純電動客車液冷動力電池系統(tǒng)性能測試研究

于如興， 范志先， 董開雷， 張 剛， 張禮憲， 朱巖朋

(中通客車控股股份有限公司， 山東 聊城 252000)

動力電池作為電動客車的核心零部件，對其能量密度、充電速度的要求越來越高，常規(guī)風冷已無法滿足動力電池正常使用的需求。電池液冷[1-3]是一種利用乙二醇溶液作為導熱媒介來給電池散熱的冷卻方式，電池箱內(nèi)部鋪設(shè)管路形成循環(huán)液路，冷卻液通過液冷機組中的板式換熱器進行冷卻，以實現(xiàn)動力電池的快速散熱[4-5]。如果冷卻系統(tǒng)的性能得不到保障，電池將發(fā)生高溫。高溫已成為動力電池故障、性能衰減的重要因素之一，且電池在高溫情況下使用，很容易對電池隔膜等造成損壞，引發(fā)短路著火事故[6-7]。本文通過搭建液冷電池聯(lián)調(diào)系統(tǒng)，對液冷系統(tǒng)的性能進行測試研究。

1 液冷測試系統(tǒng)及測試方法

1.1 液冷動力電池系統(tǒng)

測試用動力電池系統(tǒng)由3個電池箱組成，總計3并聯(lián)141串聯(lián)。電池箱結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，每個箱體有4個液冷板，分別布置在兩側(cè)和中間。液冷板的設(shè)計位置為發(fā)熱量最大的極耳處，能最大限度地將熱量帶走[8]。4片液冷板為內(nèi)部并聯(lián)結(jié)構(gòu)，單箱入液溫度能保持一致，減少單箱溫差。每箱電池設(shè)計有12個溫度采樣點，均勻分布在電池箱內(nèi)部[9-10]。

圖1 動力電池結(jié)構(gòu)示意圖

試驗室環(huán)境下單箱電池的發(fā)熱主要由電芯充放電產(chǎn)生，通過試驗測得單體電芯不同倍率下的充放電發(fā)熱量[11]，如圖2所示。用單箱所有電芯的發(fā)熱量總和作為此次測試的電池箱總發(fā)熱量，另測得單體電芯的比熱容為1 200 J/(kg·K)。

圖2 單體充放電發(fā)熱量曲線

1.2 冷卻機組及散熱液路

冷卻機組為獨立式散熱系統(tǒng)，包括壓縮機、水泵、換熱器、蒸發(fā)器、散熱風扇等部件。冷卻機組通過CAN報文與BMS進行信息交互，機組根據(jù)BMS設(shè)定的工作模式、出液溫度等進行工作，機組出液口、進液口設(shè)置溫度采樣點，實時監(jiān)測進出液溫度。機組制冷量為4.5 kW，低壓附件功率≤600 W，冷媒采用R134a，防凍液采用55%乙二醇與45%水的混合溶液，凝點≤-40 ℃[12-13]。

電池箱體與冷卻機組的液路采用串聯(lián)式連接，即冷卻機組出液口連接1號箱，1號箱出液口連接2號箱，2號箱出液口連接3號箱，3號箱出液口連接冷卻機組回液口，另需在液路中設(shè)置排氣管、注液管及膨脹水箱等部件，形成完整的散熱回路，如圖3所示。

圖3 循環(huán)液路示意圖

1.3 系統(tǒng)測試方法

動力電池及冷卻機組均放置在30 ℃或40 ℃的環(huán)境中進行測試，樣件試驗之前均在環(huán)境中靜置12 h以上，以保證電池溫度與環(huán)境溫度持平。電池充電倍率采用市場較為普遍的1 C充電倍率；放電選取兩種倍率值，一是電池系統(tǒng)標稱的1 C放電倍率，二是參考某純電動車型滿載開空調(diào)城市工況的平均放電電流上限值，取值0.75 C。設(shè)置不同的環(huán)境溫度、出液溫度及充放電倍率，測試不同條件下的電池最高最低溫度、溫差、冷卻機組性能及能耗。

2 試驗測試結(jié)果

2.1 1 C充/放電系統(tǒng)測試(30 ℃環(huán)溫)

