一種動(dòng)力電池組高溫高速工況臺(tái)架測試方案

韓友國　楊玉梅

摘 要：本文我們設(shè)計(jì)了一種動(dòng)力電池組系統(tǒng)高溫高速工況臺(tái)架測試方案，用以模擬電動(dòng)汽車高溫環(huán)境下持續(xù)高速行駛工況。該方案通過步入式溫度箱模擬所需高溫環(huán)境、通過充放電設(shè)備模擬整車高速行駛工況，該方案所需測試費(fèi)用低、測試工況簡單、臺(tái)架易于實(shí)現(xiàn)，能夠更好的指導(dǎo)動(dòng)力電池組系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)?？稍陂_發(fā)階段時(shí)驗(yàn)證動(dòng)力電池組系統(tǒng)是否能夠在其工作溫度范圍內(nèi)滿足整車在高溫環(huán)境下高速行駛的需求。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池組；高溫；高速；臺(tái)架測試

1 前言

通常，電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池組系統(tǒng)的工作溫度普遍在-20℃～60℃。為了保證動(dòng)力電池組系統(tǒng)能夠始終在其有效溫度范圍內(nèi)工作，電池管理系統(tǒng)（BMS）會(huì)根據(jù)廠家提供的電芯參數(shù)、整車設(shè)計(jì)參數(shù)等設(shè)定相應(yīng)的溫度保護(hù)條件。當(dāng)動(dòng)力電池組系統(tǒng)溫度達(dá)到設(shè)定的溫度保護(hù)條件時(shí)，其內(nèi)部繼電器將被切斷，不能再繼續(xù)輸出動(dòng)力。

電動(dòng)汽車在高溫環(huán)境中連續(xù)使用時(shí)，動(dòng)力電池會(huì)持續(xù)地進(jìn)行充電、放電，從而導(dǎo)致動(dòng)力電池組系統(tǒng)溫度不斷上升。而當(dāng)動(dòng)力電池組系統(tǒng)溫度超出其正常工作溫度范圍時(shí)，其內(nèi)部繼電器將被切斷，不能再繼續(xù)輸出動(dòng)力，導(dǎo)致電動(dòng)汽車無法繼續(xù)行駛。尤其當(dāng)電動(dòng)汽車在高溫環(huán)境下連續(xù)高速行駛時(shí)，持續(xù)較大的放電電流將加劇動(dòng)力電池組系統(tǒng)溫度的升高。

為了確保所開發(fā)的動(dòng)力電池組系統(tǒng)能夠滿足整車高溫環(huán)境下高速行駛的需求，主機(jī)廠通常會(huì)在開發(fā)環(huán)節(jié)將動(dòng)力電池組系統(tǒng)搭載整車，在高溫環(huán)境下進(jìn)行轉(zhuǎn)轂試驗(yàn)以驗(yàn)證其是否能夠滿足整車開發(fā)目標(biāo)。但是，由于將動(dòng)力電池組系統(tǒng)搭載整車進(jìn)行轉(zhuǎn)轂測試所需測試費(fèi)用較高，為了減少整車開發(fā)環(huán)節(jié)中的測試費(fèi)用，我們設(shè)計(jì)了一種動(dòng)力電池組系統(tǒng)高溫高速工況測試方案，用以模擬電動(dòng)汽車高溫環(huán)境下連續(xù)高速行駛工況。該方案通過步入式溫度箱模擬所需高溫環(huán)境、通過充放電設(shè)備模擬整車高速行駛工況，所需測試費(fèi)用低、測試工況簡單、臺(tái)架易于實(shí)現(xiàn)，能夠更好的指導(dǎo)動(dòng)力電池組的開發(fā)與設(shè)計(jì)。

2 高溫高速工況臺(tái)架測試方案

本文所設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池組系統(tǒng)高溫高速工況臺(tái)架測試方案主要模擬電動(dòng)汽車在高溫環(huán)境下的兩種高速行駛工況，分別為：高溫高速爬坡工況、高溫高速無坡度工況（含快充）。以便于在電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池組系統(tǒng)開發(fā)階段時(shí)驗(yàn)證動(dòng)力電池組系統(tǒng)是否能夠在其工作溫度范圍內(nèi)滿足整車在高溫環(huán)境下高速行駛的需求。

