為了實現(xiàn)對不同熱管理系統(tǒng)設計的評測和研究，設計搭建了基于 CAN 總線通訊交互的動力電池熱管理系統(tǒng)測試平臺。通過對一款電池包進行高溫冷卻、低溫加熱、保溫性能試驗研究，表明該測試平臺功能運行正常，驗證了電池熱管理系統(tǒng)基本控制策略的正確性，為更多熱管理系統(tǒng)試驗的開發(fā)建立了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：動力電池　熱管理系統(tǒng)　測試平臺

作者：范恒斌　朱順良　謝歡　龔明光

上海機動車檢測認證技術(shù)研究中心有限公司　上海市

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(guān)注的3個特性：壽命、安全、使用性能，均與電池熱相關(guān)問題具有緊密的聯(lián)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(xiàn)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(shù)據(jù)。

01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(nèi)部不同位置溫度或電壓；步入式環(huán)境箱為12m3，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(shù)進行控制。以上所有設備的采集數(shù)據(jù)都可通過CAN總線向DAQ電腦端傳輸，在電腦端可實現(xiàn)對所有設備的控制及數(shù)據(jù)監(jiān)控。

02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(xiàn)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(shù)據(jù)基礎(chǔ)；

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

（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(shù)據(jù)支持和性能驗證；

（4）能實現(xiàn)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(shù)據(jù)支撐，縮短整車開發(fā)周期。

03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。

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(nèi)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(chǎn)生的熱量低于熱管理系統(tǒng)帶走的熱量，充電結(jié)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(nèi)。

工況2：6%坡度，100km/h高速行駛工況，使電池包內(nèi)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(jié)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(chǎn)熱增加，電芯溫度呈現(xiàn)上升趨勢。

工況3：250A快充高速行駛工況，使電池包內(nèi)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(jié)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(jié)束后整個放電過程溫度成上升狀態(tài)。

工況4：30min快充工況，將電池包保持在25℃熱平衡狀態(tài)后，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度達到45℃，水冷機內(nèi)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(jié)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(jié)束溫度到達30℃，全過程中電芯溫差逐漸升高。

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?/span>趨勢，而在30min快充工況中，水冷機溫度18℃，流速12L/min，溫度下降點出現(xiàn)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。

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(nèi)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(xiàn)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。

保溫性能試驗

保溫系統(tǒng)是為滿足短期內(nèi)電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度熱環(huán)境在正常區(qū)間內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(diào)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(diào)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(shù)據(jù)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。

04結(jié)語

本文搭建了動力電池熱管理系統(tǒng)測試平臺，可以實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(chǔ)。

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(guān)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(shù)據(jù)分析并提供了優(yōu)化方向，經(jīng)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(shù)據(jù)，對不同電池熱管理系統(tǒng)進行優(yōu)劣分析評價。

【參考文獻】

[1] 肖軍，張明，劉志強，梁輝 . 車用電池熱管理系統(tǒng)試驗臺架研制與試驗研究 [J]. 汽車實用技術(shù)，2020，45（20）：13-16.

[2] 馮能蓮，陳龍科，鄒廣才 . 新一代液冷電池包制冷和加熱系統(tǒng)實驗平臺研發(fā) [J]. 實驗技術(shù)與管理，2017，（04）：70-73+81.

[3] 鄭海，續(xù)彥芳，劉漢濤，陳凱，桂文龍 . 基于液體介質(zhì)的鋰離子動力電池熱管理系統(tǒng)實驗分析 [J]. 儲能科學與技術(shù)，2020，9（03）：885-891.

[4] 何賢，胡靜，蘇健，錢程，沙海建 . 動力電池液冷系統(tǒng)設計與試驗研究 [J]. 制冷與空調(diào)，2019，19（09）：22-27+31.