摘要

為了滿足電動(dòng)汽車電池包和電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)開發(fā)和試驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)和搭建了基于 CAN 總線通訊交互的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架。通過高溫 US06 工況和低溫 NEDC 工況電池?zé)峁芾碓囼?yàn)研究表明，該試驗(yàn)臺架功能運(yùn)行正常，電池包設(shè)計(jì)符合熱管理要求。并初步驗(yàn)證了電池?zé)峁芾砘究刂撇呗缘恼_性，為后續(xù)整車級電池?zé)峁芾順?biāo)定試驗(yàn)和策略優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；電池?zé)峁芾?；試?yàn)臺架；試驗(yàn)研究

隨著電動(dòng)汽車的快速普及和更新迭代，導(dǎo)致目前電動(dòng)汽車的研發(fā)周期相對于傳統(tǒng)燃油汽車較短，尤其是電池包開發(fā)時(shí)間。如果能在樣車裝車之前完成大部分相對準(zhǔn)確的系統(tǒng)級別試驗(yàn)測試，盡早發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，可以為項(xiàng)目開發(fā)節(jié)約大量費(fèi)用和時(shí)間[1-2]。為此建立一個(gè)通用性較好的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架顯得尤為重要，可以顯著地縮短電池包開發(fā)時(shí)間和電池?zé)峁芾聿呗詷?biāo)定試驗(yàn)周期，對于研究和評價(jià)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能同樣具有重要意義。

1  電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架總體設(shè)計(jì)

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架設(shè)計(jì)

為了滿足電動(dòng)汽車用電池包前期開發(fā)需求，完成裝車之前的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能驗(yàn)證，以及電池?zé)峁芾砜刂撇呗韵到y(tǒng)級別驗(yàn)證及優(yōu)化，需要設(shè)計(jì)一個(gè)可靠性較好、通用性較強(qiáng)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架，用以模擬電動(dòng)汽車復(fù)雜行駛工況、環(huán)境溫度等條件，從而更有效地為后期的電池包優(yōu)化設(shè)計(jì)和整車電池?zé)峁芾順?biāo)定試驗(yàn)做鋪墊，同時(shí)也能為仿真分析提供可靠數(shù)據(jù)來源，更真實(shí)地校準(zhǔn)仿真模型。

本文研制的車用電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架主要包括被測對象、模擬整車充放電工況的裝置、數(shù)據(jù)采集模塊、供電模塊、外部電池管理系統(tǒng)模塊和模擬整車環(huán)境條件模塊，整個(gè)系統(tǒng)試驗(yàn)臺架構(gòu)造原理如圖 1 所示。其中，被測對象可以為電池包、或 Chiller、或電池?zé)峁芾砜刂破鞯炔考蛳到y(tǒng)；模擬整車充放電工況的裝置為具有輸出直流電壓 30V~800V 和輸出電流±300A 能力的充放電柜及其充放電柜控制平臺；數(shù)據(jù)采集模塊包括電芯溫度采集單元、測量電池包入口水流量的流量計(jì)、通過 CAN 總線傳輸溫度壓力等信息的報(bào)文讀取設(shè)備和電腦。供電模塊主要指供電給低壓零部件或設(shè)備的可調(diào)電源模塊；外部電池管理系統(tǒng)模塊主要為電池包提供冷源或熱源的系統(tǒng)及熱管理控制器，主要結(jié)構(gòu)原理如圖 2 所示[3]；模擬整車環(huán)境條件模塊為小型環(huán)境艙，其功率為 100kW，可以模擬環(huán)境溫度范圍為-40℃~+85℃，溫度控制精度為±2℃， 環(huán)境相對濕度為 20%~98%，相對濕度控制精度為±5%。本文設(shè)計(jì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架主要采用的設(shè)備規(guī)格型號見表 1 所示。


圖1 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架示意圖


圖2 外部電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)水路循環(huán)示意圖

表1 試驗(yàn)臺架主要設(shè)備的規(guī)格型號


根據(jù)試驗(yàn)臺架構(gòu)造原理圖搭建的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架實(shí)物如圖 3 所示。試驗(yàn)開始之前，需要將試驗(yàn)臺架的電池包與外部電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模塊放置于小型環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行預(yù)處理再進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)，供電模塊、充放電柜、采集設(shè)備等模塊放置于小型環(huán)境艙之外，這樣既可以保護(hù)設(shè)備，防止受高溫或低溫環(huán)境影響其使用壽命，又利于測試人員在外監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中，外部電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的熱管理控制器可以通過硬線采集壓縮機(jī)排氣壓力，通過PWM 控制電子水泵，通過CAN 總線與壓縮機(jī)和高壓電加熱器進(jìn)行控制交互；而電池包內(nèi)的電池管理模塊可以實(shí)時(shí)采集電芯溫度和電壓等參數(shù)，并通過CAN 總線與熱管理控制器進(jìn)行通訊交互，可以實(shí)時(shí)發(fā)送和接收所需要的報(bào)文信息，并通過 CAN 報(bào)文讀取設(shè)備上傳至電腦端，便于測試人員觀測實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)電腦端也可以通過軟件動(dòng)態(tài)修改標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行控制對應(yīng)節(jié)點(diǎn)工作[4]。