2.1 高溫高速爬坡工況

該工況所描述的是電動(dòng)汽車充滿電后，在高溫環(huán)境、滿載、空調(diào)全開內(nèi)循環(huán)、路面為3%坡度情況下整車以所設(shè)計(jì)的最大車速行駛至10%SOC時(shí)的工況，其中，行駛過程中允許限功率行駛。使用動(dòng)力電池測試臺(tái)架模擬該工況時(shí)，需提前確定整車在高溫環(huán)境、滿載、空調(diào)全開內(nèi)循環(huán)、路面為3%坡度下持續(xù)高速行駛時(shí)的持續(xù)放電功率P1。高溫高速爬坡工況見表1。

2.2 高溫高速無坡度工況

該工況主要包含三個(gè)步驟，所描述的是電動(dòng)汽車充滿電后，在高溫環(huán)境、滿載、空調(diào)全開內(nèi)循環(huán)、無坡度路面情況下進(jìn)行高速行駛、快充、再高速行駛時(shí)的工況。具體描述如下：

（1）首先以整車所允許的最大車速或全油門行駛至電池組系統(tǒng)剩余電量為30%，即30%SOC時(shí)結(jié)束；

（2）然后使用快充樁將電動(dòng)汽車充電至電池組系統(tǒng)剩余電量80%，即80%SOC時(shí)結(jié)束；

（3）最后在相同情況下再以整車所允許的最大車速或全油門行駛至電池組系統(tǒng)剩余電量為10%，即10%SOC時(shí)結(jié)束。

上述兩次高速行駛過程中均允許限功率行駛。兩次高速行駛的持續(xù)放電功率值保持一致，第一次高速行駛至30%SOC時(shí)結(jié)束，第二次高速行駛至10%SOC時(shí)結(jié)束。使用動(dòng)力電池測試臺(tái)架模擬該工況時(shí)，需提前確定整車在高溫環(huán)境、滿載、空調(diào)全開內(nèi)循環(huán)、無坡度路面下高速行駛時(shí)的持續(xù)放電功率P2。高溫高速無坡度工況見表2。

2.3 整車及動(dòng)力電池組參數(shù)

為了驗(yàn)證上述動(dòng)力電池組系統(tǒng)高溫高速工況臺(tái)架測試方案的可靠性、易實(shí)施性，我們以某款純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池組系統(tǒng)為例對(duì)所設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池組系統(tǒng)高溫高速工況臺(tái)架測試方案進(jìn)行了驗(yàn)證，該試驗(yàn)所需提前知曉的上述純電動(dòng)汽車整車及動(dòng)力電池組系統(tǒng)參數(shù)如表3所示。其中，試驗(yàn)過程中主要關(guān)注動(dòng)力電池組系統(tǒng)在模擬該純電動(dòng)汽車進(jìn)行高溫高速工況試驗(yàn)時(shí)，動(dòng)力電池組系統(tǒng)溫度是否始終在其工作溫度范圍內(nèi)，同時(shí)始終不會(huì)達(dá)到動(dòng)力電池組系統(tǒng)溫度保護(hù)條件。

2.4 電池組系統(tǒng)及整車限功率參數(shù)

表4為廠家提供的動(dòng)力電池組系統(tǒng)在不同溫度、不同SOC時(shí)的最大放電能力表，使用充放電設(shè)備模擬所設(shè)計(jì)的高溫高速工況時(shí)，放電電流值應(yīng)始終維持在該表范圍內(nèi)；同時(shí)，為了模擬整車限功率策略，當(dāng)動(dòng)力電池組系統(tǒng)SOC<30%或HT>50℃時(shí)，放電電流值取廠家提供的最大放電電流值的一半。

表5、表6分別為經(jīng)過計(jì)算后，該動(dòng)力電池組系統(tǒng)在執(zhí)行所設(shè)計(jì)的兩種高溫高速工況時(shí)不同溫度、不同SOC下的理論放電電流表。使用充放電設(shè)備模擬所設(shè)計(jì)的兩種高溫高速工況時(shí)，需將表5和表6中不同溫度和SOC下的電流值寫入設(shè)備運(yùn)行時(shí)的相應(yīng)工步中。

2.5 試驗(yàn)步驟

該部分主要描述了使用某款純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池組系統(tǒng)模擬上述兩種高溫高速工況進(jìn)行臺(tái)架測試所涉及的步驟。其中，高溫高速工況試驗(yàn)前需在常溫25℃±2℃環(huán)境下使用廠家建議的充電方式將動(dòng)力電池組系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)充滿電，以確保電池組系統(tǒng)充分充滿電；高溫高速工況試驗(yàn)過程中，需保持動(dòng)力電池組系統(tǒng)所處環(huán)境溫度始終在40℃±2℃；試驗(yàn)過程中，需至少始終監(jiān)測動(dòng)力電池組系統(tǒng)單體電壓、單體溫度、電池組總壓、電流、接觸器狀態(tài)。

