吳曉剛，崔智昊，孫一釗，張 錕，杜玖玉

（1哈爾濱理工大學(xué)汽車電子驅(qū)動控制與系統(tǒng)集成教育部工程研究中心，黑龍江哈爾濱 150080；2清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，北京 100084）

電動汽車具有節(jié)能、減排以及環(huán)保的優(yōu)點，得到了世界各國的高度關(guān)注，相關(guān)產(chǎn)業(yè)迎來了高速的發(fā)展。由國際能源署發(fā)布的預(yù)測結(jié)果表明，預(yù)計到2030年世界各國電動汽車保有量總和將達到2.4億輛[1]。然而，由于鋰離子動力電池的能量密度限制，里程焦慮成為了電動汽車大力推廣的主要障礙之一[2-3]。主要體現(xiàn)在電動汽車較長的充電時間已無法完全滿足用戶體驗的需求[4]。為解決電動汽車充電時間長的問題，大功率快速充電技術(shù)得到行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，并被認為是未來電動汽車能源補給的一種重要的形式。

國內(nèi)外對于電動汽車快速充電的標準至今還尚未統(tǒng)一，美國能源部在2011 年提出的報告中將電動汽車快速充電目標定為每分鐘充入電量可行駛20英里[5]。根據(jù)中國電動汽車大功率充電技術(shù)與標準預(yù)研工作組研究，電動汽車傳導(dǎo)直流大功率充電指充電功率在350 kW或以上，充電80%～90%耗時10～15 min[6]。表1 為各國傳導(dǎo)直流充電裝置標準。可以看到，最新制定的ChaoJi 充電裝置標準的最大允許功率為900 kW，遠超之前大功率充電350 kW 的定義。說明電動汽車充電速度仍有一定的發(fā)展空間。

表1 傳導(dǎo)直流充電裝置標準[7-12]Table 1 Conductive DC charging device standard[7-12]

如圖1為2015年[13]及2020年幾款車型的電池包容量、充電功率及電池的每分鐘充入電量行駛里程的比較[7,14-17]。可以看出，由于電動汽車電池包容量在不斷增加，在提升續(xù)航里程的同時也增加了充電功率。汽車生產(chǎn)企業(yè)將大功率充電作為電動汽車里程焦慮的解決方案之一，不斷推進充電功率等級的提升。

圖1 不同年份電動汽車充電功率級別Fig.1 Electric vehicle charging power level in different years

然而，除了對于充電槍端電力電子變換器件功率等級和散熱系統(tǒng)的要求外，電池包本身的一致性、耐久性及安全性成為了制約充電功率等級提升的重要限制條件。隨著動力電池比能量的提升，在電動汽車有限的裝配空間和容許附加質(zhì)量限制下可裝載的動力電池包的能量不斷提升[18]。但由于電池內(nèi)部的離子擴散速度受限，在大倍率充電電流的情況下，加快了由于鋰沉積的線性損失引起的電池老化速度[19]，電池的壽命衰減更為嚴重。更為重要的是，在大倍率充電條件下，電池的內(nèi)阻大量產(chǎn)熱，導(dǎo)致大功率充電過程電池溫度急劇上升，進而對電池的安全性提出挑戰(zhàn)[20]。

大功率充電過程中電池的容量衰減由于副反應(yīng)導(dǎo)致。優(yōu)化充電策略在提升充電速率的同時可以在一定程度上減小電池的容量衰減[21]。而大功率充電速度較高，電池溫度上升較明顯，能夠控制大功率充電過程電池溫度，保證大功率充電過程的安全[22]。

綜上，在大功率充電過程中，充電策略和熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化是電池管理系統(tǒng)需要面對的兩個重要問題。本文大功率充電通過對比已報道充電策略和熱管理系統(tǒng)的研究，歸納出現(xiàn)有方法的優(yōu)點及局限性。在此基礎(chǔ)上，對大功率充電技術(shù)應(yīng)用過程中需面對的挑戰(zhàn)進行分析。

1 大功率充電策略研究現(xiàn)狀

面向大功率快速充電需求時，充電策略的選擇能夠通過優(yōu)化實現(xiàn)電池壽命，充電速度和電池溫升的最優(yōu)解。目前針對電動汽車大功率充電策略可分為多階段恒流充電策略(multi-stage constant current charging，MSCC)，脈沖充電策略(pulse charging，PC)，正弦電流充電策略(sinusoidal-ripple-current，SRC)充電策略，Boost-charging 策略，基于優(yōu)化算法的策略，基于電池模型的策略等，其分類如圖2所示。

圖2 大功率充電策略Fig.2 Chart of high power charging strategy

1.1 基本充電策略

1.1.1 多階段恒流充電策略

多階段恒流充電策略如圖3所示。其充電協(xié)議中，每一個臺階都持續(xù)一定的充電時間，直到電池電壓/容量達到過渡點，然后跳躍到下一個充電臺階，充電過程轉(zhuǎn)入下一個預(yù)置電流。由鋰電池的極化約束條件可知，在鋰電池充電初期即低荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)區(qū)間一般使用高電流，在充電末期即高SOC區(qū)間，一般使用低電流。因此，MSCC電流水平是逐級降低的。

圖3 多階段恒流充電[23]Fig.3 Chart of multi-stage constant current charging[23]

