動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)測(cè)試平臺(tái)搭建與試驗(yàn)研究

范恒斌 朱順良 謝歡 龔明光

上海機(jī)動(dòng)車(chē)檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司 上海市 201800

1 引言

隨著新能源市場(chǎng)的快速發(fā)展，新能源電動(dòng)車(chē)使用區(qū)域越廣泛，對(duì)整車(chē)性能的要求也越來(lái)越高。目前，對(duì)于電池系統(tǒng)通常比較關(guān)注的3 個(gè)特性：壽命、安全、使用性能，均與電池?zé)嵯嚓P(guān)問(wèn)題具有緊密的聯(lián)系。此外，鋰離子動(dòng)力電池長(zhǎng)期在極端環(huán)境下工作，不僅會(huì)造成使用壽命的縮短，而且會(huì)帶來(lái)安全隱患，甚至引發(fā)安全事故。因此，設(shè)計(jì)優(yōu)異的熱管理系統(tǒng)可以保障新能源車(chē)用動(dòng)力電池在運(yùn)行過(guò)程中始終保持在合適的溫度范圍，不僅可以滿(mǎn)足高的動(dòng)力性輸出，增加電池的循環(huán)壽命，同時(shí)可以保障整車(chē)使用的安全性能。綜上所述，建立一個(gè)通用性強(qiáng)的熱管理系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)十分重要，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的評(píng)測(cè)和研究，為電池包熱管理整體設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 熱管理系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)搭建

熱管理系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)如圖1 所示。其中試驗(yàn)樣品DUT 為鋰離子電池系統(tǒng)，與通過(guò)上位機(jī)對(duì)電池系統(tǒng)監(jiān)控；充放電測(cè)試系統(tǒng)為AVL 品牌，可以模擬整車(chē)充放電工況，輸出直流電壓范圍0-1000V，輸出電流±600A；溫度記錄儀為日置HIOKI8400 型號(hào)，具有60 個(gè)電壓/溫度采集通道，用于采集電池包內(nèi)部不同位置溫度或電壓；步入式環(huán)境箱為12m，溫度范圍-40 ～120℃，溫度控制精度為±2℃；液冷機(jī)為凌工品牌，包含流量傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、壓縮機(jī)、加熱器等設(shè)備，為電池包提供外部熱源或冷源并對(duì)參數(shù)進(jìn)行控制。以上所有設(shè)備的采集數(shù)據(jù)都可通過(guò)CAN 總線(xiàn)向DAQ 電腦端傳輸，在電腦端可實(shí)現(xiàn)對(duì)所有設(shè)備的控制及數(shù)據(jù)監(jiān)控。

圖1 電池管理系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)示意圖

3 動(dòng)力電池?zé)峁芾頊y(cè)試平臺(tái)功能

基于設(shè)計(jì)和搭建的動(dòng)力電池?zé)峁芾頊y(cè)試平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）可以進(jìn)行高溫、低溫和常溫電池包放電容量測(cè)試，為電池包優(yōu)化設(shè)計(jì)、公告試驗(yàn)和整車(chē)放電MAP、充電控制策略?xún)?yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

（2）可以實(shí)現(xiàn)高溫、低溫、和常溫電池包充電速率測(cè)試，為電池包優(yōu)化設(shè)計(jì)和整車(chē)充電控制策略?xún)?yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

（3）能模擬整車(chē)各個(gè)環(huán)境溫度條件和充放電工況進(jìn)行電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)，為整車(chē)級(jí)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持和性能驗(yàn)證；

（4）能實(shí)現(xiàn)高溫電池制冷、低溫電池加熱、隔熱保溫等測(cè)試功能，對(duì)電池?zé)峁芾砜刂撇呗赃M(jìn)行優(yōu)化與驗(yàn)證，同時(shí)也可以進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的電池?zé)峁芾順?biāo)定優(yōu)化試驗(yàn)，為整車(chē)級(jí)電池?zé)峁芾順?biāo)定試驗(yàn)做數(shù)據(jù)支撐，縮短整車(chē)開(kāi)發(fā)周期。

4 動(dòng)力電池?zé)峁芾頊y(cè)試平臺(tái)試驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證動(dòng)力電池?zé)峁芾頊y(cè)試平臺(tái)搭建的準(zhǔn)確性和平臺(tái)控制功能的可靠性，本文進(jìn)行了某款液冷系統(tǒng)電池包的高溫冷卻、低溫加熱、保溫性能試驗(yàn)，搭建了測(cè)試平臺(tái)如圖3所示，對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行分析。

4.1 高溫冷卻試驗(yàn)

