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低溫下電池系統(tǒng)臺架試驗液冷控制方法的優(yōu)化研究

2022-01-10 14:35:25·  來源：電動學(xué)堂  作者：吳逸洲等  
　
文章來源：1.華東光電集成器件研究所2.北京理工大學(xué)0引言隨著電動汽車（electricvehicles,EVs）技術(shù)的發(fā)展，動力電池作為EVs的主要能源形式，得到眾多生產(chǎn)企業(yè)與
文章來源：1.華東光電集成器件研究所2.北京理工大學(xué)
0引言
隨著電動汽車（electricvehicles,EVs）技術(shù)的發(fā)展，動力電池作為EVs的主要能源形式，得到眾多生產(chǎn)企業(yè)與研究人員的關(guān)注。相比其他電池，鋰離子電池（lithium-ionbatteries,LIBs）在能量密度、使用壽命與記憶性等方面具有較大優(yōu)勢，是主要的車用動力電池。但LIBs性能受溫度的影響非常明顯，當(dāng)溫度范圍在30~40℃時，溫度每升高1℃，其使用壽命將縮短60d。
溫度的不均勻分布或變化過大會導(dǎo)致LIBs的早期損壞與熱失控。如果電池在高溫環(huán)境中使用或在充放電過程中產(chǎn)生的熱量沒有得到及時疏散，電池自身溫度將迅速升高，導(dǎo)致電池組產(chǎn)生溫差，影響電池內(nèi)阻等性能參數(shù)，當(dāng)溫度超過安全上限時，會引起熱失控甚至引發(fā)爆炸等安全問題；另外，在?10℃或以下的低溫環(huán)境時，電池活性會迅速降低并失去部分電量，使得車輛性能衰退。LIBs在25~40℃內(nèi)可高效、安全地運行，因此，配備高效的熱管理系統(tǒng)對動力電池是十分必要的，將會影響EVs整體的性能發(fā)揮。
由于動力電池材料所限，電池本身性能無法滿足低溫和高溫環(huán)境下的使用要求，需要設(shè)計單獨的電池溫度管理系統(tǒng)，對動力電池進(jìn)行安全監(jiān)控和有效管理，使在高功率應(yīng)用時能夠控制電池系統(tǒng)在最佳溫度范圍內(nèi)。當(dāng)前國家標(biāo)準(zhǔn)中要求箱體滿足IP67，傳統(tǒng)的風(fēng)冷系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足需要，因此，針對鋰離子動力電池，主要發(fā)展其他的散熱結(jié)構(gòu)，包括空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻、冷板冷卻、熱管冷卻等，其中前三種冷卻技術(shù)比較常見，研究與應(yīng)用的范圍較廣。
與傳統(tǒng)空氣冷卻相比，液體冷卻盡管結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，但換熱效率高、冷卻速度快，電池溫度分布相對較均勻。通過上述傳熱介質(zhì)的比較，發(fā)現(xiàn)液冷效率更高，電動汽車電池組內(nèi)部溫度更均勻，維護(hù)方便，且在EVs領(lǐng)域已有成熟的液冷應(yīng)用技術(shù)，是近年來鋰離子動力電池?fù)Q熱方式中應(yīng)用最可靠的一種。因此，為提高國內(nèi)液冷系統(tǒng)的競爭力，更好地控制電池并對電動汽車進(jìn)行熱管理，本文對液冷臺架試驗方法的實際應(yīng)用開展研究。