在多階段恒流充電策略的研究中，Khan 等[23]以充電截止電壓為過渡條件提出了一種多級恒流充電法最優(yōu)充電策略，該策略基于鋰離子電池RC 模型尋求最優(yōu)充電模式，相比傳統(tǒng)的恒流恒壓(constant current-constant voltage，CC-CV)方法，該策略充電時間減少12%，充電效率可以提高0.54%，節(jié)能1.8%并且具有較低的溫升。Lee等[24]提出了一種基于SOC來控制四階段恒流充電策略，電池每隔25%的荷電狀態(tài)間隔按預(yù)先設(shè)定的電流(1.8、1.3、0.9和0.5 C)充電。與CC-CV相比，該策略充電時間減少22.5%，且溫度變化幾乎是CCCV的一半。SOC估計準確性對于決定是否將其轉(zhuǎn)移到下一個充電階段至關(guān)重要，因此，基于SOC區(qū)間移動條件下的多級充電方法需要對SOC 進行實時準確的估計。以充電截止電壓為過渡條件還有許多新型MSCC 快充策略，Jiang 等[25]基于田口正交矩陣方法提出了一種多階段恒流充電策略，該策略將充電容量、充電效率和充電時間作為質(zhì)量函數(shù)進行分析，尋求最優(yōu)充電電流。與傳統(tǒng)CC-CV 相比，該充電策略在充電容量基本相同的條件下將充電效率提高了2.8%，溫升降低了9.3 ℃，充電容量基本相同。Li等[26]根據(jù)電池充電時間的帕累托邊界曲線提出了一種自適應(yīng)多級恒流恒壓充電(multistage constant current constant voltage，MCCCV)策略，與傳統(tǒng)的CC-CV 充電策略相比，該策略充電時間減少了37%，容量損耗減少了3.6%。

MSCC 策略(階梯式充電策略)的特點是簡單，易于控制和實現(xiàn)，因此該策略在目前的電動車充電策略中得到了廣泛應(yīng)用。目前采用這種充電策略的有雪佛蘭Bolt EV、現(xiàn)代Kona 和IONIQ、起亞Kia e-Niro、北汽EU7、蔚來ES6 等車型[27]。其中雪佛蘭Bolt EV、現(xiàn)代Kona 和起亞Kia e-Niro 采用五階梯式充電模式，北汽EU7 采用四階梯式充電模式，而現(xiàn)代IONIQ 則采用兩階梯式，蔚來ES6 主體采用階梯式充電策略，但在后期高SOC 區(qū)間呈現(xiàn)出斜坡模式。然而，階梯式充電模式的問題在于缺乏選擇最佳電池充電電流的理論基礎(chǔ)，若選取電流倍率過大容易使電池在某一階段溫升超過額定值，從而對電池壽命產(chǎn)生影響。

1.1.2 脈沖充電策略

脈沖充電被認為是一種快速、高效的鋰離子電池充電策略，它可以理解為一個不連續(xù)的恒流(constant current，CC)或恒壓(constant voltage，CV)充電，即充電電流被周期性地靜置或放電脈沖中斷，如圖4所示。其最先應(yīng)用于鉛酸電池快速充電，然后探索用于鋰離子電池的快速充電[29]。脈沖充電的主要特點是通過靜置或者加一段放電區(qū)間(類似于交流充電方式)來消除或降低極化電壓，使下一周期的可接受電流高于其他充電方式。這將使脈沖充電的平均充電電流高于其他充電方式，從而縮短充電時間。

圖4 非線性脈沖充電[28]Fig.4 Chart of nonlinear pulse charging[28]

脈沖充電策略的關(guān)鍵是通過理論或者實驗設(shè)計出最合適的脈沖參數(shù)(幅值、頻率、占空比等)。Fang 等從控制理論的角度研究了電池脈沖充電的最佳脈沖調(diào)制問題，建立了最小化健康成本和充電速度的成本函數(shù)[29]。該策略不僅有利于脈沖充電的實際應(yīng)用，也為今后基于控制理論的充電和電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)設(shè)計的研究提供了參考。Amanor-Boadu 等[30]使用田口正交陣列搜索最佳脈沖充電參數(shù)，提出了一種最優(yōu)脈沖充電策略，證明了脈沖充電具有更短的充電時間和更高的充電效率，但是PC 策略對循環(huán)壽命的影響尚未研究。Song 等[31]為了消除高幅值脈沖對鋰離子電池壽命的消極影響設(shè)計了一種負脈沖快速充電策略(fast charging negative pulse，F(xiàn)CNP)，并采用高比能量電池進行了實驗驗證。雖然脈沖充電策略具有更短的充電時間和更高的充電效率，但在高荷電狀態(tài)下進行脈沖充電是一種不合理的技術(shù)，容易造成鋰離子電池的過電壓失控，在實際應(yīng)用中也應(yīng)考慮其溫度和對循環(huán)壽命的影響。在實際應(yīng)用中一般很少有車企直接采用脈沖充電作為大功率充電模式，但少部分車型采用了脈沖快充的方式，采用脈沖的充電模式可以減小鋰電池極化從而充進更多電量。采用脈沖充電模式的車型有梅賽德斯奔馳Mercedes-Benz B-Class、雷諾Renault ZOE、比亞迪BYD E6 等[27]。其中，雷諾Renault ZOE 充電25～30 min 其行車里程可達100 km 左右，優(yōu)于一般的充電模式[32]。

1.1.3 SRC充電策略

SRC 充電策略采用正弦電流和直流電流疊加作為充電電流，如圖5所示，該策略通過最小化鋰離子電池阻抗頻率從而降低鋰離子電池的產(chǎn)熱。

圖5 充電電流波型[33]Fig.5 Chart of charging current waveform[33]

許多研究人員通過電化學(xué)阻抗譜(electrochemical impedance spectroscopy，EIS)分析得到鋰離子電池SRC 充電的最佳頻率。Chen 等[34]基于交流阻抗分析探索最佳的充電頻率提出了一種鋰離子電池正弦波電流充電策略。與CC-CV 策略相比，該策略在充電時間、充電效率、最大溫度上升和鋰電池的壽命方面分別提高了約17%、1.9%、45.8%和16.1%。為了克服SRC 充電方法的功率限制，Hu等[33]提出了一種適用于電動汽車鋰離子電池的混合正弦波脈沖電流HSPC充電策略，利用多脈沖電流中的相移產(chǎn)生高頻多電平充電電流，充電器與電機逆變器共用功率器件，節(jié)省硬件成本。Bayati等提出了一種跟蹤SRC 的極點配置控制策略和最優(yōu)頻率檢測算法(frequency detection algorithm，F(xiàn)DA)，該策略可明顯縮短充電時間，提高充電效率，并且有很好的溫升控制效果[35]。

