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(yán)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)行試驗分析，圖中對8塊模組進(jìn)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(jìn)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)充電，直到電池的最高單體電壓大于4.15 V后停止標(biāo)準(zhǔn)充電；（5）開啟高低溫試驗箱對電池包進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)水口水溫進(jìn)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(jìn)水口水溫開始上升；

（6）隨后電池溫度的迅速上升是由于進(jìn)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(jìn)行介紹，簡述了其開發(fā)過程，并進(jìn)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。