動力電池熱管理系統(tǒng)測試平臺搭建與試驗研究

范恒斌 朱順良 謝歡 龔明光

上海機動車檢測認證技術研究中心有限公司 上海市 201800

1 引言

隨著新能源市場的快速發(fā)展，新能源電動車使用區(qū)域越廣泛，對整車性能的要求也越來越高。目前，對于電池系統(tǒng)通常比較關注的3 個特性：壽命、安全、使用性能，均與電池熱相關問題具有緊密的聯系。此外，鋰離子動力電池長期在極端環(huán)境下工作，不僅會造成使用壽命的縮短，而且會帶來安全隱患，甚至引發(fā)安全事故。因此，設計優(yōu)異的熱管理系統(tǒng)可以保障新能源車用動力電池在運行過程中始終保持在合適的溫度范圍，不僅可以滿足高的動力性輸出，增加電池的循環(huán)壽命，同時可以保障整車使用的安全性能。綜上所述，建立一個通用性強的熱管理系統(tǒng)測試平臺十分重要，可以實現對不同熱管理系統(tǒng)設計的評測和研究，為電池包熱管理整體設計提供試驗數據。

2 熱管理系統(tǒng)測試平臺搭建

熱管理系統(tǒng)測試平臺如圖1 所示。其中試驗樣品DUT 為鋰離子電池系統(tǒng)，與通過上位機對電池系統(tǒng)監(jiān)控；充放電測試系統(tǒng)為AVL 品牌，可以模擬整車充放電工況，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，具有60 個電壓/溫度采集通道，用于采集電池包內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、加熱器等設備，為電池包提供外部熱源或冷源并對參數進行控制。以上所有設備的采集數據都可通過CAN 總線向DAQ 電腦端傳輸，在電腦端可實現對所有設備的控制及數據監(jiān)控。

圖1 電池管理系統(tǒng)測試平臺示意圖

3 動力電池熱管理測試平臺功能

基于設計和搭建的動力電池熱管理測試平臺可以實現如下功能：

（1）可以進行高溫、低溫和常溫電池包放電容量測試，為電池包優(yōu)化設計、公告試驗和整車放電MAP、充電控制策略優(yōu)化提供數據基礎；

（2）可以實現高溫、低溫、和常溫電池包充電速率測試，為電池包優(yōu)化設計和整車充電控制策略優(yōu)化提供數據基礎；

（3）能模擬整車各個環(huán)境溫度條件和充放電工況進行電池熱管理系統(tǒng)性能評價試驗，為整車級系統(tǒng)優(yōu)化設計提供數據支持和性能驗證；

（4）能實現高溫電池制冷、低溫電池加熱、隔熱保溫等測試功能，對電池熱管理控制策略進行優(yōu)化與驗證，同時也可以進行系統(tǒng)級的電池熱管理標定優(yōu)化試驗，為整車級電池熱管理標定試驗做數據支撐，縮短整車開發(fā)周期。

4 動力電池熱管理測試平臺試驗研究

為了驗證動力電池熱管理測試平臺搭建的準確性和平臺控制功能的可靠性，本文進行了某款液冷系統(tǒng)電池包的高溫冷卻、低溫加熱、保溫性能試驗，搭建了測試平臺如圖3所示，對電池熱管理系統(tǒng)進行分析。

4.1 高溫冷卻試驗

本試驗包含4 個工況下試驗，工況1：350A 快充工況在5%實際SOC，電池包內部溫度達到25℃熱平衡時，環(huán)境箱溫度達到45℃下進行快速充電，充電時保持進水口溫度22±2℃，流量12L/min，模擬整車在高溫環(huán)境下快充時，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，溫度達到最高點，按照充電MAP 策略，電流降低為193A，此時溫度發(fā)生下降，充電產生的熱量低于熱管理系統(tǒng)帶走的熱量，充電結束時溫度降至30℃，熱管理系統(tǒng)將整個充電過程中的溫度穩(wěn)定在安全范圍之內。

工況2：6%坡度，100km/h 高速行駛工況，使電池包內部達到38℃熱平衡，環(huán)境箱溫度達到45℃下進行恒功率放電，水冷機進水口溫度22±2℃，流量12L/min，模擬整車在高溫環(huán)境下，爬坡行駛時，熱管理系統(tǒng)的效果，試驗結果如圖1 所示，放電5min 前，電芯溫度處于上升階段，5min 后，溫度開始下降，放電60min 時，由于恒功率放電末端電池包電壓下降，電流升高，導致產熱增加，電芯溫度呈現上升趨勢。

工況3：250A 快充高速行駛工況，使電池包內部達到32℃熱平衡，環(huán)境箱溫度達到45℃下進行250A 快充，充滿電后進行恒功率放電，水冷機進水口溫度22±2℃，流量12L/min，模擬整車在高溫環(huán)境下快充滿電后繼續(xù)行駛的情況，試驗結果如圖2 所示，充電40 分鐘之前電芯溫度處于上升狀態(tài)，在40min 時達到最高點，電流降至193A，溫度發(fā)生下降，充電結束后整個放電過程溫度成上升狀態(tài)。