目前，對于SRC-CV充電方式能否改善鋰離子電池的充電性能還沒有定論，但已有研究表明SRC 充電策略具有更短的充電時間，更高的充電效率和更好的溫升控制效果。然而，SRC 充電策略對硬件水平要求較高，成本較高，還需要進一步的理論分析和實驗工作了解SRC 充電在工業(yè)上的應(yīng)用。

1.1.4 Boost-charging策略

Boost-charging 特點是啟動充電階段設(shè)置更高的電流或最高電壓，然后是較為平緩的CC-CV 部分，如圖6所示。

圖6 Boost-charging充電[36]Fig.6 Boost-charging Chart[36]

Boost-charging 最早是由Notten 等[37]提出，并在圓柱型(US18500，Sony)和棱柱型(LP423048，Philips)鋰離子電池上進行了Boost-charging 實驗。與1 C CC-CV 方案相比，圓柱型電池的充電時間減少了約30%～40%，容量衰減沒有明顯的加速，對于棱柱形電池，充電時間減少較少，容量衰減率略高。Keil和Jossen[38]采用不同的充電策略對不同類型的18650大功率電池進行比較，在相同的充電時間下，與CC-CV 相比，Boost-charging 可以明顯縮短充電時間，但是容量衰減率有所增加。Boost-charging作為一種新型快速充電策略可以明顯縮短充電時間，提高充電效率，并且對循環(huán)壽命沒有明顯的影響。然而，Boost-charging沒有考慮充電電流的優(yōu)化和溫度的控制，因此在大功率充電條件下，電池模組產(chǎn)熱情況嚴重，如果不配以合適的熱管理系統(tǒng)，可能會引起熱失控。

1.2 充電策略的優(yōu)化

基于大功率充電的需求，電動汽車動力電池的充電倍率要盡量提高。然而由于熱管理系統(tǒng)和電池的耐久性，安全性所限，從電池管理系統(tǒng)的角度而言，電池的充電倍率應(yīng)受到充電溫升、電池壽命等一系列約束條件的限制。這些限制和大功率充電的最終目標，即加快充電速率，減小充電時間矛盾，所以在現(xiàn)有的充電策略適用過程中，常通過對充電策略進行多目標優(yōu)化，解決大功率充電過程中存在的問題。目前的優(yōu)化策略主要有兩種，一種是基于電池的耐久性實驗數(shù)據(jù)，優(yōu)化充電策略。另一種是基于電池模型，建立起電池外特性和內(nèi)部機理之間的聯(lián)系，從而通過控制充電過程中的極化實現(xiàn)充電策略的控制。

1.2.1 基于優(yōu)化算法的策略

在大功率充電模式下，雖然縮短了充電時間，提高了充電效率，但充電倍率較高會導(dǎo)致鋰離子電池極化電壓較大、溫升較高、老化加速等一系列問題?；趦?yōu)化算法的充電策略可實現(xiàn)任意多目標的優(yōu)化與平衡，從而解決大功率充電過程中存在的問題。

Zhang 等[39]利用遺傳算法(genetic algorithm，GA)尋找最優(yōu)的充電電流軌跡，討論了充電時間和溫升的加權(quán)系數(shù)對電池充電性能的影響，優(yōu)化后的充電策略與C/3恒流恒壓充電相比，充電時間減少了50%，且相應(yīng)的溫升幾乎相同。SUN等[40]提出了一種基于多目標粒子群優(yōu)化的充電策略，采用多目標粒子群優(yōu)化(multi-object particle swarm optimizer，MOPSO)方法獲得帕累托前沿，采用逼近理想解排序(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)方法確定最優(yōu)解，很好地實現(xiàn)了快充模式下極化的鋰離子電池充電時間和溫度上升的平衡。Xu等[41]基于動態(tài)規(guī)劃(dynamic programming，DP)算法和電化學(xué)-熱容量衰減耦合模型提出了一種最優(yōu)的鋰離子電池多級快充策略，與恒流充電方案相比，在3300多個充放電周期內(nèi)，該策略均能降低4.6%的容量衰減率，降低16.3%的溫升。Attia等[42]基于機器學(xué)習(xí)算法提出了一個閉環(huán)優(yōu)化大功率快充策略，使用貝葉斯優(yōu)化(Bayesian optimization，BO)算法來減少實驗次數(shù)。經(jīng)證明該策略大大減少了窮舉法所需實驗的數(shù)量和時間，提高了實驗效率，減少了時間成本。然而，可能會存在某些目標函數(shù)過于復(fù)雜或者不易描述，目標函數(shù)最優(yōu)解求解困難等問題。

1.2.2 基于電池模型的策略

基于電池模型的充電策略主要通過采用等效電路模型(圖7)或電化學(xué)模型(圖8)來預(yù)測最佳充電電流。他們將外部的電行為與內(nèi)部的反應(yīng)機制結(jié)合起來，通過控制極化電壓達到優(yōu)化充電的目的。

圖7 二階等效電路模型[43]Fig.7 Second-order equivalent circuit model[43]

圖8 單粒子電化學(xué)模型[43]Fig.8 Single particle electrochemical model[43]

