周道輝，苑品德，辛 明

（帝亞一維新能源汽車有限公司，北京 100102）

純電動汽車在低溫環(huán)境下，鋰離子動力電池溫度過低，電池內(nèi)部活性物質(zhì)的活性明顯下降，其內(nèi)阻、極化電壓增加，充放電功率和容量均會顯著降低，甚至引起電池容量不可逆衰減，并埋下安全隱患。

鋰電池充電過程中，在充電設(shè)備外加電場作用下，鋰離子從正極材料中脫出進(jìn)入電解液并向負(fù)極移動，依次進(jìn)入石墨構(gòu)成的負(fù)極材料中，并形成LiC化合物。如果溫度較低，充電速度過快，會使鋰離子來不及進(jìn)入負(fù)極形成LiC化合物，則靠近負(fù)極的鋰離子就會俘獲電子而形成金屬鋰，并聚集形成鋰枝晶，鋰枝晶累積過大會刺破隔膜形成短路。低溫下放電過程中，由于鋰離子電池內(nèi)部活性物質(zhì)的活性明顯下降，放電容量也會顯著降低，嚴(yán)重縮短了電動汽車的續(xù)駛里程。因此，在低溫環(huán)境下，對動力電池制定有效的加熱措施，具有重大的市場推廣意義。

1 動力電池管理系統(tǒng)功能簡述

電池管理系統(tǒng) （BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，簡稱BMS），是連接車載動力電池和電動汽車的重要紐帶，其主要功能包括：電池物理參數(shù)實(shí)時監(jiān)測、電池狀態(tài)估計(jì)、在線診斷與預(yù)警、充放電與預(yù)充控制、均衡管理和熱管理等。BMS通常采用主從式結(jié)構(gòu)，包括主控制器 （簡稱BCU）、從控制器 （簡稱BMU）和高壓強(qiáng)電單元 （簡稱HVU）等。

圖1 電池管理系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

圖1 是電池管理系統(tǒng)功能架構(gòu)圖。VCU為整車控制器，是實(shí)現(xiàn)駕駛員駕駛需求和能量安全的管理系統(tǒng)，需要協(xié)調(diào)扭矩、電機(jī)和電池的功率在不同工況下的合理分配，實(shí)現(xiàn)制動能量回饋，并控制外圍設(shè)備，以達(dá)到最佳的工作效能。OBC為車載充電機(jī)，具有為電動汽車動力電池安全、自動充滿電的能力，充電機(jī)依據(jù)電池管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，能動態(tài)調(diào)節(jié)充電電流或電壓參數(shù)，執(zhí)行相應(yīng)的動作，完成充電過程。這些電子控制單元 （簡稱ECU）通過CAN總線實(shí)現(xiàn)信息交互，從而對動力電池和整車進(jìn)行控制管理。動力電池低溫加熱控制技術(shù)即是以BMS為核心，采用適當(dāng)控制策略實(shí)現(xiàn)的控制方法。

2 動力電池高壓電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2是動力電池系統(tǒng)電氣高壓拓?fù)?。高壓電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是滿足整車高壓系統(tǒng)動力電能的傳輸要求并實(shí)現(xiàn)動力電池的控制功能。高壓電氣系統(tǒng)主要包括總正 （負(fù)）繼電器、主回路熔斷絲、預(yù)充繼電器、預(yù)充電阻、手動維修開關(guān) （MSD）、高壓接插件、高壓線纜、匯流排等。本文闡述的動力電池由于具有低溫加熱控制功能，在以上高壓器件的基礎(chǔ)上還設(shè)計(jì)了充電加熱繼電器、放電加熱繼電器、加熱膜片、加熱熔斷絲等。

圖2 動力電池系統(tǒng)電氣高壓拓?fù)?/p>

圖3 是動力電池加熱膜片實(shí)物圖。動力電池的加熱膜片通常采用PI加熱膜或硅膠加熱膜，動力電池在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)保障電芯和加熱膜片之間有良好的接觸面，同時接觸面也要有良好的導(dǎo)熱性。加熱膜的熱功率根據(jù)動力電池的設(shè)計(jì)加熱能力、額定容量、額定電壓以及本身的特性計(jì)算得到，同時也需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖3 動力電池加熱膜片實(shí)物圖

