動力電池溫控板測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

張 瑤，高長水，劉 壯，李 強(qiáng)，謝 龍

(1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016) (2.南京航空航天大學(xué)無錫研究院，江蘇 無錫 214100) (3.無錫新輝龍科技有限公司，江蘇 無錫 214403)

電動汽車動力電池的工作性能、使用壽命和安全性受溫度的影響比較顯著[1]。動力電池在低溫條件下工作時，隨著溫度的下降電池的容量也隨之下降，只能夠小電流充放電[2-3]。動力電池長時間在高溫條件下工作，會使動力電池的容量衰減、電池的一致性變差。電池內(nèi)部的熱量不能及時散出，造成溫度急劇升高，還可能引起火災(zāi)[4-5]，因此需要對動力電池進(jìn)行溫度控制。溫控板是一種利用液體作為導(dǎo)熱流體對動力電池進(jìn)行溫度控制的元器件，一般以導(dǎo)熱性好、密度較小的鋁合金為主要材料[6-7]。使用溫控板對動力電池進(jìn)行溫度控制，具有換熱效率高，使電池單體之間溫度分布更均勻，升溫、降溫速率容易控制等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。

溫控板的流動阻力及換熱性能是溫控板的主要性能參數(shù)，針對這兩項(xiàng)性能的測試，系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的控制功能包括：溫控板中工作液流量的調(diào)節(jié)，用于測試溫控板在不同流量下的換熱效果；溫控板進(jìn)口處工作液溫度的調(diào)節(jié)，用于測試溫控板在不同溫度下對動力電池的換熱效果。通過對溫控板進(jìn)、出口工作介質(zhì)的溫度、壓力的測量，對溫控板表面及動力電池各部分溫度變化的測量，即可實(shí)現(xiàn)對溫控板性能的測試。

1 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

測試系統(tǒng)的功能是依據(jù)影響溫控板換熱效果的因素設(shè)計(jì)的。換熱板與動力電池之間進(jìn)行換熱時，溫控板進(jìn)口工作液的流量和溫度是影響換熱效果的主要因素，因此選擇它們作為測試系統(tǒng)的主要控制因素。在換熱板與動力電池?fù)Q熱過程中，需要對動力電池、溫控板換熱表面及進(jìn)出口的溫度進(jìn)行測量。換熱板的流動阻力是對其性能進(jìn)行研究的主要參數(shù)，因此需要測量換熱板的進(jìn)出口壓力。筆者根據(jù)系統(tǒng)的功能需求及所需測試溫控板的參數(shù)需求提出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，見表1。測試系統(tǒng)對電源的要求為10 kW、三相交流電、50 Hz。

表1 動力電池溫控板測試系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

2 測試系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

溫控板測試系統(tǒng)主要由測控電柜、冷卻裝置、加熱裝置、流量控制模塊、溫度測試模塊、壓力測試模塊和流量測試模塊等組成。溫控板測試系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，其中測控電柜作為控制模塊，以可編程邏輯控制器(PLC)作為控制單元，控制各個部分協(xié)調(diào)運(yùn)行?？刂齐姽裰械腜LC可以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通訊，通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對測試系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作，包括測試系統(tǒng)控制指令的下達(dá)，測試數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸、顯示與記錄。系統(tǒng)的測試功能也可以通過控制電柜上的觸摸屏實(shí)現(xiàn)。根據(jù)溫控板測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)中的溫控板進(jìn)口工作介質(zhì)的溫度范圍10～60 ℃的要求，將測試系統(tǒng)分為溫控板的散熱功能測試和溫控板的加熱功能測試。在實(shí)際的溫控板功能測試中，散熱功能測試與加熱功能測試獨(dú)立運(yùn)行，根據(jù)實(shí)際的測試要求啟動散熱測試功能或加熱測試功能。

圖1 測試系統(tǒng)原理圖

溫控板散熱測試功能的實(shí)現(xiàn)：當(dāng)測試溫控板散熱功能時，通過在計(jì)算機(jī)上的控制界面或者測控電柜觸摸屏上的控制界面啟動溫控板的散熱測試功能。此時測控電柜控制電磁三通閥，使冷卻回路接通，冷卻裝置啟動工作，加熱回路關(guān)閉，加熱裝置停止工作，加熱回路中的流量泵停止工作?；芈分械墓ぷ饕航?jīng)冷卻裝置冷卻后流經(jīng)溫控板，使得溫控板與動力電池進(jìn)行傳熱。根據(jù)計(jì)算機(jī)或者觸摸屏上控制界面輸入的溫度值和流量值，調(diào)節(jié)冷卻裝置輸出工作液到溫控板進(jìn)口處。工作液溫度的預(yù)調(diào)節(jié)是在循環(huán)過程中進(jìn)行的，在溫度達(dá)到設(shè)定值后再進(jìn)行測試。