等效電路模型以其計算速度快的優(yōu)點得到了廣泛關(guān)注。Ouyang 等[44]基于Rint 電池模型提出了一種兩層遞階充電控制策略。頂層控制通過多目標優(yōu)化來調(diào)度最優(yōu)充電電流，該優(yōu)化考慮了用戶需求、電池均衡、溫度和運行約束，利用無源性理論開發(fā)了底層控制，使充電器能夠很好地跟蹤預(yù)定的充電電流，經(jīng)證明該策略在控制溫升、縮短充電時間等方面具有很好的效果。Hu 等[45]基于一階阻容模型提出了一種考慮充電時間和充電損耗沖突的雙目標最優(yōu)充電策略，該策略采用偽譜技術(shù)和自適應(yīng)網(wǎng)格細分算法很好地實現(xiàn)了充電時間和充電損耗二者之間的平衡。Perez 等[46]基于二階等效電路模型和電池熱模型建立了一個非線性電-熱-老化耦合模型，提出了一種健康的快速安全充電策略。該策略采用自適應(yīng)多網(wǎng)格區(qū)間配置的勒讓德-高斯-拉多偽譜法求解高非線性六狀態(tài)最優(yōu)控制問題，實現(xiàn)了充電時間和電池健康狀況的最佳平衡。

基于等效電路模型策略的優(yōu)點是容易捕獲電池的外部特性，來設(shè)計最優(yōu)充電協(xié)議，但缺點是不能提供電池內(nèi)部狀態(tài)信息特別是充電引起的副作用，如SEI生長、鋰沉積等?；陔娀瘜W(xué)模型的優(yōu)化策略可以預(yù)測充電過程中的副反應(yīng)，因為它們能夠估計內(nèi)部狀態(tài)，如固體和電解質(zhì)電位、離子濃度和反應(yīng)通量。因此，電化學(xué)模型越來越多的應(yīng)用在充電策略的制定中。

Lin 等[47]提出了一種具有降解機理的電解質(zhì)增強單粒子(SPM，single particle model)模型，采用動態(tài)規(guī)劃技術(shù)尋找最優(yōu)充電策略，該快充策略能夠在不犧牲電池健康的前提下顯著縮短充電時間。Sturm等[48]基于標準的P2D/Newman電化學(xué)模型研究鋰離子電池快速充電策略，通過設(shè)置陽極電位閾值，可以獲得高倍率充電電流，從而最大限度地降低鋰電鍍的風險，并通過實驗證明了該策略可在18 min內(nèi)可以達到60%以上的SOC。Yin等[49]基于降階電化學(xué)模型(reduced-order electrochemical model，ROM)提出了一種新型鋰離子電池快速充電策略，該策略采用雙閉環(huán)電池系統(tǒng)實時實現(xiàn)，考慮到副反應(yīng)速率和離子濃度的ROM 快充策略表現(xiàn)出最佳性能。與制造商推薦的1 C CC/CV充電方法相比，ROM策略充電時間可減少40%以上。

基于電化學(xué)電池模型策略能夠準確表征電池內(nèi)部的材料特性和反應(yīng)機理，許多車企實際應(yīng)用的斜坡式充電模式就是基于電化學(xué)模型得來的。所謂斜坡式充電策略就是在大功率充電持續(xù)一定時間后，就變成了像一個緩緩下降的山坡。斜坡式充電一般基于P2D等電化學(xué)模型，利用三電極電池對SEI電位進行監(jiān)視預(yù)測，防止析鋰，從而優(yōu)化充電策略。斜坡式充電策略對充電過程中大量變化的點進行析鋰窗口的判定，主要是電流值的判斷，不同溫度下、不同SOC 都要去判定，超過這個電流限值，負極表面就會達到析鋰電位。目前采用該種充電策略的有Tesla Model 3、寶馬BMW i3、保時捷Taycan、捷豹I-PACE、大眾e-Golf、奧迪Audi etrone、Nissan Leaf 等車型[27]。其中保時捷Taycan從5% SOC 開始充電，充電電壓最大可達800 V，峰值功率可達270 kW[50]。然而，對電動汽車用鋰電池進行大功率充電，不能一味地追求功率的提高，由于倍率的提升導(dǎo)致熱失控所造成的安全性問題不容忽視。比如2019 年4 月份特斯拉連續(xù)的自燃事件，特斯拉此后對Model S 85 kW·h的充電功率進行了降低[51]。

1.3 不同充電策略及優(yōu)化方法的評價與比較

本文從所研究的電池類型、特點、需要優(yōu)化的參數(shù)以及該充電策略的優(yōu)缺點對不同的充電策略及優(yōu)化方法等方面進行了比較，見表2。

表2 不同大功率充電策略的評價與比較Table 2 Evaluation and comparison of different high power charging strategies

對于MSCC 和PC 策略，從充電時間、產(chǎn)熱、衰減、成本和高頻信號等五個角度對二者進行了比較，如圖9 所示。MSCC 和PC 都可以解決充電時間焦慮問題，在縮短充電時間提高充電效率上不相上下。MSCC 一般采用逐級遞減的充電策略，而PC 策略由于加入了靜置或放電階段，其平均充電電流水平較高，因此PC 策略產(chǎn)熱較多，溫度升高幅度較大，溫升較大會影響電池循環(huán)使用壽命。此外，如果PC 充電方式選擇不當也會造成鋰電池較高的容量衰減。MSCC最大的特點在于易于控制和實現(xiàn)，成本較低。但PC 對高頻信號和脈沖發(fā)生裝置要求較高。從機理角度而言，有部分研究已經(jīng)提及到使用脈沖充電方式能夠達到去極化的作用，抑制電池壽命的衰減，但該策略應(yīng)用實例較少。

圖9 MSCC與PC評價指標雷達圖Fig.9 Radar chart of MSCC and PC evaluation Index

對于SRC-CV充電方式能否改善鋰離子電池的充電性能還沒有定論，主要是因為如果考慮DC 分量，SRC 策略相比于其他策略沒有顯著的性能提升。此外，SRC對硬件水平要求較高，成本較高。Boost-charging 策略最大的特色是可以在5 min 內(nèi)將完全放電的電池充滿其額定容量的1/3 而對循環(huán)壽命沒有明顯的影響。然而，Boost-charging策略的缺點是溫度難以控制，充電電壓電流沒有優(yōu)化。

