摘要：以某純電動商用車 65kWh 磷酸鐵鋰液冷動力電池系統(tǒng)為研究對象，自主設(shè)計搭建熱管理試驗臺架，重點探究了不同環(huán)境溫 度和工況下熱管理系統(tǒng)對電池溫度的冷卻效果對比。該熱管理系統(tǒng)能夠?qū)㈦姵販囟瓤刂圃谶m宜范圍內(nèi)，但高溫環(huán)境能耗較高，遂 開展熱管理控制策略優(yōu)化，優(yōu)化后的控制策略在電池冷卻效果和能耗方面均優(yōu)于原控制策略，高溫高速工況和城市綜合工況分別 節(jié)能 37.78%和 78.63%，熱管理能效明顯提升。 

關(guān)鍵詞：液冷動力電池系統(tǒng)；臺架試驗；控制策略優(yōu)化；

熱管理能效引言 動力電池是決定電動汽車動力性與安全性的關(guān)鍵部件，其性能與壽命受溫度的影響嚴(yán)重 ,在高溫和高倍率 充放電時容易造成電池過熱的現(xiàn)象，嚴(yán)重時導(dǎo)致熱失控，甚至起火爆炸Sato 等研究發(fā)現(xiàn)，電池溫度超過50℃后電池效率明顯降低，工作壽命也出現(xiàn)加快衰減的跡象。因此，需要對動力電池進(jìn)行熱管理，保證動力電 池在合適的溫度范圍內(nèi)工作。熱管理試驗臺架的主要功能是模擬實車系統(tǒng)的熱管理，為驗證熱管理系統(tǒng)控制 策略提供基礎(chǔ)試驗手段，盡早發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，縮短電池?zé)峁芾砜刂撇呗詷?biāo)定試驗周期，并對研究和評 價電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能具有重要意義。目前，針對動力電池常用的散熱方式主要包括空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻和熱管冷卻?？諝饫鋮s 不能滿足能量密度越來越高的鋰電池散熱需求，在復(fù)雜工況下，液冷比空冷性能更佳，液體介質(zhì)的換熱系數(shù)高， 熱容量大冷卻速度也更快。相變材料冷卻，其中相變材料的物理性質(zhì)對系統(tǒng)的冷卻效果有著重要的影響，因此 對于相變材料的選擇具有很高的要求，且相變材料本身導(dǎo)熱系數(shù)較低，需添加金屬材料增強(qiáng)導(dǎo)熱能力。熱管冷 卻很少單獨使用，高效的換熱效果使熱管多出現(xiàn)于復(fù)合散熱冷卻方式中，成本過高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易維修等缺 點使它很少出現(xiàn)在大眾視野。綜上，從成本、散熱效果及加工工藝、材料選擇等方面綜合比較，液體冷卻綜合 優(yōu)勢較為明顯，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域。但液冷系統(tǒng)中壓縮機(jī)等大功率附件使電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的 能耗增大，因此控制系統(tǒng)能耗，提升熱管理能效成為液冷技術(shù)的關(guān)鍵。本文以某純電動商用車用 65kWh 磷酸鐵 鋰液冷動力電池系統(tǒng)為研究對象，自主設(shè)計搭建熱管理臺架試驗，通過不同溫度和不同工況對比試驗，對熱管 理能效進(jìn)行評估，在此基礎(chǔ)上通過多種方式優(yōu)化控制策路，提升電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的效果。1 臺架試驗搭建 1.1 試驗對象 選取某商用車用 65kWh 液冷動力電池系統(tǒng)為試驗對象，其基本參數(shù)如表 1 所示。

表 1 65kWh 液冷動力電池系統(tǒng)基本特性參數(shù)

1.2 試驗原理 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架主要包括被測液冷動力電池系統(tǒng)、整車控制器（以下簡稱 VCU）、高低壓供電模 塊、低溫散熱器、冷凝器、冷卻水路、冷媒管路、熱交換器（Chiller）、風(fēng)扇、水泵、高低壓線束、溫度/壓力傳 感器、電磁閥等，試驗臺架示意圖如圖 1 所示。充放電測試設(shè)備模擬整車充放電工況，被測系統(tǒng)中空調(diào)壓縮機(jī) 由外部高壓電源供電，電子水泵、風(fēng)扇、溫度傳感器、控制器等由外部低壓電源供電。電池管理系統(tǒng)（以下簡 稱 BMS）實時采集電芯溫度和電壓電流等參數(shù)，VCU 與 BMS 進(jìn)行信息實時交互，并通過 CAN 總線實時發(fā)送 至控制平臺，觀測實時動態(tài)數(shù)據(jù)，同時上位機(jī)也可通過軟件動態(tài)修改標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行控制對應(yīng)節(jié)點工作.