本試驗(yàn)包含4 個(gè)工況下試驗(yàn)，工況1：350A 快充工況在5%實(shí)際SOC，電池包內(nèi)部溫度達(dá)到25℃熱平衡時(shí)，環(huán)境箱溫度達(dá)到45℃下進(jìn)行快速充電，充電時(shí)保持進(jìn)水口溫度22±2℃，流量12L/min，模擬整車(chē)在高溫環(huán)境下快充時(shí)，熱管理系統(tǒng)的冷卻效果，充電初期溫度處于上升狀態(tài)，熱管理系統(tǒng)起到減緩電芯溫度上升的作用，充電30min 時(shí)，溫度達(dá)到最高點(diǎn)，按照充電MAP 策略，電流降低為193A，此時(shí)溫度發(fā)生下降，充電產(chǎn)生的熱量低于熱管理系統(tǒng)帶走的熱量，充電結(jié)束時(shí)溫度降至30℃，熱管理系統(tǒng)將整個(gè)充電過(guò)程中的溫度穩(wěn)定在安全范圍之內(nèi)。

工況2：6%坡度，100km/h 高速行駛工況，使電池包內(nèi)部達(dá)到38℃熱平衡，環(huán)境箱溫度達(dá)到45℃下進(jìn)行恒功率放電，水冷機(jī)進(jìn)水口溫度22±2℃，流量12L/min，模擬整車(chē)在高溫環(huán)境下，爬坡行駛時(shí)，熱管理系統(tǒng)的效果，試驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示，放電5min 前，電芯溫度處于上升階段，5min 后，溫度開(kāi)始下降，放電60min 時(shí)，由于恒功率放電末端電池包電壓下降，電流升高，導(dǎo)致產(chǎn)熱增加，電芯溫度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

工況3：250A 快充高速行駛工況，使電池包內(nèi)部達(dá)到32℃熱平衡，環(huán)境箱溫度達(dá)到45℃下進(jìn)行250A 快充，充滿(mǎn)電后進(jìn)行恒功率放電，水冷機(jī)進(jìn)水口溫度22±2℃，流量12L/min，模擬整車(chē)在高溫環(huán)境下快充滿(mǎn)電后繼續(xù)行駛的情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示，充電40 分鐘之前電芯溫度處于上升狀態(tài)，在40min 時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)，電流降至193A，溫度發(fā)生下降，充電結(jié)束后整個(gè)放電過(guò)程溫度成上升狀態(tài)。

圖2 工況2：100km/h 6%坡度放電溫度、功率-時(shí)間曲線(xiàn)

工況4：30min 快充工況，將電池包保持在25℃熱平衡狀態(tài)后，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度達(dá)到45℃，水冷機(jī)內(nèi)循環(huán)至18℃，開(kāi)啟30min 快充試驗(yàn)，水冷機(jī)保持18℃，流量12L/min，模擬整車(chē)在高溫環(huán)境下進(jìn)行30min 快充時(shí)，熱管理系統(tǒng)的效果，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示，充電18min 之前，由于電流過(guò)大，溫度處于上升階段，18min 時(shí)，溫度達(dá)到最高點(diǎn)，按照充電MAP 策略，電流降低為290A 電流，溫度發(fā)生下降，直至充電結(jié)束溫度到達(dá)30℃，全過(guò)程中電芯溫差逐漸升高。

圖3 工況3：250A快充+100km/h 6%坡度放電溫度、電流-時(shí)間曲線(xiàn)

在工況1 快充中，電芯最高溫度達(dá)到42.2℃，最大溫差2.3℃；工況2 中，電芯最高溫度達(dá)到40.3℃，最大溫差1.8℃；工況3 中，電芯最高溫度達(dá)到41.5℃，最大溫差2.5℃；工況4 中，最高溫度達(dá)到46.6℃，最大溫差2.7℃。工況1~3 中，電芯最高溫度均未超過(guò)43℃，最大溫差未超過(guò)3℃；工況4 由于快充電流過(guò)大，最高溫度超過(guò)45℃，低于50℃，最大溫差未超過(guò)3℃；在250A 和350A 快充工況中，水冷機(jī)溫度22℃，流速12L/min，電流降至193A 時(shí)，溫度變?yōu)橄陆第厔?shì)，而在30min 快充工況中，水冷機(jī)溫度18℃，流速12L/min，溫度下降點(diǎn)出現(xiàn)在電流降至290A 時(shí)，證明該電池包熱管理系統(tǒng)有效控制了溫度的繼續(xù)升高，保證了嚴(yán)苛工作環(huán)境下的電池安全性。