基于優(yōu)化算法的快充策略其最大的優(yōu)點是可實現(xiàn)任意需求目標的優(yōu)化與控制，為在線實現(xiàn)大功率充電策略提供了理論和實驗研究基礎(chǔ)。然而，其缺點是某些目標函數(shù)過于復(fù)雜或者不易描述，容易陷入局部最優(yōu)解，或者收斂速度太慢甚至不收斂，目標函數(shù)求解困難且制定充電策略前需要大量的耐久性實驗數(shù)據(jù)作為支持。近年來，一些研究人員嘗試使用基于等效電路模型(equivalent circuit model，ECM)來設(shè)計最優(yōu)充電協(xié)議?；贓CM策略的優(yōu)點是容易捕獲電池的外部特性，來設(shè)計最優(yōu)充電協(xié)議，其缺點是不能提供電池內(nèi)部狀態(tài)信息特別是充電引起的副作用，如SEI生長、鋰沉積等。為此，基于算法和模型的充電策略受到廣泛關(guān)注，尤其是基于電化學(xué)模型的大功率充電策略，不僅能改善鋰電池充電性能，更能反映鋰電池內(nèi)部副反應(yīng)。

在電動汽車空間有限的情況下，考慮到電池包能量密度的需求，電池的熱管理系統(tǒng)功率受到了限制，在熱管理技術(shù)沒有飛躍式進步的前提下，充電過程的最高溫度仍然是充電功率的主要限制條件，在對各種充電策略進行優(yōu)化時都應(yīng)確保電池溫升在安全閾值的范圍內(nèi)。而對于充電過程中電池的壽命衰減，除通過耐久性實驗標定以外，目前的充電策略優(yōu)化考慮通過大量變化的點進行析鋰窗口的判定，通過三電極電池監(jiān)測析鋰電位或者通過電化學(xué)模型預(yù)測SEI 電位，避免充電電流超過電流限值，負極表面達到析鋰電位，發(fā)生析鋰，造成嚴重的壽命衰減。該解決方法能夠很大程度上緩解大功率充電的電池壽命問題，但在不同溫度下、不同工況、不同類型電池、不同SOC 下均需要進行判定，這需要車企或電芯企業(yè)海量的數(shù)據(jù)支持。

2 電池組熱管理研究現(xiàn)狀

溫度對鋰離子電池的性能、安全性和循環(huán)壽命有顯著影響[52]。主要體現(xiàn)在，低溫條件下鋰離子電池的電解質(zhì)黏度增加，離子電導(dǎo)率降低，化學(xué)離子定向遷移阻抗增大[53]，使得低溫下電荷轉(zhuǎn)移電阻增加，影響電池的動力學(xué)性能[54]。另一種典型的低溫效應(yīng)是鍍鋰，鋰鍍層以枝晶的形式存在，電池長期在低溫下運行時，鋰枝晶將會增長，造成電池容量的不可逆損失[55-56]，當增長到一定程度時枝晶可能會穿透隔膜，引發(fā)電池內(nèi)部短路，增加電池的安全風險[57]。而當電池溫度過高時將導(dǎo)致電池性能發(fā)生退化，溫度升至45 ℃時電池極化內(nèi)阻將增加[58]。當電池在超過50 ℃的溫度環(huán)境中運行時，電池內(nèi)部的降解反應(yīng)加劇，電池的容量明顯下降[59]。當電池溫度超過90 ℃后負極表面的SEI 膜開始溶解，電池開始自產(chǎn)熱，此時如果不能有效地降低電池溫度，任由電池溫度上升，將會引起電池發(fā)生熱失控[60]。

電池在25～40 ℃區(qū)間運行時可實現(xiàn)最佳的功率輸出和輸入、最大的可用能量，以及最長的循環(huán)壽命[59]。因此，需要通過電池熱管理系統(tǒng)(battery thermal management system,BTMS)，將電池組的工作溫度控制在安全范圍內(nèi)。然而在大功率充電過程中，電池會產(chǎn)生大量的熱量，單體電池局部的溫度可能會急劇增加，從而導(dǎo)致某個模塊或整個電池組溫度過高[61]。當電池溫度過高時，整個電池組的溫度均勻性會變差，每個電池的充放電容量會有所不同，從而導(dǎo)致電池間的性能以及SOC差異[62]。如果電動汽車的電池組長期在較高的溫度下運行，電池組的一致性會降低，嚴重影響電池組的循環(huán)壽命，導(dǎo)致行駛里程的大幅減少[62]。

為此，合理的熱管理系統(tǒng)設(shè)計，成為了大功率充電技術(shù)中面臨的重要挑戰(zhàn)。在高溫冷卻方面，主要存在內(nèi)部冷卻和外部冷卻兩種形式。內(nèi)部冷卻可以將電池的熱量直接在內(nèi)部散去，Bandhauer 和Garimella 等[63]引入了微通道相變內(nèi)部冷卻概念，以改善車用LiFePO4鋰離子電池的熱梯度和溫度均勻性。但該種內(nèi)部冷卻技術(shù)仍然存在單個電池或電池組中電池之間的溫差較大的問題。工程應(yīng)用較多的仍然是外部冷卻方式，主要分為空氣冷卻、液體冷卻、相變材料以及熱管冷卻，如圖10所示。

圖10 各種電池冷卻系統(tǒng)原理[60]Fig.10 Schematic diagram of various battery cooling systems[60]

2.1 空氣冷卻

空氣冷卻可以分為自然風冷和強制對流兩種，管道類型和電池組布局如圖11 所示，包括電池組的水平和縱向布局以及常用的U 型管道和Z 型管道。Xu等[64]將電動汽車的強制空氣冷卻方式作為研究對象，研究了不同氣流管道模式的散熱性能，結(jié)果表明，雙U型管道電池組可滿足各種工況下的散熱性能要求，它具有較大的充放電裕度，可滿足電動汽車加減速運行的需要。Mahamad等[65]采用往復(fù)氣流對鋰離子電池進行冷卻以改善電動汽車電池的溫度均勻性，降低電池的最高溫度，結(jié)果表明，往復(fù)周期越短，系統(tǒng)的電池溫差和電池最高溫度越低。

