液冷動力電池系統(tǒng)高寒保溫與加熱試驗研究

許 璇， 王 波， 馮汝廣， 崔慶虎， 張連輝， 張 剛

(中通客車控股股份有限公司，山東 聊城 252000)

目前，我國的電動汽車在北方推廣遇到的最大的問題是動力電池低溫問題，特別是東北、新疆、呼和浩特等高寒地區(qū)，對動力電池的低溫性能要求更加嚴格。動力電池低溫問題會導致電池一致性差、充放電性能降低以及使用壽命縮短等后果。隨著北方市場對電動汽車的需求擴大，對動力電池高寒性能的研究成為了熱門[1-4]。

液冷結構的動力電池系統(tǒng)相比風冷和自熱冷卻結構的動力電池系統(tǒng)，具有更好的溫度均勻性、更高的冷卻效果和良好的NVH性能。本文通過試驗對一款電動客車用液冷動力電池系統(tǒng)實際低溫應用情況下不同保溫罩的保溫性能，以及動力電池的加熱性能進行研究[5-8]。

1 試驗準備

1.1 樣品電池的主要技術參數(shù)

試驗用液冷動力電池為錳酸鋰電池，其主要技術配置及技術參數(shù)見表1。

1.2 樣品電池的控制策略

1) 當單體最高溫度高于35 ℃時，開啟冷卻循環(huán)功能。

2) 當單體最高溫度低于30 ℃時，關閉冷卻循環(huán)功能，泵自循環(huán)。

3) 單體最低溫度低于27 ℃時，關閉冷卻循環(huán)系統(tǒng)，關閉泵自循環(huán)。

4) 單體最高溫度低于0 ℃時，開啟加熱功能。

5) 單體最高溫度高于10 ℃時，關閉加熱功能。

表1 樣品主要技術參數(shù)

1.3 保溫罩加裝條件及冷卻液的要求

為了使液冷動力電池系統(tǒng)在良好的工作環(huán)境運行，在實際應用中，夏季和秋季會拆除保溫罩，春季和冬季會加裝保溫罩，具體的情況還要根據(jù)當?shù)氐臍夂騺盱`活應用。液冷動力電池系統(tǒng)的冷卻液一般根據(jù)實際氣候選取冰點較低的防凍液，本試驗加裝冰點為-35 ℃的乙二醇防凍液。

1.4 試驗方案

高寒保溫與加熱試驗方案根據(jù)某款電動客車實際應用條件設計如下：

1) 在室溫下將電池系統(tǒng)SOC調整至100%(開啟電池智能熱管理機組)，靜置1 h。

2) 將電池系統(tǒng)置于-30 ℃環(huán)境下(關閉電池智能熱管理機組)，靜置30 h以上,測量電池系統(tǒng)溫降情況。

3) 開啟電池智能熱管理機組，當電池系統(tǒng)單體最高溫度達到10 ℃停止，測量電池系統(tǒng)溫升情況。

一共進行3輪測試，其中第一輪電池系統(tǒng)不加保溫罩，可以測量出電池系統(tǒng)的加熱性能；第二輪加氣凝膠保溫罩;第三輪加發(fā)泡保溫罩。后兩輪測試可以測量出保溫罩的保溫性能以及電池在保溫罩下的加熱性能。

1.5 試驗平臺搭建

液冷動力電池系統(tǒng)高寒保溫與加熱試驗對采集數(shù)據(jù)、程序控制以及環(huán)境溫度有較高的精度要求，為了保證測試的準確性，搭建專業(yè)的測試系統(tǒng)來進行試驗。高寒保溫與加熱測試系統(tǒng)包括測量系統(tǒng)、恒溫恒濕室、液冷動力電池系統(tǒng)，如圖1所示。此測試系統(tǒng)可以模擬不同溫度和濕度的測試環(huán)境，通過對液冷動力電池系統(tǒng)進行程序控制，采集高精度的試驗數(shù)據(jù)。

圖1 高寒保溫與加熱測試系統(tǒng)

2 試驗結果及分析

2.1 保溫罩性能對比

3種保溫條件下的電池系統(tǒng)在-30 ℃環(huán)境下都靜置34.5 h，電池單體最低溫度的變化可以反映不同保溫罩的保溫性能，表2為試驗結果。圖2為電池系統(tǒng)在低溫靜置階段單體電池最低溫度隨時間變化的曲線。由表2和圖2可知，不加保溫罩的電池系統(tǒng)溫度下降最快，單體電池之間最大溫差為7 ℃，無法滿足整車在低溫下的應用。加氣凝膠保溫罩的電池系統(tǒng)溫度下降了37 ℃，單體電池之間最大溫差為5 ℃；加發(fā)泡保溫罩的電池系統(tǒng)溫度下降了41 ℃，單體電池之間最大溫差為5 ℃。后兩者均能滿足在低溫下的應用，且氣凝膠保溫罩的保溫性能優(yōu)于發(fā)泡保溫罩。

表2 低溫環(huán)境下靜置階段試驗結果

2.2 加熱性能

電池系統(tǒng)在-30 ℃環(huán)境下進行加熱性能測試，當單體最高溫度達到10 ℃都停止試驗，電池單體最高溫度的變化可以反映電池系統(tǒng)的加熱性能。表3為試驗結果，圖3為電池系統(tǒng)在低溫加熱階段單體電池最高溫度隨時間變化的曲線。

由表3和圖3可知，不加保溫罩的電池系統(tǒng)加熱性能良好，可以滿足整車在低溫下的實際應用。加保溫罩后電池系統(tǒng)的升溫時間均縮短，加熱性能得到提升，均可以滿足整車在低溫下的實際應用。其中加氣凝膠保溫罩的加熱性能稍差，其電池系統(tǒng)的升溫時間長于加發(fā)泡保溫罩，此次試驗也再次證明氣凝膠保溫罩的保溫性能優(yōu)于發(fā)泡保溫罩。

表3 低溫環(huán)境下加熱階段試驗結果

圖3 單體電池最高溫度隨時間變化的曲線

3 結束語

液冷動力電池目前在新能源乘用車市場應用較多，效果良好，但由于成本較高在電動客車市場應用較少。隨著電動客車市場的不斷發(fā)展，特別是在高寒地區(qū)的不斷推廣，目前所用的風冷電池和自然冷卻電池的弊端逐漸顯現(xiàn)，液冷動力電池在電動客車市場的大規(guī)模使用成為必然[9-10]。