3 低溫加熱控制邏輯策略設(shè)計(jì)

鋰離子電芯的放電工作溫度通常為－20～60℃，允許放電的最低溫度通?？刂圃冢?0℃以上，當(dāng)溫度達(dá)到－15℃以上時，電芯的放電工作特性有所改善；充電工作溫度通常為0～45℃，在低于0℃條件下，充電將極具低溫析鋰的風(fēng)險(xiǎn)。本文在此前提下，采取下述控制策略。

3.1 BMS設(shè)置狀態(tài)

1）Initialization（初始狀態(tài)） 在此狀態(tài)中BMS完成所有單體電壓、溫度、總壓、內(nèi)部存儲器數(shù)據(jù)讀取等，初始化時間要優(yōu)于300ms，否則定義為初始化失敗。

2）Standby（低壓喚醒狀態(tài)） 此狀態(tài)動力電池未上高壓，BMS所有功能正常運(yùn)行，時刻準(zhǔn)備上高壓。

3）Ready（準(zhǔn)備就緒狀態(tài)） 此狀態(tài)BMS已執(zhí)行上高壓動作，動力電池處于高壓連通狀態(tài)，整車可用于行駛或其他高壓器件使用。

4）Charging（充電狀態(tài)） 充電槍連接，滿足充電上高壓條件，BMS執(zhí)行上高壓動作，BMS充電上高壓完成，BMS允許充電，車輛進(jìn)行充電狀態(tài)確認(rèn)。

5）Shut down（整車下高壓后處于的狀態(tài)） 包括行車下高壓、充電下高壓、整車休眠前的狀態(tài) （無喚醒源）和存在禁止上高壓故障停留時間內(nèi)BMS的狀態(tài)。

6）Emergency to shut down（緊急下高壓） BMS因檢測到嚴(yán)重故障或者收到其他控制器的緊急下高壓故障后跳轉(zhuǎn)至此狀態(tài)。

7）Sleep（休眠狀態(tài)） 當(dāng)整車無喚醒源并完成數(shù)據(jù)存儲時，BMS進(jìn)入sleep狀態(tài)。

3.2 放電低溫加熱控制邏輯策略設(shè)計(jì)

本文提出的放電低溫加熱方法為：當(dāng)動力電池檢測點(diǎn)最低溫度＜－20℃下，動力電池組向加熱膜片以≤0．05I1（I1為動力電池1小時率放電電流）的電流放電。加熱膜片通過電流，源源不斷地發(fā)熱，熱量通過其與鋰離子電芯的接觸面向電芯內(nèi)部傳遞，直至電芯表面的檢測點(diǎn)最低溫度≥－15℃后，方可停止加熱，允許動力電池上高壓。低溫放電加熱控制流程如圖4所示。

3.3 充電低溫加熱控制邏輯策略設(shè)計(jì)

本文提出的充電低溫加熱方法為：當(dāng)動力電池檢測點(diǎn)最低溫度＜0℃下，電動汽車連接交流充電設(shè)備，通過BMS與車載充電機(jī) （OBC）的CAN信息交互，設(shè)置一種充電低溫加熱模式。BMS向OBC請求加熱電流，控制相關(guān)繼電器的狀態(tài)，使加熱膜片通過電流持續(xù)地發(fā)熱，熱量通過其與鋰離子電芯的接觸面向電芯內(nèi)部傳遞，直至電芯表面的檢測點(diǎn)最低溫度≥5℃后，方可停止加熱，允許動力電池充電。圖5是低溫充電加熱控制流程。

4 總結(jié)

鋰離子動力電池工作時，需要將其工作溫度控制在適宜的范圍內(nèi)，這個特性除了使用人員的重視之外，更離不開電池管理系統(tǒng)的熱管理控制策略。本文基于主從式結(jié)構(gòu)的電池管理系統(tǒng)，介紹了一種動力電池低溫加熱的控制方法。該加熱控制方法，可避免動力電池在低溫下的直接應(yīng)用，在應(yīng)用前通過加熱使電池內(nèi)部活性物質(zhì)的活性增大，來提高動力電池的工作效能和安全能力。

圖4 低溫放電加熱控制流程

圖5 低溫充電加熱控制流程