圖 3 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架實(shí)物圖

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架功能

基于設(shè)計(jì)和搭建的車用電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架可以實(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試， 為電池包優(yōu)化設(shè)計(jì)、公告試驗(yàn)和整車放電 MAP 優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

2. 可以完成高溫、低溫和常溫電池包充電容量測試， 為電池包優(yōu)化設(shè)計(jì)、公告試驗(yàn)和整車充電控制策略優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

3. 可以實(shí)現(xiàn)高溫、低溫、和常溫電池包充電速率測試，為電池包優(yōu)化設(shè)計(jì)和整車充電控制策略優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

4. 能完成電池?zé)峁芾硐到y(tǒng) Chiller 等零部件性能匹配測試，為零部件選型匹配提供數(shù)據(jù)支持和性能驗(yàn)證；

5. 能模擬整車各個(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)性能評價(jià)試驗(yàn)，為整車級系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持和性能驗(yàn)證；

6. 能實(shí)現(xiàn)高溫電池制冷、低溫電池加熱測試功能，對電池?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)級的電池?zé)峁芾順?biāo)定優(yōu)化試驗(yàn)，為整車級電池?zé)峁芾順?biāo)定試驗(yàn)做數(shù)據(jù)支撐，縮短整車開發(fā)周期。

2  電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)臺架試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架搭建的準(zhǔn)確性和電池?zé)峁芾砜刂乒δ艿目煽啃?，以及?yōu)化電池?zé)峁芾砜刂撇呗宰龌A(chǔ)，本文進(jìn)行了 US06 循環(huán)工況的高溫電池?zé)峁芾砼_架試驗(yàn)和 NEDC 循環(huán)工況的低溫電池?zé)峁芾砼_架試驗(yàn)。

US06 循環(huán)工況的高溫電池?zé)峁芾砼_架試驗(yàn)

本次試驗(yàn)前提條件為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架浸置于40℃恒溫環(huán)境艙內(nèi)不少于 4 小時(shí)，使得電池包溫度和電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)其余零部件的溫度基本達(dá)到與 40℃環(huán)境溫度一致， 且電池平均溫度與設(shè)定環(huán)境溫度的差值不能超過 2℃，才確定為達(dá)到試驗(yàn)預(yù)處理的環(huán)境適應(yīng)性目標(biāo)[5]。

試驗(yàn)結(jié)果如圖 4 所示，基于 US06 循環(huán)工況的高溫電池?zé)峁芾砼_架試驗(yàn)總共試驗(yàn)時(shí)間約為 177min，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以得出，試驗(yàn)起始的電池最小溫度為 39℃，電池最大溫度為41℃，電池平均溫度為 40℃，電芯溫差為 2℃，經(jīng)過約 17 個(gè)模擬整車激烈高速駕駛的 US06 工況電池包放電試驗(yàn)之后，電池?zé)峁芾碇评涔δ苷ｉ_啟，高溫環(huán)境下的電池包各溫度可以得到有效控制，并逐漸降低。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，電池最小溫度為 32℃，電池最大溫度為 36℃，電池平均溫度為 33℃，電芯溫差為 4℃。整個(gè)試驗(yàn)過程中，電池實(shí)際入口水溫隨著壓縮機(jī)的開啟工作逐漸降低，并且電池實(shí)際入口水溫可以達(dá)到目標(biāo)水溫 25℃，并隨著試驗(yàn)的進(jìn)行最終穩(wěn)定于 23℃~24℃區(qū)間。

同時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得到電芯溫差隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖 5 所示，從圖中可以看出，電芯溫差也隨著高溫工況試驗(yàn)的進(jìn)行逐漸增大而后緩慢趨于穩(wěn)定，并最終穩(wěn)定于 4℃，其中約在試驗(yàn)進(jìn)行到 70min 時(shí)刻，電芯溫差達(dá)到最大值5℃。


圖4 US06循環(huán)工況的高溫電池?zé)峁芾碓囼?yàn)數(shù)據(jù)


圖5 US06循環(huán)工況的高溫試驗(yàn)電芯溫差數(shù)據(jù)