通常試驗臺架液體冷卻系統(tǒng)的設(shè)計要與整車液體冷卻系統(tǒng)的設(shè)計相聯(lián)系，通過與電池間熱交換，冷卻介質(zhì)再通過外部換熱設(shè)備將熱量釋放。盡管很多整車廠從動力電池冷卻系統(tǒng)的角度出發(fā)，設(shè)計液冷充放電試驗，但這些試驗卻忽視了電池包系統(tǒng)級試驗與整車級試驗在起始溫度、溫升速率等關(guān)鍵指標(biāo)上的差異。在電池試驗工作中，通過整車試驗數(shù)據(jù)與電池系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)的對比，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前國內(nèi)系統(tǒng)級水冷試驗與整車級試驗結(jié)果嚴(yán)重脫節(jié)。在實際的測試中，僅規(guī)定水冷機出口溫度及流速，未考慮試驗?zāi)M的實際整車水冷工作情況，且由于國內(nèi)目前暫無電池系統(tǒng)試驗水冷控制策略規(guī)范，導(dǎo)致系統(tǒng)級試驗失去了測試驗證的意義。因此，本研究通過控制水冷對電池包加熱制冷功率及冷卻液初始溫度，制定出電池系統(tǒng)試驗水冷控制改善方法，使通過臺架測試的系統(tǒng)級試驗?zāi)軌虮M可能地模擬整車水冷的實際工作情況。
1電池系統(tǒng)臺架液冷控制方法
對液冷臺架試驗方法的實際應(yīng)用開展研究，通過功率、冷卻液比熱容、流量、電池系統(tǒng)進(jìn)出水口溫差等因素的關(guān)聯(lián)計算，設(shè)計了一種電池系統(tǒng)臺架液冷控制方法，使臺架試驗?zāi)軌蚋玫啬M整車水冷的實際加熱制冷情況。電池系統(tǒng)臺架液冷控制方法主要包括低溫加熱和高溫冷卻兩部分。
1.1電池系統(tǒng)低溫加熱試驗方法
電池系統(tǒng)開啟水冷機進(jìn)行低溫加熱時，水冷機加熱功率根據(jù)整車水冷控制器（watertemperaturecontroller,WTC）在當(dāng)前溫度下的額定功率進(jìn)行實時變化，當(dāng)達(dá)到溫度上限或電池系統(tǒng)達(dá)到充電截止條件時加熱結(jié)束。加熱時冷卻液的最高溫度應(yīng)限制在60℃或制造商提供的冷卻液加熱最高上限溫度。此外，還需根據(jù)試驗要求的加熱保溫方案開啟或關(guān)閉水冷機。
1.2電池系統(tǒng)高溫冷卻試驗方法
電池系統(tǒng)開啟水冷機進(jìn)行高溫冷卻時，水冷機制冷功率根據(jù)整車WTC在當(dāng)前溫度下的額定功率進(jìn)行實時變化，當(dāng)達(dá)到溫度下限或電池系統(tǒng)達(dá)到充電截止條件時冷卻結(jié)束。冷卻時冷卻液的最低溫度應(yīng)限制在20℃或制造商提供的冷卻液冷卻最低下限溫度。此外，還需根據(jù)試驗要求的加熱保溫方案開啟或關(guān)閉水冷機。
1.3水冷機加熱功率設(shè)定
試驗開始時，使進(jìn)口起始溫度與試驗?zāi)M環(huán)境溫度保持一致。若測試臺架不能直接對電池系統(tǒng)的加熱功率進(jìn)行控制，則可以通過公式（1）對水冷機流量Q和電池系統(tǒng)進(jìn)出水口溫度差ΔT的控制，間接控制電池系統(tǒng)加熱功率，電池系統(tǒng)進(jìn)出水口溫差ΔT與流量Q對應(yīng)關(guān)系見表1。具體計算如下：