圖 1 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架示意圖

1.3 試驗方法

為了考察液冷系統(tǒng)不同模式以及熱管理控制策略的冷卻效果，分別進(jìn)行低溫散熱模式試驗和工況試驗。低 溫散熱模式試驗分別在 40℃、25℃和 10℃環(huán)境溫度下，對比兩種模式下電池平均溫度表現(xiàn)情況。工況試驗選取 40℃、25℃、0℃和-7℃環(huán)境溫度下四種不同工況開展試驗。為接近實車實際運行工況，除了城市綜合工況為功 率路譜跟隨，其余工況根據(jù)車輛參數(shù)換算為電池輸出端需求功率開展放電測試，放電完成后均執(zhí)行 0.8C 倍率快 充。在充放電測試設(shè)備進(jìn)行整個模擬充放電過程中，考察液冷動力電池系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度、不同工況下的表 現(xiàn)，記錄電池容量、能量、電流、電壓、溫度、熱管理系統(tǒng)耗電量、電池進(jìn)出水口的溫度、散熱器進(jìn)出風(fēng)口的 溫度信息，結(jié)合系統(tǒng)能耗和電池冷卻效果，綜合評估液冷動力電池系統(tǒng)熱管理能效，從而針對性優(yōu)化控制策略。

2 結(jié)果與討論2.1 低溫散熱模式試驗 

本文中液冷散熱系統(tǒng)包括兩種模式，一種是低溫散熱模式，采用散熱器搭載風(fēng)扇的方式，通過風(fēng)扇抽取自 然風(fēng)對冷卻液流經(jīng)的低溫散熱器進(jìn)行散熱，達(dá)到降溫的目的。另一種是制冷模式，依靠壓縮機(jī)制冷，使流經(jīng) 熱交換器后的冷卻液溫度降低，再通過對流傳熱帶走電池產(chǎn)生的熱量。為了驗證低溫散熱模式相對于自然冷卻模式（無熱管理參與）對動力電池系統(tǒng)的冷卻效果，選取高速＋ 0.8C 快充工況（快充時長約 4500s，下同），分別在 40℃、25℃和 10℃環(huán)境溫度下，對比兩種模式下電池平均 溫度表現(xiàn)情況，如圖 2 所示

圖 2 三種環(huán)境溫度兩種模式電池溫升對比

從以上三種不同環(huán)境溫度下電池溫度曲線對比發(fā)現(xiàn)，在放電階段，兩種模式下沒有明顯的差異，當(dāng)溫度逐 漸升高并且進(jìn)入快充階段，低溫散熱模式下電池溫升速率低于自然冷卻模式。環(huán)境溫度為 10℃和 25℃時，動 力電池在兩種模式下均可完成高速＋0.8C 快充工況測試，而環(huán)境溫度為 40℃時，動力電池在兩種模式下均由于 溫度保護(hù)無法完成測試，充電終止時 SOC 分別為 79.6%和 72.8%。因此，低溫散熱模式的散熱效果有限，而且受 環(huán)境溫度的影響較大，僅在環(huán)境溫度較低且與電池有較大溫差時才會有一定的冷卻效果，溫差越大，效果越好。因此，較低環(huán)境溫度時，可采取低溫散熱模式對電池進(jìn)行散熱；高溫時不建議采取低溫散熱模式，為了滿足電 池的散熱需求，應(yīng)根據(jù)熱管理控制策略開啟壓縮機(jī)制冷模式。

2.2 工況對比試驗 為了驗證電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能及控制策略的有效性，根據(jù)實車工況設(shè)計需求，選取四種工況（高速＋0.8C 快充、60 km·h -1＋0.8C 快充、40 km·h -1＋0.8C 快充以及城市綜合工況＋0.8C 快充）進(jìn)行測試，測試工況如表 2 所示。

表 2 測試工況一覽表

針對以上四種工況，開啟熱管理控制策略，分別考察環(huán)境溫度為 40℃、25℃、0℃、-7℃時電池的溫度表 現(xiàn)，試驗結(jié)果如圖 3 所示。

