一種動力電池組高溫高速工況臺架測試方案

韓友國　楊玉梅

摘 要：本文我們設計了一種動力電池組系統高溫高速工況臺架測試方案，用以模擬電動汽車高溫環境下持續高速行駛工況。該方案通過步入式溫度箱模擬所需高溫環境、通過充放電設備模擬整車高速行駛工況，該方案所需測試費用低、測試工況簡單、臺架易于實現，能夠更好的指導動力電池組系統的開發與設計。可在開發階段時驗證動力電池組系統是否能夠在其工作溫度范圍內滿足整車在高溫環境下高速行駛的需求。

關鍵詞：動力電池組；高溫；高速；臺架測試

1 前言

通常，電動汽車用動力電池組系統的工作溫度普遍在-20℃～60℃。為了保證動力電池組系統能夠始終在其有效溫度范圍內工作，電池管理系統（BMS）會根據廠家提供的電芯參數、整車設計參數等設定相應的溫度保護條件。當動力電池組系統溫度達到設定的溫度保護條件時，其內部繼電器將被切斷，不能再繼續輸出動力。

電動汽車在高溫環境中連續使用時，動力電池會持續地進行充電、放電，從而導致動力電池組系統溫度不斷上升。而當動力電池組系統溫度超出其正常工作溫度范圍時，其內部繼電器將被切斷，不能再繼續輸出動力，導致電動汽車無法繼續行駛。尤其當電動汽車在高溫環境下連續高速行駛時，持續較大的放電電流將加劇動力電池組系統溫度的升高。

為了確保所開發的動力電池組系統能夠滿足整車高溫環境下高速行駛的需求，主機廠通常會在開發環節將動力電池組系統搭載整車，在高溫環境下進行轉轂試驗以驗證其是否能夠滿足整車開發目標。但是，由于將動力電池組系統搭載整車進行轉轂測試所需測試費用較高，為了減少整車開發環節中的測試費用，我們設計了一種動力電池組系統高溫高速工況測試方案，用以模擬電動汽車高溫環境下連續高速行駛工況。該方案通過步入式溫度箱模擬所需高溫環境、通過充放電設備模擬整車高速行駛工況，所需測試費用低、測試工況簡單、臺架易于實現，能夠更好的指導動力電池組的開發與設計。

2 高溫高速工況臺架測試方案

本文所設計的動力電池組系統高溫高速工況臺架測試方案主要模擬電動汽車在高溫環境下的兩種高速行駛工況，分別為：高溫高速爬坡工況、高溫高速無坡度工況（含快充）。以便于在電動汽車用動力電池組系統開發階段時驗證動力電池組系統是否能夠在其工作溫度范圍內滿足整車在高溫環境下高速行駛的需求。

2.1 高溫高速爬坡工況

該工況所描述的是電動汽車充滿電后，在高溫環境、滿載、空調全開內循環、路面為3%坡度情況下整車以所設計的最大車速行駛至10%SOC時的工況，其中，行駛過程中允許限功率行駛。使用動力電池測試臺架模擬該工況時，需提前確定整車在高溫環境、滿載、空調全開內循環、路面為3%坡度下持續高速行駛時的持續放電功率P1。高溫高速爬坡工況見表1。

2.2 高溫高速無坡度工況

該工況主要包含三個步驟，所描述的是電動汽車充滿電后，在高溫環境、滿載、空調全開內循環、無坡度路面情況下進行高速行駛、快充、再高速行駛時的工況。具體描述如下：

（1）首先以整車所允許的最大車速或全油門行駛至電池組系統剩余電量為30%，即30%SOC時結束；

（2）然后使用快充樁將電動汽車充電至電池組系統剩余電量80%，即80%SOC時結束；

（3）最后在相同情況下再以整車所允許的最大車速或全油門行駛至電池組系統剩余電量為10%，即10%SOC時結束。

上述兩次高速行駛過程中均允許限功率行駛。兩次高速行駛的持續放電功率值保持一致，第一次高速行駛至30%SOC時結束，第二次高速行駛至10%SOC時結束。使用動力電池測試臺架模擬該工況時，需提前確定整車在高溫環境、滿載、空調全開內循環、無坡度路面下高速行駛時的持續放電功率P2。高溫高速無坡度工況見表2。