圖11 液冷熱管理系統(tǒng)[69]Fig.11 Liquid cooling thermal management system[69]

由于大功率充電過程溫升較大，空氣冷卻可能無法使系統(tǒng)溫度降低到安全上限溫度，而且進出口位置可能會有很高的溫度差。Sabbah 等[66]比較了大功率鋰離子電池的相變材料被動冷卻與主動氣冷方式的效果，通過對插電式混合動力汽車小型鋰離子電池組的仿真顯示，在恒定放電倍率高達6.67 C以及環(huán)境溫度高達45 ℃甚至52 ℃時，主動氣冷方式下電池溫度會超過安全工作溫度上限。Lou[67]為了增強電池與外界的熱交換，設(shè)計了一種五葉型NiMH 電池組，但空氣冷卻不能使模組溫度差低于5 ℃，并且在電池組靠近和遠離風扇的位置之間可能會很高的溫度差。因此，空氣不是維持鋰離子電池組溫度均勻性以及控制表面溫度的最佳傳熱介質(zhì)，如何改進空氣冷卻方法使之滿足大功率充電的需求仍值得進一步研究。

2.2 液體冷卻

與空氣冷卻方式相比，液體具有更高的熱導(dǎo)率和比熱容[68]。液體冷卻按照按冷卻介質(zhì)可以分為制冷劑和冷卻劑，如圖11 所示。冷卻方式可以分為直接冷卻和間接冷卻，間接液體冷卻方式的典型散熱方法如圖12所示。

圖12 5種不同液體冷卻散熱器[70]Fig.12 Five different liquid cooling radiators[70]

Qian 等[68]采用了一種微通道的液體冷卻方法，通過建立三維模型，分析了通道數(shù)量、入口流速、流向和通道寬度對電池組熱性能的影響。Panchal等[71]通過實驗和仿真的方法對棱柱形電池組的微型通道冷板溫度和流速分布進行了比較研究。結(jié)果表明，微通道冷板內(nèi)的溫度隨著放電倍率的增加而增加，最靠近電極(陽極和陰極)的熱電偶傳感器測得的溫度高于電池表面中心。Jin 等[72]設(shè)計了蛇形通道液冷板，分別為直線型mini通道液冷板和超薄型mini 通道液冷板，并將熱負荷設(shè)置為220 W 和1240 W，來模擬電池正常運行和大功率充電/放電條件，結(jié)果表明新型冷板可以在熱負荷下以0.1 L/min和0.9 L/min 的低流速將加熱器表面溫度保持在50 ℃以下。Teng 等[73]采用三維FEA 電池冷卻模型對兩種PHEV電池組的熱性能進行了分析，結(jié)果表明，從包裝約束、重量能量密度、設(shè)計和控制的復(fù)雜性、成本和可靠性等角度評估，直接液體冷卻比間接液體冷卻效果更好。

為了更好地提升液體冷卻熱管理系統(tǒng)的冷卻效率，節(jié)約成本，Jarrett等[74]對電動汽車的電池散熱板進行優(yōu)化設(shè)計，采用參數(shù)化方法建立了如圖13所示的蛇型通道冷卻板的數(shù)學(xué)模型，利用計算流體動力學(xué)對其特性進行了評價，定義了壓降、平均溫度和溫度均勻性的目標函數(shù)并通過改變通道寬度和位置進行數(shù)值優(yōu)化。Huo等[75]為鋰離子電池設(shè)計了一種基于微通道冷板的電池熱管理系統(tǒng)，對冷卻系統(tǒng)進行三維熱建模，研究了通道數(shù)、流動方向、進口質(zhì)量流量和環(huán)境溫度對電池放電過程中溫升和溫度分布的影響。結(jié)果表明，電池的最高溫度隨著通道數(shù)和入口質(zhì)量流量的增加而降低。質(zhì)量流量增加后，流動方向?qū)鋮s性能的影響變小。冷卻性能隨入口質(zhì)量流量的增大而提升，但提升的趨勢變小。Wang 等[76]為鋰離子電池設(shè)計了一種基于熱硅片的液體冷卻電池熱管理系統(tǒng)，評估了不同放電速率時，不同數(shù)量的冷卻通道、流量和流動方向的電池熱管理系統(tǒng)的冷卻能力。結(jié)果表明，隨著熱硅片和液道的增加，電池內(nèi)部達到的最高溫度逐漸降低，流動方向?qū)鋮s性能沒有顯著影響，而冷卻性能隨入口流量的增大而明顯提高，在超過特定閾值后，增益大大降低，Zhou 等[77]針對圓柱型鋰離子電池提出了一種基于半螺旋管的液體冷卻方法，通過仿真分析了電池5C 倍率放電時入口質(zhì)量流量、螺旋管的間距和數(shù)量、液體流動方向和螺旋管直徑的影響。研究結(jié)果表明，大直徑的螺旋管有利于降低電池的溫差，采用不同流體方向的半螺旋管可以調(diào)節(jié)電池單體的溫度分布。

圖13 冷卻板CFD分析[75]Fig.13 Cooling plate CFD analysis[75]

在液冷系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，奔馳S400 Blue Hybrid汽車采用了制冷劑的直接冷卻方式[69]；Tesla電動汽車中的采用了直接液體冷卻/加熱方式。Tesla Roadster中的電池冷卻系統(tǒng)使用1∶1比例的乙二醇/水混合物作為冷卻劑[78]。散熱接口緊貼在冷卻管上，形成電池組下方的底座(圖14)來用作散熱器，通過與冷卻液的熱交換來提供有效的冷卻。

圖14 特斯拉跑車電池冷卻[74]Fig.14 Tesla Roadster battery cooling[74]