圖4 工況4： 30min快充溫度、電流-時(shí)間曲線(xiàn)

4.2 低溫加熱試驗(yàn)

低溫加熱試驗(yàn)主要是模擬整車(chē)在低溫環(huán)境下啟動(dòng)，電池包能否啟動(dòng)加熱，并且在可接受的時(shí)間內(nèi)加熱到正常工作溫度。電池包在-20℃溫度下達(dá)到熱平衡后，設(shè)定水冷機(jī)出水口的水溫35℃；設(shè)定水冷機(jī)的水流量為12L/min，開(kāi)始加熱，要求加熱至10℃時(shí)間不大于1 小時(shí)，加熱過(guò)程中溫差不超過(guò)10℃。

電池包從-20℃加熱到10℃需要接近45分鐘，加熱過(guò)程中電芯溫差呈增大趨勢(shì)，最終溫差為5.2℃，加熱時(shí)間小于1 小時(shí)，溫差小于10℃。實(shí)現(xiàn)了寒冷環(huán)境下電動(dòng)汽車(chē)啟動(dòng)前預(yù)加熱的功能，為電池的安全和壽命提供保障。

4.3 保溫性能試驗(yàn)

保溫系統(tǒng)是為滿(mǎn)足短期內(nèi)電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度熱環(huán)境在正常區(qū)間內(nèi)而設(shè)。將電池包外敷保溫材料以起到隔熱的作用，防止電池包的內(nèi)部熱量過(guò)快散失。保溫性能試驗(yàn)?zāi)M整車(chē)在停車(chē)狀態(tài)，熱管理系統(tǒng)停止工作的情況下，電池包在低溫和高溫環(huán)境下的隔熱性能，考察電池包隔熱材料及內(nèi)部設(shè)計(jì)，分為低溫保溫和高溫保溫兩部分。低溫保溫試驗(yàn)將電池包在25℃環(huán)境下達(dá)到熱平衡，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度至-20℃，擱置8 小時(shí)。高溫保溫試驗(yàn)將電池包在30℃環(huán)境下達(dá)到熱平衡，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度至45℃，擱置8 小時(shí)。

電池包在-20℃環(huán)境下，8 小時(shí)后電芯最低溫度由25℃降低至4.6℃，最高和最低電芯溫差為6.3℃，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明電池包在-20℃停車(chē)8 小時(shí)之后，溫度仍然保持在0℃以上，為車(chē)輛正常啟動(dòng)提供了保證，保溫效果優(yōu)異。電池包在45℃環(huán)境下，8 小時(shí)后電芯最高溫度為35.5℃，最高和最低電芯溫差為2.5℃，表明電池包隔熱效果良好，受外界高溫影響較小。

5 結(jié)語(yǔ)

本文搭建了動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力電池進(jìn)行熱管理系統(tǒng)試驗(yàn)，不僅可以模擬整車(chē)工況進(jìn)行熱管理系統(tǒng)標(biāo)定，對(duì)現(xiàn)有熱管理系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，為熱管理控制策略的優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持，還可以開(kāi)發(fā)全新試驗(yàn)方案，制定評(píng)價(jià)體系，為動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分級(jí)奠定了基礎(chǔ)。

基于測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行的高溫冷卻，低溫加熱，保溫性能試驗(yàn)表明本文搭建的熱管理測(cè)試平臺(tái)功能穩(wěn)定，加熱、冷卻、采集、控制、交互等功能環(huán)環(huán)相扣。該電池包在高溫環(huán)境下熱管理策略可以保證快速充電下溫度不會(huì)超過(guò)50℃，溫差不超過(guò)10℃，對(duì)電池包的安全性和電芯之間的均衡起到關(guān)鍵作用。-20℃低溫環(huán)境下加熱到10℃用時(shí)44 分鐘，可以通過(guò)優(yōu)化加熱策略，達(dá)到更快的加熱速度。保溫試驗(yàn)以8 小時(shí)工作時(shí)間為試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，證明電池包隔熱性能可以滿(mǎn)足日常工作需要，后期可以?xún)?yōu)化隔熱性能，以12-14 小時(shí)為試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行保溫試驗(yàn)，測(cè)試夜間停車(chē)至次日早晨的電池包降溫、升溫情況。測(cè)試平臺(tái)對(duì)本文使用電池包進(jìn)行了試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析并提供了優(yōu)化方向，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化、試驗(yàn)方案后，使用測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。未來(lái)通過(guò)平臺(tái)累積更多熱管理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不同電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行優(yōu)劣分析評(píng)價(jià)。