肖軍 張明 劉志強(qiáng) 梁輝

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(tái)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(tái)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(jí)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?試驗(yàn)臺(tái)架;試驗(yàn)研究

中圖分類號(hào)：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）20-13-04

Abstract： A test bench of the battery thermal management system（BTMS） based on the CAN communication is developed， and applied to satisfy development and test requirements for the battery pack and the BTMS. The test bench works correctly and the battery pack meets the thermal requirements， which is validated by the BTMS test based on the US06 cycle in high temperature and the NEDC cycle in low temperature. Moreover， the basic control strategy of BTMS is preliminary proved， which provide the foundations for vehicle calibration test and strategy optimization of BTMS.

Keywords： Electric vehicle; Battery thermal management; Test bench; Test research

CLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）20-13-04

前言

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(duì)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(duì)準(zhǔn)確的系統(tǒng)級(jí)別試驗(yàn)測(cè)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(tái)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(duì)于研究和評(píng)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(tái)架總體設(shè)計(jì)

1.1 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)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(jí)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(tái)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(tái)架主要包括被測(cè)對(duì)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(tái)架構(gòu)造原理如圖1所示。其中，被測(cè)對(duì)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(tái);數(shù)據(jù)采集模塊包括電芯溫度采集單元、測(cè)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(duì)濕度為20%～98%，相對(duì)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(tái)架主要采用的設(shè)備規(guī)格型號(hào)見表1所示。

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)架構(gòu)造原理圖搭建的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架實(shí)物如圖3所示。試驗(yàn)開始之前，需要將試驗(yàn)臺(tái)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(cè)試人員在外監(jiān)測(cè)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(cè)試人員觀測(cè)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(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)工作[4]。

1.2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)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(tái)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(píng)價(jià)試驗(yàn)，為整車級(jí)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(cè)試功能，對(duì)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(jí)的電池?zé)峁芾順?biāo)定優(yōu)化試驗(yàn)，為整車級(jí)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(tái)架試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)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_(tái)架試驗(yàn)和NEDC循環(huán)工況的低溫電池?zé)峁芾砼_(tái)架試驗(yàn)。

2.1 US06循環(huán)工況的高溫電池?zé)峁芾砼_(tái)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(tái)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_(tái)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℃。

2.2 NEDC循環(huán)工況的低溫電池?zé)峁芾砼_(tái)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(tái)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_(tái)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(shì)，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。

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(tái)架，可以模擬車輛各工況下電池包等熱管理相關(guān)對(duì)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(cè)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(píng)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(jí)別的試驗(yàn)研究，為整車級(jí)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_(tái)架試驗(yàn)測(cè)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(tái)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_(tái)架測(cè)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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