圖 3 不同環(huán)境溫度下四種工況電池溫升對比

從室溫和高溫工況放電階段溫度曲線來看，溫度先升后降最后又上升是由于：在放電開始時，電池溫度和 冷卻液溫度較為接近，換熱量較小，電池產(chǎn)熱量大于對流換熱帶走的熱量，因此電池溫度隨著放電的進(jìn)行有所 升高；隨著放電的進(jìn)行，電池與冷卻液的溫差逐漸增大，對流換熱量增加。當(dāng)對流換熱量等于電池產(chǎn)熱量時，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，溫度趨于穩(wěn)定，曲線表現(xiàn)較為平穩(wěn)；此時熱管理系統(tǒng)以制冷模式持續(xù)運行，冷卻液溫度繼續(xù) 下降，帶走電池自身更多的熱量，電池溫度開始下降；到放電后期，隨著 SOC 逐漸減小，電池內(nèi)阻不斷增大， 導(dǎo)致動力電池產(chǎn)熱量迅速增加，放電后期產(chǎn)熱速率增加，產(chǎn)熱量的增加大于對流換熱帶走的熱量，電池內(nèi)部吸 收熱量積累速度變大，造成電池溫度的持續(xù)攀升。而低溫環(huán)境溫度下放電時，同步執(zhí)行加熱策略，待電池 溫度加熱至規(guī)定閾值時停止加熱，并在工況過程中根據(jù)控制策略啟停加熱，在放電階段均未達(dá)到制冷模式開啟 條件。以上無論低溫、室溫和高溫環(huán)境下，四種工況均能使電池溫度穩(wěn)定在適宜的溫度范圍內(nèi)，說明該熱管理控 制策略能夠滿足電池的制冷需求，但從實車角度出發(fā)，需在兼顧電池冷卻效果的同時，也應(yīng)衡量車輛的續(xù)駛里 程是否滿足設(shè)計需求。因此，進(jìn)一步結(jié)合能耗對熱管理能效進(jìn)行綜合評估。選取 25℃和 40℃環(huán)境溫度下四種工況重點進(jìn)行放電階段能耗對比，如圖 4 所示。雖然熱管理系統(tǒng)原控制策 略基本可滿足設(shè)計要求，但 40℃環(huán)境溫度 4 種工況下熱管理系統(tǒng)耗能普遍較 25℃工況下高，特別是 40℃城市 綜合工況，能耗高達(dá) 11.5kWh，約占電池系統(tǒng)總放電容量的 16.9%，嚴(yán)重影響車輛夏季續(xù)駛里程。因此，需進(jìn) 一步優(yōu)化控制策略，在保證冷卻效果的同時降低熱管理系統(tǒng)能耗，提升車輛續(xù)駛里程及系統(tǒng)可靠性。

圖 4 25℃和 40℃四種工況放電能耗對比

2.3 控制策略優(yōu)化對比 

行之有效的控制策略能夠保證在不同的行車工況下，壓縮機(jī)、風(fēng)扇等耗功零件工作在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的情況 下就使電池等關(guān)鍵部件工作在合適的溫度范圍，對于提高整車的能量利用效率具有重要意義。從能耗來源分析，高壓能耗和低壓能耗主要分別來自壓縮機(jī)和風(fēng)扇、水泵；從策略優(yōu)化方向分析，熱管理 系統(tǒng)首先應(yīng)滿足高溫大負(fù)荷工作狀態(tài)下的冷卻需求，該代表性工況為 40℃環(huán)境溫度下的高速工況＋0.8C 快充。當(dāng)環(huán)境溫度不變時，機(jī)組制冷量隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增加，但是當(dāng)系統(tǒng)換熱量達(dá)到飽和時，即使壓縮機(jī)再提 高轉(zhuǎn)速，制冷效果也不會有較大提升，而且會增加功耗。因此，為了提高能效，在放電階段，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速標(biāo) 定目標(biāo)為將電池溫度維持在 35～40℃左右并盡量降低轉(zhuǎn)速，同時降低散熱風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來降低能耗；充電階段，擬通過提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速使電池在充電過程利用電網(wǎng)電能充分冷卻，在滿足快充的同時盡量降低充電后電池溫度， 使后續(xù)行駛過程中熱管理開啟時間縮短，降低放電過程熱管理能耗。而在室溫環(huán)境下為進(jìn)一步降低能耗，放電 階段在綜合考慮電池壽命及使用工況的基礎(chǔ)上，擬將放電階段電池目標(biāo)控制溫度提升 10℃，對應(yīng)熱管理系統(tǒng)開 啟及關(guān)閉閾值亦提升 10℃，既保證電池工作在最佳溫度范圍，又延遲了熱管理開啟時間以降低能耗。綜合以上思路，對熱管理控制策略開展一系列標(biāo)定優(yōu)化試驗，重點優(yōu)化項包括：1）優(yōu)化熱管理系統(tǒng)啟停閾 值；2）優(yōu)化模式切換閾值；3）優(yōu)化風(fēng)扇轉(zhuǎn)速檔位；4）優(yōu)化水泵占空比（冷卻液流量）；5）根據(jù)電池溫度合理 調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速（充/放電區(qū)分策略）。優(yōu)先選取 40℃高速工況＋0.8C 快充連續(xù)兩輪測試與城市綜合工況＋0.8C 快充測試，綜合評估電池溫度和能耗表現(xiàn)，將優(yōu)化后的新策略和原控制策略在同種工況下進(jìn)行對比，驗證優(yōu)化 效果。電池溫度表現(xiàn)和能耗對比分別如圖 5、6 所示。

