一種液冷動力電池系統(tǒng)設(shè)計與性能測試

劉思宇，高力，潘成久

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

前言

近年來，隨著我國傳統(tǒng)能源對外的依賴程度日益增強，新能源汽車行業(yè)作為國家戰(zhàn)略得到了快速發(fā)展[1]，以鋰離子電池為代表的動力電池因能量密度高、充放電倍率大、壽命長等優(yōu)點，成為新能源汽車動力來源的首選[2]。然而，鋰離子電池工作時發(fā)熱量較大，尤其是混合動力汽車會經(jīng)常需要大倍率充放電，更容易導(dǎo)致熱量聚集，嚴重時甚至?xí)a(chǎn)生熱失控，影響動力電池的安全性和可靠性[3]。在日常使用中，動力電池的工作溫度也會直接影響其輸出性能，所以有效的動力電池?zé)峁芾盹@得尤為重要。

目前行業(yè)內(nèi)比較常見的電池包熱管理冷卻方式主要包含風(fēng)冷、液冷、直冷等。之前我司曾開發(fā)過風(fēng)冷方案的動力電池產(chǎn)品，但經(jīng)過試驗測試發(fā)現(xiàn)其在溫降速率和溫差控制等方面表現(xiàn)不佳。本文基于我司開發(fā)的一款液冷方案電池包進行介紹，首先簡述了其開發(fā)過程，然后結(jié)合特定工況下的高溫冷卻試驗展開討論并進行分析，最終得出結(jié)論，試驗結(jié)果展現(xiàn)了液冷方案的優(yōu)越性。

1 設(shè)計方案

此動力電池系統(tǒng)為我司自主開發(fā)，目的是為后續(xù)混合項目提供技術(shù)積累。此套液冷方案電池包的示意圖如圖1所示，本設(shè)計方案采用36Ah-VDA標(biāo)準模組，受制于整車總布置空間要求，采用了雙層設(shè)計方案，為了便于后續(xù)進行試驗分析，圖中對8塊模組進行了編號。

圖1 動力電池系統(tǒng)方案示意圖

1.1 技術(shù)要求

為了提高電池性能的可靠性和一致性，除了最高溫度，影響電池效能的還有其均溫性，其溫差幅值不應(yīng)引起電池性能的明顯差異[4-5]。此次開發(fā)搭建液冷技術(shù)方案的電池包，在保證電池可持續(xù)在合適溫度區(qū)間內(nèi)工作的同時，將把溫差控制在5 ℃以內(nèi)作為均溫性考察的合格判據(jù)[6]。

1.2 系統(tǒng)方案

此套液冷方案動力電池系統(tǒng)主要包含以下幾個部分，具體包含模組、水冷板、管路、箱體和E/E總成、主控板等，每個零部件的具體功能如表1所示。

表1 動力電池系統(tǒng)構(gòu)成表

2 試驗方案及結(jié)果分析

2.1 試驗設(shè)備及條件設(shè)置

本試驗采用高低溫試驗箱和電池包測試柜等試驗設(shè)備，如圖2所示。其中，高低溫試驗箱的作用是對電池包進行高溫同溫，并提供模擬整車高溫工況的環(huán)境溫度。電池包測試柜的作用是使電池包按照設(shè)置的輸入條件和閾值運行，并實時檢測和記錄電池包的運行狀態(tài)。

圖2 高低溫試驗箱及電池包測試柜

由于動力電池的溫升特性除了與電池本身的熱機理有關(guān)以外，也與整車的實際行駛工況密切相關(guān)[7]。本試驗的放電測試電流按我司內(nèi)部針對混動汽車的增程工況電流譜執(zhí)行，具體電流曲線如圖3所示，此電流譜一個周期為10000s，試驗全過程共包含兩個電流譜周期。

圖3 工況電流譜

本次試驗的主要控制閾值如表2所示，主要包含壓縮機轉(zhuǎn)速、冷卻開啟溫度、冷卻關(guān)閉溫度、上限報警溫度以及溫差報警溫度等。其中，報警溫度共分為三級，一級和二級的處理方式僅為報警，三級的處理方式為強制斷開總正繼電器。