2.3 整車及動力電池組參數

為了驗證上述動力電池組系統高溫高速工況臺架測試方案的可靠性、易實施性，我們以某款純電動汽車用動力電池組系統為例對所設計的動力電池組系統高溫高速工況臺架測試方案進行了驗證，該試驗所需提前知曉的上述純電動汽車整車及動力電池組系統參數如表3所示。其中，試驗過程中主要關注動力電池組系統在模擬該純電動汽車進行高溫高速工況試驗時，動力電池組系統溫度是否始終在其工作溫度范圍內，同時始終不會達到動力電池組系統溫度保護條件。

2.4 電池組系統及整車限功率參數

表4為廠家提供的動力電池組系統在不同溫度、不同SOC時的最大放電能力表，使用充放電設備模擬所設計的高溫高速工況時，放電電流值應始終維持在該表范圍內；同時，為了模擬整車限功率策略，當動力電池組系統SOC<30%或HT>50℃時，放電電流值取廠家提供的最大放電電流值的一半。

表5、表6分別為經過計算后，該動力電池組系統在執行所設計的兩種高溫高速工況時不同溫度、不同SOC下的理論放電電流表。使用充放電設備模擬所設計的兩種高溫高速工況時，需將表5和表6中不同溫度和SOC下的電流值寫入設備運行時的相應工步中。

2.5 試驗步驟

該部分主要描述了使用某款純電動汽車用動力電池組系統模擬上述兩種高溫高速工況進行臺架測試所涉及的步驟。其中，高溫高速工況試驗前需在常溫25℃±2℃環境下使用廠家建議的充電方式將動力電池組系統標準充滿電，以確保電池組系統充分充滿電；高溫高速工況試驗過程中，需保持動力電池組系統所處環境溫度始終在40℃±2℃；試驗過程中，需至少始終監測動力電池組系統單體電壓、單體溫度、電池組總壓、電流、接觸器狀態。

2.5.1 高溫高速爬坡工況測試步驟

（a）將動力電池組系統置于25℃±2℃步入式溫度箱中保溫，直至電池組系統所有單體溫度維持在25℃±2℃；

（b）使用充放電設備，根據廠家建議的充電方式將動力電池組標準充滿電；

（c）將步入式溫度箱溫度調整至40℃±2℃進行環境適應，直至電池組系統所有溫度維持在40℃±2℃；

（d）使用充放電設備，將電池組系統以29KW恒功率放電至10%SOC結束。

2.5.2 高溫高速無坡度工況測試步驟

該工況主要包含高速1、快充、高速2三個步驟，詳細描述如下：

（1）高速1：

（a）將動力電池組系統置于25℃±2℃步入式溫度箱中保溫，直至電池組系統所有單體溫度維持在25℃±2℃；

（b）使用充放電設備，根據廠家建議的充電方式將動力電池組標準充滿電；

（c）將步入式溫度箱溫度調整至40℃±2℃進行環境適應，直至電池組系統所有溫度維持在40℃±2℃；

（d）使用充放電設備，將電池組系統以19KW恒功率放電至30%SOC結束。

（2）快充：

高速1試驗結束后，無需等待，迅速使用快充樁將電池組系統快充電至80%SOC結束。快充過程中，步入式溫度箱溫度始終設定在40℃±2℃范圍內。

（3）高速2：

快充試驗結束后，無需等待，迅速使用充放電設備，將電池組系統以19KW恒功率放電至10%SOC結束。高速2試驗過程中，步入式溫度箱溫度始終設定在40℃±2℃范圍內。

