廣告
電池系統(tǒng)電性能測試影響因素的研究
2020-12-09 22:34:24· 來源：電動學堂
文章來源：１．上海電器設備檢測所有限公司２．國家汽車電氣化產品及系統(tǒng)質量監(jiān)督檢驗中心本文主要是針對同一電池系統(tǒng)，在相同的溫度條件和水冷策略下，采用不同
文章來源：１．上海電器設備檢測所有限公司２．國家汽車電氣化產品及系統(tǒng)質量監(jiān)督檢驗中心
本文主要是針對同一電池系統(tǒng)，在相同的溫度條件和水冷策略下，采用不同規(guī)格尺寸的環(huán)境箱，研究不同的出風口位置及不同的測試布局對電池系統(tǒng)的電性能測試結果的影響。
1理論分析
眾所周知，鋰離子電池的充電過程表現為吸熱反應，放電為放熱反應。充電初期，電池的極化內阻較小，內阻產熱較小，此時吸熱反應占主導地位，表現為電池的溫度基本不變甚至可能出現溫度些許降低的現象；充電后期，電池的內阻較大，耗熱較高，此時釋放的熱量遠高于吸熱反應吸收的熱量，表現為電池的溫升快速升高。
在一個電池系統(tǒng)中，為保證電池系統(tǒng)的壽命和安全使用，每個電池系統(tǒng)均有其允許的最高溫度和最低溫度、允許的最大電流（功率）等。在整車實際運行過程中，BMS允許輸出的電流（功率）是根據電池系統(tǒng)不同的SOC，不同的絕緣狀態(tài)、不同的溫度、不同的溫差等條件進行實時調整的。如在放電階段散熱不及時、溫升較高，則限制其可輸出的最大功率；若溫度不能有效降低，則在之后的充電起動時，同樣會限制其允許的最大充電電流，會出現暫時的不充電現象。因此，在成品電池系統(tǒng)測試過程中，其所處的環(huán)境條件對測試結果的影響較大。
而從內部結構上來看，電池系統(tǒng)中電芯周圍圍繞著水冷管道、BMS、熱管理系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等，不同位置的電芯，散熱速度不盡相同，如靠近高壓接口等電氣系統(tǒng)位置的電芯，散熱相對較慢；采用的環(huán)境箱內部空間體積不同、出風口位置不同，對電池系統(tǒng)電性能測試結果的影響較大。因此，由理論分析可知，試驗搭建的布局方式影響著電池系統(tǒng)的散熱效果，可能會出現不同位置的模組溫度偏差較大，長期以往會加劇電池系統(tǒng)內模組或電芯的不一致性，縮短電池系統(tǒng)的使用壽命，同時也增大了安全隱患。
2試驗驗證
本試驗是依據委托單位提供的電池系統(tǒng)電性能及熱管理測試方案進行，試驗過程中記錄電池系統(tǒng)的電壓、電流、各單體電芯電壓、溫度等的變化。
本試驗采用兩種規(guī)格的環(huán)境箱，對同一電池系統(tǒng)進行相同條件的試驗，即由同一人員操作，并采用相同的充放電通道、相同的水冷制度和環(huán)境溫度進行。試驗一采用的10立方環(huán)境箱，內尺寸為2.5m×2m×2m，開門方式為2.5m方向全開門，出風口在2m的一側（圖1），電池系統(tǒng)的布局方式如圖1中DUT所示；試驗二采用的15立方環(huán)境箱，內尺寸為3m×2.5mx2m，開門方式為2.5方向全開門，出風口在2.5m的一側（圖2），電池系統(tǒng)的布局方式如圖2在DUT所示，此時出風口垂直于模組排列的方向。
在45℃的環(huán)境箱溫度下，起動跟隨BMS的請求信號進行充放電循環(huán)的測試，試驗結果差異較大。
3結果分析
在同等測試條件下，我們不同環(huán)境箱和布局方式的電池系統(tǒng)測試結構進行了分析，如圖3和圖4所示。試驗一和試驗二在高溫循環(huán)過程中，電芯的最高溫度產生了明顯變化。由圖可知，試驗一再循環(huán)過程中電芯最高溫度為54.5℃，明顯高于試驗二中的最高溫度53℃。而電芯的長時間高溫工作對于電池情況是不利的，因此我們需要盡可能地控制和降低電芯的最高溫度。
另一方面，從圖中可以看出，試驗一進行四個循環(huán)的時間幾乎是試驗二時間的2倍。我們將其中一個循環(huán)放大，比較二者的電流和溫度變化情況，結果如圖5所示?？梢郧逦乜闯?，兩個試驗中電流變化情況大相徑庭，試驗一中電池的大電流充／放電時間均高于試驗二的，且試驗一中充電初期的電流幾乎維持在0左右。