表2 BMS主要參數(shù)設(shè)置

2.2 試驗過程

2.2.1 試驗步驟

具體試驗步驟如下：（1）將電池包置于高低溫箱內(nèi)，將動力電池包放置于金屬支架上；（2）將動力電池包的外部CAN總線和內(nèi)部CAN總線與電池測試柜的CAN監(jiān)控裝置相連接，試驗臺架的電器原理如圖4所示；（3）檢查動力電池的外部線束和空調(diào)系統(tǒng)是否已經(jīng)連接正確；（4）利用電池測試設(shè)備對動力電池包進行標(biāo)準充電，直到電池的最高單體電壓大于4.15 V后停止標(biāo)準充電；（5）開啟高低溫試驗箱對電池包進行同溫，直到電池包的內(nèi)部最高溫度與外部環(huán)境溫度差小于±2℃，且溫差小于±2℃為止；（6）根據(jù)已設(shè)置好的放電電流譜工況進行放電測試。

圖4 臺架試驗電氣原理圖

2.2.2 終止條件

滿足以下截止條件之一，試驗終止：

（1）電池單體最低電壓小于2.5V；

（2）電池最高溫度或者溫差超過BMS設(shè)定的最高等級報警溫度；

（3）增程放電測試的工況全部完成。

2.3 試驗結(jié)果分析

圖5為內(nèi)網(wǎng)采集到的每個模組的溫度數(shù)據(jù)（采集精度為0.5℃），圖6為進出口水溫及壓縮機轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)記錄，從圖5可以看出第二個電流譜周期與第一個周期表現(xiàn)基本一致，為了便于分析，圖6只截取了第一個周期（即前10000s）的數(shù)據(jù)，結(jié)合這兩組數(shù)據(jù)曲線可以看出以下幾個現(xiàn)象：

圖5 電池溫度曲線

圖6 進出口水溫及壓縮機轉(zhuǎn)速

（1）整個放電過程中，最高溫度 41.5℃，最低溫度為30.5℃，相對來講，下層的1號到4號模組溫度變化比較接近，上層的5號到8號模組溫度變化比較接近；

（2）開始時整體溫度由39.5℃上升到41.5℃，上升時間1194s，這是由于大倍率放電，產(chǎn)生的熱量較多，而此時壓縮機剛剛開始工作進水溫度較高；

（3）1300s-1600s整體溫度開始明顯下降，這是由于此時電流小，產(chǎn)生熱量較少所致；

（4）大約在2000s-3000s這段時間整體溫度呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，通過查看，此段期間內(nèi)約400s的時間電流小于5A，其余時間電流也在50 A以內(nèi)，發(fā)熱量較少，而進口水溫為12℃，可以理解為此時電池包產(chǎn)生的熱量與冷卻液帶走的熱量處于一個平衡狀態(tài)；

（5）3000s后進水口水溫進一步下降到11℃，至3879s時空調(diào)壓縮機停止工作（即電池包溫度為 35℃），進水口水溫開始上升；

（6）隨后電池溫度的迅速上升是由于進水口的溫度開始大于等于出水口的溫度；

（7）此后，整包溫度變化呈反復(fù)的周期性趨勢，即溫度上升約 3850s，溫度下降約 1800s，溫度呈穩(wěn)定狀態(tài)約為1000s，在一個完整的升降溫過程中，升溫時間約為58%，降溫時間約為27%，溫度穩(wěn)定狀態(tài)約為15%。

通過以上幾個現(xiàn)象可以初步看出，在整個放電過程中，本套液冷系統(tǒng)可使動力電池始終處于適合的工作溫度范圍內(nèi)，無報警和掉電現(xiàn)象發(fā)生。溫降速率表現(xiàn)良好，但上下層的布置形式對模組的溫度分布有一定影響，全程最大溫差為4.5℃，溫度一致性較好，滿足設(shè)計指標(biāo)。

3 結(jié)論

本文基于我司自主開發(fā)的一款液冷方案電池包進行介紹，簡述了其開發(fā)過程，并進行了40℃環(huán)境下的高溫放電測試，通過分析可以得出以下幾個結(jié)論：

（1）此種液冷方案可使動力電池始終工作在適宜的溫度范圍內(nèi)，合理標(biāo)定各項閾值參數(shù)后，未出現(xiàn)溫度失控或突然掉電的情況；

（2）此種液冷方案可將動力電池系統(tǒng)的內(nèi)部溫差控制在 5℃以內(nèi)，均溫性較好，對電池的性能及使用壽命均會產(chǎn)生積極影響；

（3）上下層的布置形式對整包溫差會有一定影響，如果整車布置空間允許，電池包應(yīng)盡量做單層設(shè)計，這樣均溫性會更好。