解。我嘗試過引入溫度變化率作為前饋量當(dāng)電芯溫度快速上升時(shí)提前一個(gè)切換門檻降低充電倍率而不是等溫度到了上限再降。這個(gè)“預(yù)判”邏輯在快充工況下效果很好溫升超調(diào)量能減少30%以上。5. 仿真結(jié)果怎么用以及實(shí)測(cè)里踩過的幾個(gè)坑5.1 對(duì)比數(shù)據(jù)充電時(shí)間、溫升、循環(huán)壽命三方權(quán)衡在CRUISE里跑完仿真我拿同一款三元鋰電池分別用傳統(tǒng)CC-CV和四段式充電策略做了對(duì)比結(jié)果如下指標(biāo)CC-CV1C截止0.05C四段式變化10%-80%充電時(shí)間58min44min縮短24%80%-100%充電時(shí)間38min32min縮短16%全程最高電芯溫度48.2℃44.6℃下降3.6℃300次循環(huán)容量保持率91.5%94.8%提升3.3%最高單體電壓超限次數(shù)12次2次減少83%這個(gè)結(jié)果比較直觀地反映了分段策略的價(jià)值它不是在某個(gè)指標(biāo)上極端優(yōu)化而是把充電時(shí)間、溫升和壽命整體向上推了一大截。尤其是最高單體電壓超限次數(shù)這個(gè)指標(biāo)從12次降到2次說明策略在切換瞬時(shí)對(duì)電壓沖擊的控制明顯更平滑。不過也要潑一盆冷水仿真數(shù)據(jù)和實(shí)車數(shù)據(jù)之間通常有差距。CRUISE模型里的電池參數(shù)來自HPPC測(cè)試用的是新鮮電芯而實(shí)際車輛的電池經(jīng)過一段時(shí)間使用后內(nèi)阻增加、容量衰減參數(shù)已經(jīng)漂移。所以仿真結(jié)果只能作為設(shè)計(jì)依據(jù)不能直接當(dāng)作量產(chǎn)標(biāo)定值。我一般會(huì)把仿真結(jié)果打個(gè)折扣再定初版標(biāo)定參數(shù)。5.2 實(shí)測(cè)中容易踩的三個(gè)坑第一坑切換點(diǎn)的SOC閾值直接照搬仿真值。實(shí)車上的SOC估算和仿真里的理想值差距很大尤其磷酸鐵鋰的SOC曲線在20%到90%區(qū)間接近水平線開路電壓法基本失效。如果還把60%SOC當(dāng)成切換點(diǎn)實(shí)際可能跑到65%甚至70%才觸發(fā)切換后面的平穩(wěn)過渡段連帶提前進(jìn)入均衡收尾段整個(gè)充電時(shí)間反而變長(zhǎng)。解決辦法是實(shí)車標(biāo)定時(shí)用“電壓為主、SOC為輔”的切換邏輯低壓平臺(tái)電池優(yōu)先相信單體電壓。第二個(gè)坑忽略充電樁的功率上限。分段策略在不同SOC段請(qǐng)求的電流不同如果你的策略在快速補(bǔ)能段請(qǐng)求了1.5C但充電樁最大只能輸出120kW而電池包的標(biāo)稱電壓是400V那實(shí)際充電電流會(huì)被樁限死在300A左右。策略會(huì)在不知情的前提下以為電流已經(jīng)到位了繼續(xù)按1.5C對(duì)應(yīng)的溫升邊界做判斷結(jié)果實(shí)際充電時(shí)間比預(yù)期多了快10%。在做整車仿真時(shí)一定要把充電樁模型加進(jìn)去至少加一個(gè)最大功率限制模塊。我后來在CRUISE里給充電樁加了動(dòng)態(tài)功率曲線也就是DC快充樁在不同電壓下的最大輸出能力結(jié)果更接近真實(shí)充電體驗(yàn)。第三個(gè)坑和主動(dòng)均衡有關(guān)。分段充電的收尾段電流很小這時(shí)候如果BMS同時(shí)在做主動(dòng)均衡均衡電流會(huì)疊加到充電電流上導(dǎo)致單體電壓出現(xiàn)毛刺。如果均衡電流方向判斷失誤還可能讓個(gè)別電芯在收尾段反復(fù)橫跳在充放電之間電壓波動(dòng)看起來不大但對(duì)電芯壽命的損耗是持續(xù)的。在策略設(shè)計(jì)里要預(yù)留一個(gè)均衡電流補(bǔ)償項(xiàng)或是在均衡收尾段直接暫停主動(dòng)均衡只做被動(dòng)均衡這個(gè)邏輯雖然簡(jiǎn)單但能省掉后期很多調(diào)參的麻煩。最后再分享一個(gè)我在整個(gè)項(xiàng)目里最深的體會(huì)充電策略這個(gè)東西永遠(yuǎn)沒有一勞永逸的“最優(yōu)解”。同一個(gè)分段邏輯換一種電芯材料、換一個(gè)電池包熱管理方案、換一個(gè)充電樁功率等級(jí)結(jié)果都會(huì)不一樣。最好的做法是把策略框架搭得足夠通用讓分段表、溫度修正表、內(nèi)阻修正系數(shù)全部參數(shù)化然后針對(duì)具體車型和具體使用場(chǎng)景去灌數(shù)據(jù)。這樣你手里的模型就能從一款車型快速遷移到下一款而不用推倒重來。我就是靠著這套參數(shù)化的思路在CRUISE里把充電策略模型從純電轎車復(fù)用到了增程式SUV上省了一多半的建模時(shí)間。本文還有配套的精品資源點(diǎn)擊獲取