2.3 相變材料冷卻

空氣冷卻和液體冷卻在廣泛應(yīng)用的同時，也仍存在著缺點，其冷卻系統(tǒng)在電動汽車(即風扇和泵)中占用了額外的空間，因此會增大設(shè)計的復(fù)雜程度[79]。為了克服傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)的缺點，相變材料(phase change material，PCM)被應(yīng)用在了電池熱管理系統(tǒng)中。相變材料冷卻是指溫度不變的情況下改變物質(zhì)狀態(tài)并且提供潛熱物質(zhì)，轉(zhuǎn)變物理性質(zhì)的過程，這個過程會吸收或釋放大量潛熱，使電池降溫，如圖15所示[80]。根據(jù)應(yīng)用，相變材料初始狀態(tài)為：液-氣、固-氣、固-固和固-液。目前，固-液相變材料在電池熱管理應(yīng)用中備受青睞[79]。

圖15 相變熱管理系統(tǒng)概念Fig.15 PCM BTMS concept

Rao[81]在簡化熱源35 A(5 C)恒流放電條件下，測試了相變材料和電池的電導(dǎo)率。結(jié)果表明，潛熱隨熱導(dǎo)率的增大而減小。此外，通過對相變材料熱管理系統(tǒng)進行建模得出，熔點高于45 ℃的相變材料對推薦最高溫度低于50 ℃的電池組的散熱效果更好。Ling等[82]提出了一種相變材料與強制氣冷相結(jié)合的鋰離子電池混合熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)有效阻止了熱量累積，并且在所有循環(huán)周期內(nèi)能夠使最高溫度維持在50 ℃以下。研究表明，相變材料的熱物理性質(zhì)決定了電池組的最高溫升和溫度均勻性，而強制空氣對流對相變材料的蓄熱能力的恢復(fù)起著關(guān)鍵作用。Rao等[83]設(shè)計了一種相變材料/微通道耦合動力電池熱管理系統(tǒng)以及三維電池熱模型，如圖16所示，采用數(shù)值方法研究了入水口質(zhì)量流量、相變溫度以及相變材料的熱導(dǎo)率等的影響，結(jié)果表明，相變材料的熱導(dǎo)率和相變溫度對相變材料的液相體積比影響很大，通道數(shù)的增加導(dǎo)致電池組的最高溫度和最大溫差的降低。此外，相變材料/微通道耦合電池熱管理系統(tǒng)的熱性能更加有效，為相變材料/液體耦合電池熱管理系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考。

圖16 相變材料/微流道[83]Fig.16 Schematic of PCM/mini-channel coupled BTMS system[83]

潛熱能力、熱導(dǎo)率和熔點都是相變材料是否合適的重要因素。如表3 所示，針對電池熱管理系統(tǒng)，文獻[84]已經(jīng)對相變材料的熱性能進行了分析，并列出了可用于電池熱管理的理想相變材料。

表3 車輛應(yīng)用和相變材料[84]Table 3 Vehicle applications and PCMs

2.4 熱管冷卻

熱管可以將電池模塊內(nèi)部熱量轉(zhuǎn)移到周圍環(huán)境中，從而使電池在不同工作條件下能夠保持所需的正常溫度，并顯著降低電池模塊內(nèi)部和模塊間的溫差[85]。作為一種典型的無吸液芯熱管，脈動熱管(oscillating heat pipe，OHP)能夠較好地克服傳統(tǒng)吸液芯熱管易受攜帶和沸騰極限制約的缺陷，具有傳熱性能優(yōu)異和環(huán)境適用性強等優(yōu)點[86]，在電動汽車熱管理方面具有很好的應(yīng)用前景。

Ye等[87]將熱管應(yīng)用到方殼或軟包電池的熱管理系統(tǒng)中，通過優(yōu)化設(shè)計和靈敏度研究提高系統(tǒng)的冷卻能力并改善系統(tǒng)的溫度均勻性，在單體電池和電池模組上對優(yōu)化設(shè)計后的方殼電池熱性能進行了評估，結(jié)果表明，優(yōu)化的熱管系統(tǒng)對能夠很好地處理電池8 C充電時最大產(chǎn)熱量的2倍熱量。Zhao等[88]針對鋰離子電池在高速運行過程中出現(xiàn)的熱沖擊問題提出了一種體積小、重量輕、能有效控制電池放電溫度的熱管濕冷式電池熱管理系統(tǒng)，如圖17 所示。濕冷式熱管理系統(tǒng)只用4個噴涂水的裝置就可以保持8 A·h電池組的溫度低于30 ℃。與空氣冷卻和液體冷卻不同，熱管冷卻仍處于初步開發(fā)階段。但是熱管BTMS還沒有得到充分的認識[89]。

圖17 8 A·h(上)和3 A·h(下)熱管冷卻電池[88]Fig.17 8 A·h(top)and 3 A·h(bottom)battery packs with heat pipes[88]

2.5 不同冷卻方式評價

為了評價電池熱管理系統(tǒng)在大功率充電條件下的冷卻效果，從所研究的電池類型、充電倍率、冷卻效果等方面，對各種外部冷卻方法進行了比較，見表4。

表4 大功率充電熱管理策略比較Table 4 Comparison of thermal management strategies for high power charging