2.5.1 高溫高速爬坡工況測試步驟

（a）將動(dòng)力電池組系統(tǒng)置于25℃±2℃步入式溫度箱中保溫，直至電池組系統(tǒng)所有單體溫度維持在25℃±2℃；

（b）使用充放電設(shè)備，根據(jù)廠家建議的充電方式將動(dòng)力電池組標(biāo)準(zhǔn)充滿電；

（c）將步入式溫度箱溫度調(diào)整至40℃±2℃進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)，直至電池組系統(tǒng)所有溫度維持在40℃±2℃；

（d）使用充放電設(shè)備，將電池組系統(tǒng)以29KW恒功率放電至10%SOC結(jié)束。

2.5.2 高溫高速無坡度工況測試步驟

該工況主要包含高速1、快充、高速2三個(gè)步驟，詳細(xì)描述如下：

（1）高速1：

（a）將動(dòng)力電池組系統(tǒng)置于25℃±2℃步入式溫度箱中保溫，直至電池組系統(tǒng)所有單體溫度維持在25℃±2℃；

（b）使用充放電設(shè)備，根據(jù)廠家建議的充電方式將動(dòng)力電池組標(biāo)準(zhǔn)充滿電；

（c）將步入式溫度箱溫度調(diào)整至40℃±2℃進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)，直至電池組系統(tǒng)所有溫度維持在40℃±2℃；

（d）使用充放電設(shè)備，將電池組系統(tǒng)以19KW恒功率放電至30%SOC結(jié)束。

（2）快充：

高速1試驗(yàn)結(jié)束后，無需等待，迅速使用快充樁將電池組系統(tǒng)快充電至80%SOC結(jié)束?？斐溥^程中，步入式溫度箱溫度始終設(shè)定在40℃±2℃范圍內(nèi)。

（3）高速2：

快充試驗(yàn)結(jié)束后，無需等待，迅速使用充放電設(shè)備，將電池組系統(tǒng)以19KW恒功率放電至10%SOC結(jié)束。高速2試驗(yàn)過程中，步入式溫度箱溫度始終設(shè)定在40℃±2℃范圍內(nèi)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 高溫高速爬坡工況

圖1為上述某款純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池組模擬高溫高速爬坡工況進(jìn)行臺(tái)架測試時(shí)，動(dòng)力電池組系統(tǒng)放電電流（Current）、最高單體溫度（HT）、最低單體溫度（LT）、SOC隨時(shí)間變化曲線。其中，放電電流曲線中的a、b、c、d點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻的電流值。a點(diǎn)時(shí)刻表示高溫高速爬坡工況運(yùn)行時(shí)的起始時(shí)間，當(dāng)運(yùn)行至b點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻時(shí)HT=46℃、SOC=76.5%，放電電流值達(dá)到電池組系統(tǒng)當(dāng)前最大允許電流值，此后遵循電池組系統(tǒng)限功率策略。隨著SOC進(jìn)一步降低，電池組系統(tǒng)依次以87A、76A電流恒流放電。當(dāng)運(yùn)行至SOC=30%，即c點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻時(shí)，達(dá)到整車限功率條件，此時(shí)放電電流值取當(dāng)前條件下電池組系統(tǒng)允許最大放電電流值的一半，該階段隨著SOC的降低，放電電流依次為：33.5A、28.5A、22.5A，直至運(yùn)行至10%SOC時(shí)（d點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻），試驗(yàn)結(jié)束。結(jié)束時(shí)動(dòng)力電池組系統(tǒng)最高單體溫度HT=51℃。

圖2為動(dòng)力電池組高溫高速爬坡試驗(yàn)起始與結(jié)束時(shí)22個(gè)電池模組溫度、溫升變化曲線。由圖可知，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)電池模組最高溫度為51℃，電池模組最大溫升為11℃；且試驗(yàn)結(jié)束時(shí)22個(gè)模組之間溫度分布較為均勻，溫差僅1℃。整個(gè)試驗(yàn)過程中，該動(dòng)力電池組所有模組溫度始終在其工作溫度范圍內(nèi)，同時(shí)始終未達(dá)到動(dòng)力電池組最高溫度保護(hù)條件。