從圖5可以看出，試驗一在放電結束時，電池系統(tǒng)中的電芯最高溫度達到了53.5℃接近電池系統(tǒng)允許的最高溫度，此時整車BMS允許的充電電流基本為0。隨著溫度的降低，整車允許的電流（功率）逐漸增大；但該10立方環(huán)境箱及布局方式不利于散熱，導致電芯的溫度回升，再次降低了充電電流。試驗二中放電結束時電芯的最高溫度為51℃，該15立方環(huán)境箱充分保證了散熱加上充電過程為吸熱反應，降｛民了電池系統(tǒng)溫度，整車允許的充電電流較大，在充電后期，隨著電池系統(tǒng)soc的升高，允許的充電電流逐漸降低，直至達到滿電狀態(tài)。
由試驗數據可以看出，同一個循環(huán)，試驗一的用時幾乎是試驗二的2倍，這是由于試驗一溫箱散熱差，電芯溫度高，跟隨的BMS允許充電電流被限制下來，一個循環(huán)的時間被大大延長了。這個結果進一步地證明了外界環(huán)境及布局方式的不同對整體電池系統(tǒng)的電性能產生了影響?？臻g越大，越有利于電芯的散熱，有利于降低電芯最高溫度。
同時，我們對兩組試驗的溫差進行了比較，如圖6所示Q試驗一中的最大溫差為6℃，出現在電池系統(tǒng)的電芯溫度達到最高溫度的時候，之后基本維持在4.5-6℃之間；而試驗二中，最大溫差約為5℃，同樣出現在最高溫度點附近，在充電后期基本維持在2.5℃以內。而較小的溫差則表明電池包內部整體電芯的一致性差異程度小，電池系統(tǒng)的整體使用壽命相對較長。
我們對電池系統(tǒng)內部的溫度分布進一步進行了詳細分析，如圖7和圖8所示。從圖中可以看出，試驗一的各個溫度點出現了溫度分層，上層模組的幾個溫度點比其他的溫度點最高相差6℃，兩層間溫度相差2℃左右；試驗二的各個溫度點的溫度集中在某一溫度范圍內，沒有明顯的溫度分層現象。而我們知道，電池系統(tǒng)內各處溫度點代表著相應的模組或電芯的溫升情況，溫度出現分層，會導致在之后的使用中各處的溫度不一致，溫差相對較大，影響電芯的性能及壽命，造成電池系統(tǒng)內各電池模組及電芯的一致性差，最終影響電池系統(tǒng)的性能和壽命。試驗二中溫度較為集中的現象則表明了電池系統(tǒng)內部模組及電芯的一致性良好，保障了電池的正常使用。
近年來，電動汽車起火燃燒的情況時有發(fā)生，這讓消費者在一定程度上不敢輕易購買電動汽車，因此GB380312020標準中增加了動力電池的安全性試驗方面的熱失控擴展試驗，要求從觸發(fā)熱事件報警信號，到起火爆炸的時間應不小于5min，即保證乘客有足夠的逃生時間。亥標準中推薦的熱失控觸發(fā)方式有兩種：針刺觸發(fā)和加熱觸發(fā)。
兩種方式觸發(fā)熱失控均是使電池部分溫度升高，達到熱失控的條件，然后延展至其他電芯。電池模組及電芯的不一致性會加快熱失控的發(fā)生。長期運行在高溫區(qū)域的電池，其電性能衰減較快，電池內阻增大，相同條件下的溫升加快，功率性能降低，可承受的大電流充放電能力降低，在相同的工況下，部分電池出現過流情況，從而導致在后期使用過程中出現起火、爆炸等現象發(fā)生，威脅著消費者和財產的安全。
從以上試驗結果來看，電池系統(tǒng)在實際安裝在電動汽車上時，也需相應考慮其散熱空間以及與出風口的相對位置，使得電池系統(tǒng)在良好的散熱基礎上也能夠盡量地保持其電芯及模組的一致性，提升電池系統(tǒng)的電性能、壽命及安全性。
4結論
動力電池系統(tǒng)的性能影響著電動汽車行業(yè)的發(fā)展，需要結合整車實際使用需求，從電池機理進行分析，參照相應標準展開試驗研究。本試驗主要研究了同一動力電池系統(tǒng)樣品，在相同的水冷條件下，采用不同規(guī)格的環(huán)境箱、不同出風口位置進行布局，結果表明：
1）環(huán)境箱空間體積較大的更有利于電池系統(tǒng)的散熱，溫升較低。
2）出風口位置垂直于模組的排布方向擺放時，電池系統(tǒng)的溫升較低，且模生且間溫度不會出現分層現象。
3）在整車安裝上，我們建議需同時考慮電池系統(tǒng)的散熱空間及與出風口的相對位置以提高電池系統(tǒng)的電性能、壽命及安全性。
廣告 
最新資訊
-
“汽車爬坡試驗方法”將有國家標準
2026-03-03 12:44
-
十年耐久監(jiān)管時代：電池系統(tǒng)開發(fā)策略將如何
2026-03-03 12:44
-
聯合國法規(guī)R59對機動車備用消聲系統(tǒng)的工程
2026-03-03 12:08
-
聯合國法規(guī)R58對后下部防護裝置的工程化約
2026-03-03 12:07
-
聯合國法規(guī)R57對摩托車前照燈配光性能的工
2026-03-03 12:07