NEDC 循環(huán)工況的低溫電池?zé)峁芾砼_架試驗(yàn)

本次試驗(yàn)前提條件為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架浸置于 0℃恒溫環(huán)境艙內(nèi)不小于 6 小時(shí)，使得電池包溫度和電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)其余零部件的溫度基本達(dá)到與 0℃環(huán)境溫度一致，且電池平均溫度與設(shè)定環(huán)境溫度的差值不能超過 2℃，才確定為達(dá)到試驗(yàn)預(yù)處理的環(huán)境適應(yīng)性目標(biāo)[5]。

試驗(yàn)結(jié)果如圖 6 所示，基于 NEDC 循環(huán)工況的低溫電池?zé)峁芾砼_架試驗(yàn)總共試驗(yàn)運(yùn)行循環(huán)為 26 個(gè) NEDC 工況，時(shí)間總計(jì)約為 511min。從圖中可以得到，試驗(yàn)起始時(shí)刻的電池最小溫度為-1℃，電池最大溫度為 1℃，電池平均溫度為-1℃，起始電芯溫差為 2℃。試驗(yàn)結(jié)束之后電池最小溫度為 10℃，電池最大溫度為 12℃，電池平均溫度為 11℃，電芯溫差為 2℃。低溫試驗(yàn)過程中，電池?zé)峁芾砑訜峁δ苷＃?dāng)電池平均溫度低于電池?zé)峁芾砜刂撇呗约訜嵩O(shè)計(jì)閾值 5℃的條件，電池用高壓電加熱器開啟進(jìn)行加熱水路系統(tǒng)的冷卻液， 使電池入口實(shí)際水溫達(dá)到電池入口目標(biāo)水溫 30℃，當(dāng)電池加熱進(jìn)行到 18min 的時(shí)刻，電池平均溫度達(dá)到電池?zé)峁芾聿呗栽O(shè)計(jì)閾值 5℃，則停止加熱，此時(shí)電池入口實(shí)際水溫也開始逐漸降低。由于電池包一直以 NEDC 循環(huán)工況進(jìn)行放電，在后續(xù)的試驗(yàn)過程中，電池平均溫度并未再低于 5℃閾值，這主要是由于電池包依靠自身的發(fā)熱量可以維持電池平均溫度。

再根據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果可得電芯溫差隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖 7 所示，從圖中可以看出，試驗(yàn)前 30min，電芯溫差有逐漸增大的趨勢，并于試驗(yàn)進(jìn)行至 24min 時(shí)刻，電芯溫差達(dá)到最大值 4℃，后續(xù)試驗(yàn)過程中，電芯溫差比較穩(wěn)定，最終電芯溫差穩(wěn)定于 2℃~3℃區(qū)間。


圖6 NEDC循環(huán)工況的低溫電池?zé)峁芾碓囼?yàn)數(shù)據(jù)


圖7 NEDC循環(huán)工況的低溫試驗(yàn)電芯溫差數(shù)據(jù)

3  結(jié)論

（1）本文研制了電動(dòng)汽車用電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架， 可以模擬車輛各工況下電池包等熱管理相關(guān)對象的工作特性，不僅可以完成簡單的各環(huán)境溫度下電池包充放電容量測試試驗(yàn)，還可以完成電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的性能評價(jià)試驗(yàn)、零部件選型匹配驗(yàn)證試驗(yàn)、電池?zé)峁芾砜刂撇呗詢?yōu)化試驗(yàn)等系統(tǒng)級別的試驗(yàn)研究，為整車級別的電池?zé)峁芾砀叩蜏貥?biāo)定試驗(yàn)和控制策略優(yōu)化工作奠定基礎(chǔ)。

（2）基于 US06 循環(huán)工況的高溫電池?zé)峁芾砼_架試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)可以表明，本文搭建的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺架功能穩(wěn)定可靠，電池?zé)峁芾碇评涔δ芸梢哉＿\(yùn)行，40℃高溫環(huán)境下電池最高溫度逐漸降低，電池各溫度均可以得到有效控制，電芯溫差維持于 1℃~5℃區(qū)間，電池溫降和電芯溫差均勻性符合設(shè)計(jì)要求。

（3）根據(jù) NEDC 循環(huán)工況的低溫電池?zé)峁芾砼_架測試數(shù)據(jù)可以得出，電池?zé)峁芾砑訜峁δ芸梢哉＿\(yùn)行，電池平均溫度被加熱至 5℃之后，0℃環(huán)境溫度下電池包依靠自身熱量可以維持電池平均溫度，電芯溫差穩(wěn)定區(qū)間為 2℃~3℃， 電池溫升和電芯溫差均勻性符合設(shè)計(jì)要求。


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