3.2 高溫高速無坡度工況

圖3為上述某款純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池組模擬高溫高速無坡度工況（含快充）進(jìn)行臺(tái)架測試時(shí)，動(dòng)力電池組系統(tǒng)放電電流（Current）、最高單體溫度（HT）、最低單體溫度（LT）、SOC隨時(shí)間變化曲線。其中放電電流曲線中a、b、c、d、e分別對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻的電流值。a-b時(shí)段模擬電動(dòng)汽車高速運(yùn)行工況，b-c時(shí)段使用快充樁進(jìn)行快充，c-e時(shí)段再次模擬電動(dòng)汽車高速運(yùn)行工況。a點(diǎn)時(shí)刻表示高溫高速工況（含快充）開始運(yùn)行，當(dāng)工況運(yùn)行至b點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻時(shí)第一個(gè)高速工況運(yùn)行結(jié)束，此時(shí)HT=46℃、SOC=30%。然后無需等待，立馬進(jìn)行快充，直至快充至80%SOC，即c點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻，該時(shí)刻 HT=50℃、SOC=80%。最后再次運(yùn)行高速工況，運(yùn)行過程中，隨著溫度的變化，放電電流值不斷發(fā)生變化（可參考表5）。當(dāng)工況運(yùn)行至d點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻時(shí)HT=50℃、SOC=30%，達(dá)到整車限功率SOC值，之后放電電流值取當(dāng)前條件下電池組系統(tǒng)允許最大放電電流值的一半，直至放電至10%SOC時(shí)（e點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻），試驗(yàn)結(jié)束。結(jié)束時(shí)動(dòng)力電池組系統(tǒng)最高溫度為HT=51℃。

圖4為動(dòng)力電池組高溫高速無坡度工況試驗(yàn)起始與結(jié)束時(shí)22個(gè)電池模組溫度變化曲線。由圖可知，試驗(yàn)起始時(shí)，22個(gè)電池模組溫度均為41℃，當(dāng)?shù)?段高速工況結(jié)束時(shí)，22個(gè)電池模組溫度升至46℃，溫升為5℃；快充結(jié)束時(shí)，22個(gè)電池模組升溫至46-50℃，溫升5-9℃；第2段高速工況結(jié)束時(shí)，22個(gè)電池模組升溫至48-51℃。整個(gè)試驗(yàn)過程中，22個(gè)電池模組溫度分布較為均勻，溫差最高僅4℃。整個(gè)試驗(yàn)過程中，該動(dòng)力電池組所有模組溫度始終在其工作溫度范圍內(nèi)，同時(shí)始終未達(dá)到動(dòng)力電池組最高溫度保護(hù)條件。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的一種動(dòng)力電池組高溫高速工況臺(tái)架測試方案，可有效模擬電動(dòng)汽車高溫環(huán)境下高速行駛情況。使用該種臺(tái)架測試方案，可在動(dòng)力電池組開發(fā)階段時(shí)驗(yàn)證其是否能夠滿足整車高溫高速行駛的開發(fā)目標(biāo)，有效地指導(dǎo)動(dòng)力電池組的開發(fā)與設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目

名稱：奇瑞全鋁車身A0級(jí)純電動(dòng)SUV研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化；編號(hào)：16030901035。

參考文獻(xiàn)：

[1]佟蕾，田崔鈞，高申，等.電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池對(duì)比測試分析[J].電工電能新技術(shù)，2017（4）：71-75.

[2]徐順余，曹輝.鋰離子動(dòng)力電池受高溫影響的試驗(yàn)分析[J].客車技術(shù)與研究，2011（4）：53-55.

[3]李丹，徐存英，張明.電動(dòng)汽車電池高溫性能提升與應(yīng)用研究[J].電動(dòng)自行車，2014（5）：38-40.

[4]伍慶龍，宗志堅(jiān)，劉忠途.基于室內(nèi)臺(tái)架的電動(dòng)汽車行駛工況仿真及測試[J].微特電機(jī)，2011，39（2）：37-40.

[5]滿敏，陳凌珊，何志生.電動(dòng)汽車動(dòng)力測試平臺(tái)與整車模擬試驗(yàn)[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，28（1）：30-34.

[6]劉忠途，伍慶龍，宗志堅(jiān).基于臺(tái)架模擬的純電動(dòng)汽車能耗經(jīng)濟(jì)性研究[J].中山大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，50（1）：44-48.