圖2 工況2：100km/h 6%坡度放電溫度、功率-時間曲線

工況4：30min 快充工況，將電池包保持在25℃熱平衡狀態(tài)后，調節(jié)環(huán)境溫度達到45℃，水冷機內循環(huán)至18℃，開啟30min 快充試驗，水冷機保持18℃，流量12L/min，模擬整車在高溫環(huán)境下進行30min 快充時，熱管理系統(tǒng)的效果，試驗結果如圖3 所示，充電18min 之前，由于電流過大，溫度處于上升階段，18min 時，溫度達到最高點，按照充電MAP 策略，電流降低為290A 電流，溫度發(fā)生下降，直至充電結束溫度到達30℃，全過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-時間曲線

在工況1 快充中，電芯最高溫度達到42.2℃，最大溫差2.3℃；工況2 中，電芯最高溫度達到40.3℃，最大溫差1.8℃；工況3 中，電芯最高溫度達到41.5℃，最大溫差2.5℃；工況4 中，最高溫度達到46.6℃，最大溫差2.7℃。工況1~3 中，電芯最高溫度均未超過43℃，最大溫差未超過3℃；工況4 由于快充電流過大，最高溫度超過45℃，低于50℃，最大溫差未超過3℃；在250A 和350A 快充工況中，水冷機溫度22℃，流速12L/min，電流降至193A 時，溫度變?yōu)橄陆第厔?，而?0min 快充工況中，水冷機溫度18℃，流速12L/min，溫度下降點出現在電流降至290A 時，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-時間曲線

4.2 低溫加熱試驗

低溫加熱試驗主要是模擬整車在低溫環(huán)境下啟動，電池包能否啟動加熱，并且在可接受的時間內加熱到正常工作溫度。電池包在-20℃溫度下達到熱平衡后，設定水冷機出水口的水溫35℃；設定水冷機的水流量為12L/min，開始加熱，要求加熱至10℃時間不大于1 小時，加熱過程中溫差不超過10℃。

電池包從-20℃加熱到10℃需要接近45分鐘，加熱過程中電芯溫差呈增大趨勢，最終溫差為5.2℃，加熱時間小于1 小時，溫差小于10℃。實現了寒冷環(huán)境下電動汽車啟動前預加熱的功能，為電池的安全和壽命提供保障。

4.3 保溫性能試驗

保溫系統(tǒng)是為滿足短期內電池系統(tǒng)內部溫度熱環(huán)境在正常區(qū)間內而設。將電池包外敷保溫材料以起到隔熱的作用，防止電池包的內部熱量過快散失。保溫性能試驗模擬整車在停車狀態(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部設計，分為低溫保溫和高溫保溫兩部分。低溫保溫試驗將電池包在25℃環(huán)境下達到熱平衡，調節(jié)環(huán)境溫度至-20℃，擱置8 小時。高溫保溫試驗將電池包在30℃環(huán)境下達到熱平衡，調節(jié)環(huán)境溫度至45℃，擱置8 小時。

電池包在-20℃環(huán)境下，8 小時后電芯最低溫度由25℃降低至4.6℃，最高和最低電芯溫差為6.3℃，試驗數據表明電池包在-20℃停車8 小時之后，溫度仍然保持在0℃以上，為車輛正常啟動提供了保證，保溫效果優(yōu)異。電池包在45℃環(huán)境下，8 小時后電芯最高溫度為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 結語

本文搭建了動力電池熱管理系統(tǒng)測試平臺，可以實現對不同冷卻系統(tǒng)的動力電池進行熱管理系統(tǒng)試驗，不僅可以模擬整車工況進行熱管理系統(tǒng)標定，對現有熱管理系統(tǒng)進行性能評價，為熱管理控制策略的優(yōu)化提供了數據支持，還可以開發(fā)全新試驗方案，制定評價體系，為動力電池熱管理系統(tǒng)分級奠定了基礎。

基于測試平臺進行的高溫冷卻，低溫加熱，保溫性能試驗表明本文搭建的熱管理測試平臺功能穩(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超過50℃，溫差不超過10℃，對電池包的安全性和電芯之間的均衡起到關鍵作用。-20℃低溫環(huán)境下加熱到10℃用時44 分鐘，可以通過優(yōu)化加熱策略，達到更快的加熱速度。保溫試驗以8 小時工作時間為試驗時長，證明電池包隔熱性能可以滿足日常工作需要，后期可以優(yōu)化隔熱性能，以12-14 小時為試驗時長進行保溫試驗，測試夜間停車至次日早晨的電池包降溫、升溫情況。測試平臺對本文使用電池包進行了試驗數據分析并提供了優(yōu)化方向，經過設計優(yōu)化、試驗方案后，使用測試平臺進行驗證試驗。未來通過平臺累積更多熱管理試驗數據，對不同電池熱管理系統(tǒng)進行優(yōu)劣分析評價。