圖 5 40℃高速工況連續(xù)兩輪新舊策略電池溫度表現(xiàn)及能耗對比

圖 6 40℃城市綜合工況新舊策略電池溫度表現(xiàn)及能耗對比

由圖 5 可知，40℃高速工況+0.8C 快充連續(xù)兩輪測試中電池溫度及能耗表現(xiàn)皆優(yōu)于原策略，兩輪充放電全 過程節(jié)能率達(dá) 37.78%。第一輪放電完成后，電池平均溫度僅為 37℃，比初始平均溫度下降 2℃，快充結(jié)束電池 平均溫度也僅為 43℃，并且第二輪和第一輪過程中電池能夠維持幾乎相同的溫度水平，系統(tǒng)可靠性良好。由圖 6 可知，40℃城市綜合工況包含行車及制動能量回收過程，最接近實車使用工況。原策略放電階段熱 管理系統(tǒng)持續(xù)工作，能耗達(dá) 10.746kWh。新策略重點優(yōu)化了熱管理啟停閾值，放電階段熱管理系統(tǒng)根據(jù)控制策 略間歇啟停，能耗降低至 2.297kWh（節(jié)能 8.45 kWh，節(jié)能率達(dá) 78.63%）,優(yōu)化后的控制策略始終能夠?qū)囟瓤?制在 36℃左右，電池放電平均溫度僅高于原策略 0.18℃，能效顯著提升。新控制策略通過提高熱管理開啟閾值、優(yōu)化風(fēng)扇和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、尋求最優(yōu)冷卻液流量（水泵占空比）等重 點優(yōu)化措施，實現(xiàn)了降低能耗和提升電池冷卻能力的雙重效果。通過對各策略優(yōu)化重點項目試驗分析發(fā)現(xiàn)，冷 卻液流量的選擇是影響冷卻效果的關(guān)鍵因素。策略優(yōu)化過程中，為研究不同流量對熱管理系統(tǒng)能效影響，選取 40℃高速工況＋0.8C 快充，通過修改不同水泵占空比進(jìn)行對比試驗，無論從電池溫升還是冷卻液入口溫度表現(xiàn) 來看，當(dāng)水泵占空比為 30%時，熱管理系統(tǒng)冷卻效果最優(yōu)；而在 90%占空比下，冷卻效果最差，電池平均溫度 和進(jìn)水溫度分別比 30%占空比時高 4℃和 8℃，影響效果顯著。本臺架試驗中選取的水泵占空比與流量對應(yīng)關(guān) 系如表 3 所示，不同水泵占空比下冷卻液入口溫度和電池平均溫度表現(xiàn)如圖 7、圖 8 所示。

表 3 水泵占空比與流量關(guān)系實測數(shù)據(jù)

圖 7 40℃高速工況不同水泵占空比下冷卻液入口溫度對比

圖 8 40℃高速工況不同水泵占空比下電池平均溫度對比因此，可通過試驗對比，優(yōu)選出可使冷卻液溫度相對較低的冷卻液流量值（水泵占空比），以達(dá)到最佳的冷 卻效果。綜上，優(yōu)化后的新策略實現(xiàn)了保證冷卻效果的同時，大大降低了熱管理系統(tǒng)能耗，能效明顯提升，對 提升夏季車輛續(xù)駛里程具有重要意義。

3 結(jié)論1、設(shè)計搭建的某商用車用電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架，可模擬實車各工況下電池包熱管理相關(guān)對象的工作 特性，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。2、基于四種環(huán)境溫度四種工況的電池?zé)峁芾砼_架試驗測試數(shù)據(jù)可以表明，熱管理系統(tǒng)控制策略能夠?qū)㈦姵?溫度有效控制，除 40℃高速工況外，其余工況皆滿足最佳工作溫度要求。3、優(yōu)化后新策略在 40℃高溫環(huán)境下各工況電池溫度及熱管理能耗皆優(yōu)于原策略，尤其是熱管理能耗最高 的城市綜合工況，單次工況節(jié)能率達(dá) 78.63%，節(jié)能 8.45 kWh，達(dá)電池額定能量的 10%，熱管理能效顯著提升， 對提升高溫車輛續(xù)駛里程有積極的促進(jìn)作用。4、冷卻液流量（水泵占空比）對冷卻效果影響顯著，可通過試驗對比尋求可使冷卻液溫度相對較低的最佳 冷卻液流量值，以達(dá)到最佳的冷卻效果，本試驗中優(yōu)選冷卻液流量為 7.73 L·min-1（水泵占空比 30%）。
作者：張蕾，楊洋，馬菁，李靜作者單位：陜西汽車集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心；長安大學(xué)汽車學(xué)院