式中：ΔT為電池系統(tǒng)進(jìn)水口溫度與出水口溫度差；P為WTC在當(dāng)前溫度下的額定功率；Q為電池系統(tǒng)中冷卻液的流量；c為冷卻液的比熱容。

1.4電池系統(tǒng)臺架液冷控制方法優(yōu)化
在電池包入水口和出水口處放置溫度傳感器，讀取電池包入水口溫度Tin和出水口溫度Tout，水冷機設(shè)定溫度為Tset、設(shè)定流量為Qset。假設(shè)水冷管極短，可將水冷機設(shè)定溫度為Tset近似于電池包入水口溫度Tin。則可以由公式（2）通過水冷機設(shè)定溫度Tset和設(shè)定流量Qset來模擬WTC功率Pset。

2結(jié)果與討論
為證明該電池系統(tǒng)臺架液冷控制方法能夠有效地改善傳統(tǒng)臺架液冷試驗方法中存在的試驗數(shù)據(jù)失真等問題，對某整車廠電池系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)級臺架液冷試驗，隨后將該電池系統(tǒng)裝于整車上測試整車級實際工況，試驗內(nèi)容包括：?20℃低溫快充、?10℃低溫快充、?20℃低溫慢充。該車廠整車水冷流量為固定值12L/min，試驗所用儀器電流精度為±0.3‰F.S.，溫度控制偏差為±0.5℃。
2.1?20℃低溫快充
2.1.1溫度影響
1號電池采用傳統(tǒng)臺架液冷試驗方法，從圖1中發(fā)現(xiàn)1號電池的加熱速率遠(yuǎn)大于整車，1號電池在臺架試驗中最高溫度Tmax,B1達(dá)到了峰值37℃，整車最高溫度Tmax,V峰值僅為27℃。這是由于傳統(tǒng)試驗中未要求電池系統(tǒng)的加熱功率，?20℃下整車WTC的加熱額定功率為6kW，而臺架試驗的水冷機一直以最大加熱功率15kW對電池系統(tǒng)進(jìn)行加熱，加熱功率為整車的2.5倍。由于臺架加熱功率大于整車，在整個試驗階段中臺架的單體溫差都大于整車，臺架單體最大溫差為9℃，整車單體最大溫差為4℃，說明臺架試驗的溫度一致性相比于整車更差。此外，1號電池溫度呈明顯的先升后降趨勢，而整車中并未出現(xiàn)明顯的溫降趨勢，這是由于1號電池溫度過高提前觸發(fā)了液冷停止加熱機制，電池系統(tǒng)在?20℃下進(jìn)行自然冷卻，溫度逐漸降低。

2號電池采用優(yōu)化后的電池系統(tǒng)臺架液冷控制方法，通過將臺架水冷機對整車WTC進(jìn)行模擬，使臺架試驗對電池系統(tǒng)加熱功率近似于整車加熱功率的6kW。如圖2所示，臺架試驗2號電池的溫升速率與整車情況基本吻合。整個試驗階段中2號電池最高溫度Tmax,B2峰值為27℃，與Tmax,V峰值相同，2號電池最低溫度Tmin,B2峰值也與整車最低溫度Tmin,V峰值相同。臺架試驗電芯單體溫差最大值為3℃，整車電芯單體溫差最大值為4℃，單體溫差在可接受范圍內(nèi)。2號電池溫度一致性與整車情況基本相似。說明通過電池系統(tǒng)臺架液冷控制方法，臺架試驗得到較好改善，2號電池的溫升趨勢變化更符合整車實際情況。

2.1.2電性能影響
傳統(tǒng)臺架試驗充電電流IB1與整車實際充電電流IV變化差異性很大，如圖3所示。這是由于1號電池溫升過快，在充電前期最大允許充電電流隨著電壓和溫度升高逐漸增大，在1200s時Tmax,B1達(dá)到了25℃，使得IB1達(dá)到了250A，由于此時1號電池電芯電壓較低，電池仍以250A電流恒流充電1400s，在2600s時因電壓過高，電流受策略約束逐漸減小。整車由于溫升較慢，在3000s時Tmax,V達(dá)到25℃，當(dāng)電池最大允許充電電流達(dá)到250A的瞬間，因動態(tài)電壓過高，IB1受策略約束開始減小。由于1號電池相比于整車的大電流充電時間更長，導(dǎo)致電池內(nèi)部負(fù)載大電流產(chǎn)生的熱負(fù)荷更大，間接促使電池的溫升速率高于整車。

通過優(yōu)化電池系統(tǒng)臺架液冷控制方法，2號電池的充電電流IB2變化趨勢與整車充電電流IV變化趨勢基本趨于一致，如圖4所示。相比于1號電池，2號電池的電性能與整車實際情況更為接近。說明對于?20℃下的低溫快充試驗，采用該液冷控制方法能更好地模擬整車實際電流變化情況。