將樣件放置在30 ℃的外界環(huán)境中，分別測試出液溫度15 ℃、20 ℃、25 ℃ 3種情況下的性能指標，電池充放電平均溫度、最大溫差測試結(jié)果如圖4所示。

(a) 電池平均溫度—放電

(b) 電池平均溫度—充電

(c) 電池最大溫差—放/充電

根據(jù)測試結(jié)果可知，環(huán)溫30 ℃時，出液溫度為25 ℃時電池溫升最快，最高達到44 ℃，而出液溫度為15 ℃與20 ℃時溫升差距較??；電池溫度達到40 ℃時，不同出液口溫度下電池溫度差異變小。

另外設(shè)置不同出液溫度對機組的耗電量影響較大，測試結(jié)果見表1，鑒于電池的溫升及機組的耗電量情況，確定將出液溫度設(shè)定為20 ℃較為合適。

表1 1 C充放電不同出液溫度下測試結(jié)果

2.2 1 C充電/0.75 C放電系統(tǒng)測試(30 ℃環(huán)溫)

在出水溫度20 ℃，1 C充電/0.75 C放電情況下，單體最高/低溫度、單箱平均溫度測試結(jié)果如圖5所示。

(a) 單體最高/低溫度—充/放電

(b) 單箱平均溫度—充/放電

由測試結(jié)果可知，先充電再放電系統(tǒng)在30～40 ℃之間溫升仍較快，通過功率分析儀測試可得機組耗電量為10.52 kW·h，較先放電后充電能耗變高。由圖2曲線可知，單體在0.75 C放電時的發(fā)熱量約為20 000 J，不考慮其他部件的發(fā)熱，單箱總發(fā)熱量Qa=單個電芯發(fā)熱量×電芯數(shù)量=0.261 kW，由物體發(fā)熱量計算公式Qb=CpmΔT算出測試結(jié)束時電箱發(fā)熱量為0.085 kW。由此可知，冷卻機組帶走熱量為0.176 kW，占電池總發(fā)熱量的67.4%。

2.3 1 C充電/0.75 C放電系統(tǒng)測試(40 ℃環(huán)溫)

若將外界溫度改為40 ℃，單體最高/低溫度、單箱平均溫度測試結(jié)果如圖6所示。

由測試結(jié)果可知，在40 ℃測試環(huán)境中，電池溫升速率放緩，但充電過程中還是有近10 ℃的溫升，電池最高溫度達到了50 ℃，冷卻機組耗電量為14.23 kW·h。

同樣由圖2曲線可知，單體在1 C充電倍率下的發(fā)熱量約為22 140 J，不考慮其他部件的發(fā)熱，單箱總發(fā)熱量Qa=0.29 kW，由公式Qb=CpmΔT算出測試結(jié)束時電箱發(fā)熱量為0.14 kW。

(a) 單體最高/低溫度—放/充電

(b) 單箱平均溫度—放/充電

由此可得，冷卻機組帶走熱量為0.15 kW，占電池總發(fā)熱量的51.7%，機組帶走熱量基本沒變，電池系統(tǒng)的實際發(fā)熱量變大，出液溫度20 ℃無法滿足高溫下的要求。綜合測試結(jié)果及實際使用情況，可將充電時的出液溫度調(diào)低至10～15 ℃。

3 結(jié) 論

通過以上測試可以看出該液冷系統(tǒng)在30 ℃環(huán)境下能夠?qū)㈦姵販囟瓤刂圃?5 ℃以下，在40 ℃環(huán)境下溫度控制效果沒有達到預期，電池自身換熱效率需進一步提升。其他結(jié)論如下：

1) 不同出液溫度會影響電池系統(tǒng)的平均溫度，3箱電池液路串聯(lián)，出液溫度越低，電池系統(tǒng)溫差越大，最大可達5 ℃，但隨著測試時間的增加，不同出液溫度下的溫差會趨于一致。

2) 出液溫度對冷卻機組的耗電量影響較大，鑒于車輛的實際使用情況，可將充電時的出液溫度設(shè)置為10～15 ℃，行車時出液溫度設(shè)置成20 ℃，以實現(xiàn)機組能耗與車輛續(xù)駛里程的均衡化。