3 試驗結果及分析

3.1 高溫高速爬坡工況

圖1為上述某款純電動汽車用動力電池組模擬高溫高速爬坡工況進行臺架測試時，動力電池組系統放電電流（Current）、最高單體溫度（HT）、最低單體溫度（LT）、SOC隨時間變化曲線。其中，放電電流曲線中的a、b、c、d點分別對應不同時刻的電流值。a點時刻表示高溫高速爬坡工況運行時的起始時間，當運行至b點對應時刻時HT=46℃、SOC=76.5%，放電電流值達到電池組系統當前最大允許電流值，此后遵循電池組系統限功率策略。隨著SOC進一步降低，電池組系統依次以87A、76A電流恒流放電。當運行至SOC=30%，即c點對應時刻時，達到整車限功率條件，此時放電電流值取當前條件下電池組系統允許最大放電電流值的一半，該階段隨著SOC的降低，放電電流依次為：33.5A、28.5A、22.5A，直至運行至10%SOC時（d點對應時刻），試驗結束。結束時動力電池組系統最高單體溫度HT=51℃。

圖2為動力電池組高溫高速爬坡試驗起始與結束時22個電池模組溫度、溫升變化曲線。由圖可知，試驗結束時電池模組最高溫度為51℃，電池模組最大溫升為11℃；且試驗結束時22個模組之間溫度分布較為均勻，溫差僅1℃。整個試驗過程中，該動力電池組所有模組溫度始終在其工作溫度范圍內，同時始終未達到動力電池組最高溫度保護條件。

3.2 高溫高速無坡度工況

圖3為上述某款純電動汽車用動力電池組模擬高溫高速無坡度工況（含快充）進行臺架測試時，動力電池組系統放電電流（Current）、最高單體溫度（HT）、最低單體溫度（LT）、SOC隨時間變化曲線。其中放電電流曲線中a、b、c、d、e分別對應不同時刻的電流值。a-b時段模擬電動汽車高速運行工況，b-c時段使用快充樁進行快充，c-e時段再次模擬電動汽車高速運行工況。a點時刻表示高溫高速工況（含快充）開始運行，當工況運行至b點對應時刻時第一個高速工況運行結束，此時HT=46℃、SOC=30%。然后無需等待，立馬進行快充，直至快充至80%SOC，即c點對應時刻，該時刻 HT=50℃、SOC=80%。最后再次運行高速工況，運行過程中，隨著溫度的變化，放電電流值不斷發生變化（可參考表5）。當工況運行至d點對應時刻時HT=50℃、SOC=30%，達到整車限功率SOC值，之后放電電流值取當前條件下電池組系統允許最大放電電流值的一半，直至放電至10%SOC時（e點對應時刻），試驗結束。結束時動力電池組系統最高溫度為HT=51℃。

圖4為動力電池組高溫高速無坡度工況試驗起始與結束時22個電池模組溫度變化曲線。由圖可知，試驗起始時，22個電池模組溫度均為41℃，當第1段高速工況結束時，22個電池模組溫度升至46℃，溫升為5℃；快充結束時，22個電池模組升溫至46-50℃，溫升5-9℃；第2段高速工況結束時，22個電池模組升溫至48-51℃。整個試驗過程中，22個電池模組溫度分布較為均勻，溫差最高僅4℃。整個試驗過程中，該動力電池組所有模組溫度始終在其工作溫度范圍內，同時始終未達到動力電池組最高溫度保護條件。

4 結論

本文所設計的一種動力電池組高溫高速工況臺架測試方案，可有效模擬電動汽車高溫環境下高速行駛情況。使用該種臺架測試方案，可在動力電池組開發階段時驗證其是否能夠滿足整車高溫高速行駛的開發目標，有效地指導動力電池組的開發與設計。

基金項目

名稱：奇瑞全鋁車身A0級純電動SUV研發及產業化；編號：16030901035。

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