2.2?10℃低溫快充
2.2.1溫度影響
在?10℃環(huán)境溫度下進(jìn)行低溫快充試驗，從圖5中發(fā)現(xiàn)采用傳統(tǒng)臺架液冷試驗方法下的1號電池加熱速率大于整車，且臺架試驗的溫度一致性比整車差。此外，在試驗?zāi)┒伺_架試驗的電池溫度比整車更低，這是由于臺架電池Tmin,B1在2100s時達(dá)到32℃，比整車試驗早1500s觸發(fā)液冷停止加熱機制，使得電池系統(tǒng)在?10℃環(huán)境下自然冷卻時間更長，溫度下降趨勢更為明顯。

通過圖5和圖6的對比發(fā)現(xiàn)，采用該液冷控制方法后2號電池的溫度變化趨勢得到較大改善，更接近整車實際變化情況，整個試驗階段臺架試驗的Tmax,B2峰值和Tmin,B2峰值與整車相差為1℃。2號電池溫度一致性與整車情況基本保持一致。
2.2.2電性能影響
如圖7所示，1號電池在充電階段前期電流明顯大于2號電池和整車，導(dǎo)致在后期電流約束階段都快于2號電池和整車。相比于傳統(tǒng)試驗方法的1號電池電性能變化，采用臺架液冷控制方法后2號電池的電流變化趨勢與整車實際電流變化趨勢更吻合。通過與?10℃的低溫快充試驗結(jié)果結(jié)合，能夠證明該液冷控制方法適用于不同的低溫環(huán)境溫度。

2.3?20℃低溫慢充
2.3.1溫度影響
在?20℃環(huán)境溫度下進(jìn)行低溫慢充試驗，從圖8中發(fā)現(xiàn)1號電池的加熱速率遠(yuǎn)大于整車，且其溫度一致性更差。由于低溫慢充試驗可看作小電流恒流充電，電池內(nèi)部因負(fù)載電流產(chǎn)生的熱負(fù)荷影響也較小，臺架液冷和整車的溫度差異相對也更為明顯。在?20℃低溫慢充試驗過程中，整車試驗過程中共經(jīng)歷5次溫度交變，1號電池僅經(jīng)歷3次，說明傳統(tǒng)臺架試驗在慢充條件下與整車依然存在著較大的差異性。

如圖9所示，通過采用電池系統(tǒng)臺架液冷控制方法，2號電池溫度變化趨勢與整車實際溫度變化趨勢更為接近。電池溫度一致性和溫升速率都比未采用臺架液冷控制方法時的1號電池有顯著改善。
臺架2號電池在整個試驗過程中溫度交變經(jīng)歷了5.5次，與整車實際情況更為接近。

2.3.2電性能影響
在整車試驗過程中，除電池系統(tǒng)吞吐電量外，還存在WTC、水泵等外部電氣元件耗電的情況。由于低溫慢充試驗電流過小，電池系統(tǒng)的外部電氣元件耗電情況更為明顯，如圖10所示。然而，通過臺架試驗的1號電池和2號電池電流變化情況與整車相比，仍能發(fā)現(xiàn)2號電池的電流變化情況更吻合整車實際電流變化情況。說明該臺架液冷控制方法對不同充電方式依然能起到一定的改善效果，使得臺架試驗更趨向于整車的實際情況。

3結(jié)論
對液冷臺架試驗方法的實際應(yīng)用開展研究，通過功率、冷卻液比熱容、進(jìn)出水口溫差、流量等因素的關(guān)聯(lián)計算，設(shè)計了一種電池系統(tǒng)臺架液冷控制方法，使臺架試驗?zāi)軌蚋玫啬M實際整車水冷加熱制冷情況。
通過對電池系統(tǒng)進(jìn)行?20℃、?10℃低溫快充和?20℃低溫慢充三項試驗，驗證了該電池系統(tǒng)臺架液冷控制方法在不同的低溫環(huán)境溫度和充電方式下都能起到較好的改善作用。相較于傳統(tǒng)臺架液冷試驗方法，采用該電池系統(tǒng)臺架液冷控制方法，能夠使電池系統(tǒng)的溫度及電性能變化與實際整車試驗數(shù)據(jù)更為吻合，保證了電池系統(tǒng)在系統(tǒng)級試驗階段與整車級試驗結(jié)果保持一致，實現(xiàn)了電池系統(tǒng)在臺架液冷試驗的真實性能考核。
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