動(dòng)力電池液冷方案優(yōu)化與冷卻測(cè)試

胡仁德　聶永福　朱紅　謝堃　曾祥兵

摘 要：為了提高整車(chē)在高溫區(qū)間內(nèi)的動(dòng)力及充電性能，確保電池的功率輸出，需要在電池系統(tǒng)端進(jìn)行必要的冷卻設(shè)計(jì)。本文在液冷嵌管式結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了在不同冷卻液的流量下電池模塊溫度隨不同充放電工況的變化，以?xún)?yōu)化冷卻液流量輸入的設(shè)計(jì)。并驗(yàn)證了優(yōu)化后的流量在不同溫度下的充放電過(guò)程中的冷卻效果，電池系統(tǒng)的冷卻實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果也表明該設(shè)計(jì)可以有效地保障電池系統(tǒng)的最高溫度及溫差處于合適的范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;高溫冷卻;嵌管結(jié)構(gòu);溫度變化

1 引言

電動(dòng)汽車(chē)因其存在續(xù)航里程的短板，使其在與傳統(tǒng)乘用車(chē)競(jìng)爭(zhēng)中明顯處于劣勢(shì)。因此，如何在有效控制成本的前提下，提升續(xù)航里程顯得尤其重要。高鎳三元正極材料也正因其高的能量密度，正逐漸投入到乘用車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域。但因其高鎳三元材料在高溫環(huán)境和長(zhǎng)循環(huán)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化及產(chǎn)氣問(wèn)題，會(huì)帶來(lái)電池系統(tǒng)的循環(huán)性能衰減及安全隱患。此外，極端的高溫環(huán)境下也限制了鋰離子動(dòng)力電池的能量的利用及充放電功率的發(fā)揮，進(jìn)而影響整車(chē)性能[1]。綜合考慮到高溫影響、長(zhǎng)期循環(huán)可靠性、電池性能的發(fā)揮等因素，電池系統(tǒng)增設(shè)合理的液冷系統(tǒng)可以適合高性能、長(zhǎng)續(xù)航的整車(chē)需求[2]。因此，本文基于集成嵌管式液冷結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了不同冷卻液流量下的溫升研究，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果制定一種冷卻策略，以保證電池系統(tǒng)工作在適當(dāng)溫度范圍，確保整車(chē)的安全及動(dòng)力性能。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象為純電動(dòng)汽車(chē)使用的高比能量的三元?jiǎng)恿﹄姵叵到y(tǒng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

120 KW一體式直流充電樁（TCDZ-DC-0.7/120）、步入式高低溫濕熱試驗(yàn)箱、充放電設(shè)備（EVT250-500-60 KW IGBT）。

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

快充下冷卻液流量驗(yàn)證步驟：（a）將動(dòng)力電池在40±2℃溫度箱里靜置≥6小時(shí);（b）通過(guò)120 KW直流快充樁上進(jìn)行高溫充電;（c）同時(shí)啟動(dòng)冷卻液冷卻系統(tǒng)，冷卻液控制參數(shù)：25℃2L/min和25℃3L/min。

不同起始溫度下動(dòng)力電池的冷卻效果驗(yàn)證方案：（a）將動(dòng)力電池的起始溫度調(diào)整至目標(biāo)測(cè)試溫度（20℃/30℃/40℃）;（b） 通過(guò)充放電設(shè)備進(jìn)行3次充放電循環(huán)測(cè)試;（c）依據(jù)冷卻系統(tǒng)控制策略啟動(dòng)冷卻液冷卻系統(tǒng)，冷卻液控制參數(shù)：25℃ 3 L/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 電池系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置

隨著乘用車(chē)?yán)m(xù)航里程的提高和銷(xiāo)售的區(qū)域擴(kuò)大，動(dòng)力電池在整個(gè)壽命期間會(huì)有較長(zhǎng)一段時(shí)間處于高溫環(huán)境下，必要的冷卻系統(tǒng)可以確保動(dòng)力電池處于合適的工作環(huán)境。圖1中示意圖描述了本實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要采用了2P6S的方殼電芯的模組（尺寸：355 mm×151 mm×108.5 mm），電池包的下殼體為鈑金材料。另外，如圖1中的右上放大視圖所示，模組的底部粘貼導(dǎo)熱硅墊（導(dǎo)熱系數(shù)2.0W/m.K），安裝固定在在液冷板上，其中液冷板材料為3003鋁合金并集成了加熱PTC結(jié)構(gòu)，厚度為2mm。

3.2 高溫快充冷卻效果測(cè)試

依據(jù)不同冷卻流量下，進(jìn)行高溫快充時(shí)的冷卻測(cè)試，測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)圖2。動(dòng)力電池快充起始溫度控制在40±2℃范圍內(nèi)，進(jìn)行快充充電的同時(shí)啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出在快充起始階段由于快充電流相對(duì)較高，電池產(chǎn)生的熱量的無(wú)法及時(shí)帶走，造成電池的溫度整體表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。隨著快充電流的降低，不同冷卻液流量下的電池的溫度變化趨勢(shì)開(kāi)始呈現(xiàn)出明顯差異。整體來(lái)說(shuō)，在25 ℃ 3L/min冷卻液的流量下，動(dòng)力電池在快充末端和恒流放電過(guò)程中，電池的溫度基本維持在43℃左右，電池系統(tǒng)的溫差控制在3℃以?xún)?nèi)，其冷卻效果相對(duì)較優(yōu)。

3.3 不同溫度冷卻液的冷卻效果測(cè)試

通過(guò)確定冷卻液的流量的為3L/min的基礎(chǔ)上，調(diào)整冷卻液的溫度，并在動(dòng)力電池不同的起始溫度下進(jìn)行3次的恒流充放電循環(huán)測(cè)試，以確認(rèn)該條件下電池系統(tǒng)的冷卻效果，測(cè)試結(jié)果詳見(jiàn)圖3和圖4。圖3中的冷卻液的溫度控制在20℃左右，依據(jù)冷卻系統(tǒng)的控制策略，在3個(gè)充放電循環(huán)過(guò)程中，動(dòng)力電池系統(tǒng)的最高溫度基本維持在40℃～44℃，電池溫差基本控制在5℃以?xún)?nèi)。圖4展示了冷卻液的溫度在30℃左右，通過(guò)冷卻測(cè)試結(jié)果來(lái)看，循環(huán)測(cè)試過(guò)程中電池的最高溫度維持在46℃～48℃，明顯高于動(dòng)力電池的最佳工作溫度范圍。

4 總結(jié)

動(dòng)力電池長(zhǎng)期處于高溫的工作環(huán)境下，除了電池充放電性能的弱化外，循環(huán)壽命也會(huì)縮短，且在高溫下充放電過(guò)程中也存在較大的失效風(fēng)險(xiǎn)。本文通過(guò)設(shè)計(jì)匹配電池包的嵌管式液冷結(jié)構(gòu)，通過(guò)控制冷卻液的流量和溫度的輸入，可以將電池系統(tǒng)的溫度及溫差控制合理的工作范圍內(nèi)。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏躍遠(yuǎn)，林逸，林程，等.車(chē)用鋰離子電池充放電性能及應(yīng)用研究[J].車(chē)輛與動(dòng)力技術(shù)，2005（2）：28-31.

[2]楊金相，張?jiān)剑瑥埡?，?一種動(dòng)力電池系統(tǒng)的液冷方案設(shè)計(jì)與溫升測(cè)試[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù)，2018（6）：125-127.