在空氣、液體、PCM和熱管四種冷卻方式中，空氣冷卻和液體冷卻被認為是應(yīng)用較為廣泛的冷卻方式，而PCM 和熱管冷卻仍需進一步去研究?？諝饫鋮s適用范圍廣，成本低，易于獲取冷卻材料。近年來，空冷技術(shù)主要圍繞著幾何布局和運行參數(shù)優(yōu)化去發(fā)展。但在大功率充電條件下，溫度上升劇烈，可能無法將模組溫度控制在安全范圍內(nèi)，并且會導(dǎo)致入口和出口位置產(chǎn)生較大的溫差。大功率充電狀態(tài)下液體冷卻的研究集中在冷卻板的幾何結(jié)構(gòu)、冷卻液流速和冷卻介質(zhì)等方面。受限于目前電池的封裝技術(shù)，這兩者需要風機、泵、箱體、冷卻管道等其他附件，導(dǎo)致空氣冷卻和液冷的成本較大，風機/泵、冷卻管道會加大冷卻系統(tǒng)的重量和空間利用率。同時，它們會消耗電動汽車電池能量，降低電池的功率和能量密度。PCM 冷卻可以將大功率充電狀態(tài)下的模組溫度控制在安全范圍內(nèi)，并且模組均勻性較好。但是在大功率充電條件下仍面臨著一些挑戰(zhàn)，相變冷卻的導(dǎo)熱性較差，并且面臨著相變物質(zhì)融化完全失效的風險。為了解決這一問題，PCM 系統(tǒng)中集成了強制空氣和液體冷卻以及熱管技術(shù)來回收潛熱，但這種冷卻方式會犧牲簡單性和緊湊性。同樣的，PCM 系統(tǒng)集成強制空氣和液體冷卻會大大增加重量和成本。因此，為了加快PCM 冷卻方法商業(yè)化的發(fā)展，使之實際應(yīng)用于大功率充電場合，需要進一步研究并且找出合適的PCM 材料。熱管在工業(yè)和電子熱管理等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但在電池熱管理系統(tǒng)中的應(yīng)用還不多見。選擇合適的熱管與電池組良好接觸，選擇有效的冷卻方式和冷卻結(jié)構(gòu)使熱管電池熱管理系統(tǒng)具有良好的熱性能和冷卻效果，是下一步研究的關(guān)鍵。

圖18 不同冷卻方式的比較Fig.18 Comparison of different cooling methods

3 電動汽車大功率充電策略及熱管理系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)

3.1 大功率充電策略面臨的主要挑戰(zhàn)

（1）為滿足電動汽車長續(xù)駛里程的需求，動力電池企業(yè)近幾年重點發(fā)展了單體能量密度提升至300 W·h/kg 以上的制造技術(shù)，即采用更高容量的材料和較厚的電極。但要實現(xiàn)電池大功率充電，仍需要在材料制備上，優(yōu)化電極的厚度，進一步改善鋰離子的接受和傳輸能力。

（2）為滿足大功率充電時動力電池的安全性，需要提升電池管理系統(tǒng)在全氣候溫度條件下狀態(tài)估計方面的能力，以避免動力電池組由于SOC 狀態(tài)估計錯誤導(dǎo)致的單體電池過充情況。

（3）為了能夠快速消除高速充電產(chǎn)生的高溫熱量，電池電量到達一定比例或熱量較高時，需要有效降低充電功率，防止過充或者起火，延長電池壽命。為此，需要構(gòu)建能夠反映電池大功率快速充電過程的熱-電耦合動態(tài)模型，結(jié)合動力電池的耐久性模型，開展充電功率時變優(yōu)化策略的研究。

3.2 大功率充電過程動力電池組熱管理系統(tǒng)面臨的主要挑戰(zhàn)

（1）大功率充電過程中，動力電池單體將產(chǎn)生大量的熱，如果冷卻系統(tǒng)強制冷卻，將導(dǎo)致單體電池內(nèi)外部溫差加大，進而影響電池的性能。為此，如何根據(jù)準確估計動力電池內(nèi)部溫度，結(jié)合外部溫度測量，構(gòu)建實現(xiàn)閉環(huán)的冷卻功率時變動態(tài)優(yōu)化控制，是熱管理系統(tǒng)面臨的主要難題之一。

（2）大功率充電過程，動力電池組面臨的產(chǎn)熱及溫度分布不均勻問題，溫度最高的單體電池壽命衰減最快，加大了電池組中單體電池容量的不一致性，降低了動力電池組的可用能量。為此，如何在明確動力電池組產(chǎn)熱機制的同時，優(yōu)化電池系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，選擇合適散熱方式，合理管理電池熱量，提升動力電池組的可用容量，是動力電池組熱管理系統(tǒng)面臨的另一個難題。

4 結(jié)論

動力電池大功率充電能夠在一定程度上解決電動汽車里程焦慮的問題，被學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界公認為理想的充電方式。但是在動力電池大功率充電過程中，電池管理系統(tǒng)面臨著一系列技術(shù)難題需要解決，本文對動力電池大功率充電策略及熱管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)，進一步分析了大功率充電過程電池充電策略及熱管理系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)。

（1）減少充電時長的同時更好地避免電池的壽命衰退，仍是電動汽車大功率充電所面臨的重要挑戰(zhàn)。已報道的快速充電策略中，基于電化學(xué)模型的大功率充電策略，不僅能改善鋰電池充電性能，更能反映鋰電池內(nèi)部副反應(yīng)。如果能夠?qū)δＰ瓦M行降階簡化并結(jié)合相關(guān)算法進行優(yōu)化，未來會有更大的應(yīng)用前景。

（2）大功率充電條件下，空氣冷卻可能無法使電池組溫度降到安全范圍內(nèi)，并且導(dǎo)致模組均勻性變差。液體冷卻、PCM 和熱管冷卻方式都可以在大功率條件下將電池溫度控制在安全范圍內(nèi)。作為目前電池熱管理系統(tǒng)中，主要采用的液體冷卻方式，但是存在著泵、壓縮機等消耗電池的功率，導(dǎo)致電池組能量密度下降，并且成本較高的缺點。因此，未來可以從液冷板的幾何結(jié)構(gòu)、冷板布置方式等方面去分析和優(yōu)化。

針對龐大的電動汽車市場及快速充電的需求，大功率充電面臨的冷卻成本較高、冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計復(fù)雜和壽命衰退等難題仍需得到進一步突破。而面向大功率充電過程中充電策略優(yōu)化、電池組熱管理系統(tǒng)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展是解決上述挑戰(zhàn)的重要解決途徑。