溫控板加熱測試功能的實(shí)現(xiàn)：當(dāng)測試溫控板加熱功能時，通過計(jì)算機(jī)上的控制界面或者測控電柜觸摸屏上的控制界面啟動溫控板的加熱測試功能。此時測控電柜控制電磁三通閥，使加熱回路接通，加熱裝置啟動工作，加熱回路中的流量泵啟動工作，冷卻回路關(guān)閉，冷卻裝置停止工作?；芈分械墓ぷ饕航?jīng)加熱器加熱后流經(jīng)溫控板，使得溫控板與動力電池進(jìn)行傳熱。根據(jù)計(jì)算機(jī)或者觸摸屏上控制界面輸入的溫度值和流量值，調(diào)節(jié)加熱裝置和加熱回路中的流量泵,將工作液輸送到溫控板進(jìn)口處。

在溫控板測試系統(tǒng)原理圖中，溫控板進(jìn)口和出口處都分別設(shè)置有一個壓力傳感器和一個溫度傳感器，用于測量溫控板的進(jìn)出口工作液的壓力和溫度。測試系統(tǒng)中的流量傳感器用于測量溫控板中通過的流量大小。動力電池組部分設(shè)有多組溫度傳感器，用于測量動力電池組的溫度。控制電柜不僅能將這些采集到的數(shù)據(jù)在觸摸屏上實(shí)時顯示，還可以在計(jì)算機(jī)控制界面上實(shí)時顯示，并能夠在計(jì)算機(jī)上存儲，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和處理。

3 測試系統(tǒng)器件選型

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)及工作原理圖進(jìn)行器件的選擇，表2為主要元器件選型結(jié)果。工作原理圖中的冷卻裝置采用的是循環(huán)水冷機(jī)組BLKⅡ-5FF-R，循環(huán)水冷機(jī)組內(nèi)部自帶流量泵，在啟用冷卻功能時啟動自帶的流量泵。管路中測量液體溫度的傳感器是熱敏電偶PT100,測量電池溫度的是負(fù)的溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻。

4 測試系統(tǒng)的評估

測試系統(tǒng)中溫控板的工作液的流量和溫度為主要控制量，本文通過實(shí)驗(yàn)測試分析系統(tǒng)中流量和溫度控制效果。測試系統(tǒng)實(shí)物如圖2所示。

表2 主要元器件選型

圖2 測試系統(tǒng)實(shí)物圖

4.1 水箱替代法仿真驗(yàn)證

以某公司提供的某型號溫控板作為測試對象，圖3為其結(jié)構(gòu)示意圖。測試裝置如圖4所示，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。本文以測試水箱代替動力電池，通過調(diào)節(jié)水箱中水溫來實(shí)現(xiàn)溫控板的散熱和加熱功能測試。保溫材料用于隔絕水箱與環(huán)境之間的換熱。

圖3 溫控板結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 溫度和流量測試實(shí)物圖

圖5 溫度和流量測試結(jié)構(gòu)示意圖

以某型號鋰電池作為替代對象，應(yīng)用ANSYS仿真軟件模擬相同條件下水箱和動力電池與溫控板之間的換熱，來驗(yàn)證方法的有效性。其中動力電池、溫控板和導(dǎo)熱墊片的材料屬性見表3。鋰電池的導(dǎo)熱系數(shù)在長度、寬度和厚度方向分別為40，40，0.8 W/(m·K)。

邊界條件設(shè)定：1)溫控板中工作液的材質(zhì)設(shè)置為流體，材料為水；2)溫控板中工作液流量為5 L/min，入口處溫度為10 ℃；3)水箱與動力電池組初始溫度為60 ℃，不考慮電池自身生熱；4)仿真結(jié)果為瞬態(tài)仿真，仿真時間3 s；5)不考慮向周圍環(huán)境的散熱。

表3 材料材料屬性

仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖可知，溫控板與水箱換熱進(jìn)出口處流體溫差為0.71 ℃，溫控板與電池?fù)Q熱進(jìn)出口處流體溫差為0.75 ℃。通過計(jì)算得溫控板與水箱換熱的換熱量為248.5 W，溫控板與電池?fù)Q熱的換熱量為262.5 W。兩者之間換熱的絕對差值為14.0 W,相對差值為5.6%。因?yàn)樘鎿Q模型與原始模型之間差距比較小，所以在換熱的初始時刻可以使用水箱替代動力電池進(jìn)行換熱測試。

圖6 溫控板水箱換熱溫度云圖

圖7 溫控板電池?fù)Q熱溫度云圖

4.2 流量控制的準(zhǔn)確性測試

測試工況為環(huán)境溫度25 ℃，水箱溫度60 ℃。流量設(shè)定值為5，7，9，11，13，15，17，19，20 L/min。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果見表4。

由表4可知，溫控板中工作液的流量由5 L/min增加到20 L/min，實(shí)際流量的絕對誤差最大值為0.1 L/min，實(shí)際流量相對誤差最大值為2.0%。流量調(diào)節(jié)范圍能達(dá)到5～20 L/min的設(shè)計(jì)指標(biāo)，流量調(diào)節(jié)精度始終在允許精度(±0.2 L/min)范圍內(nèi)，由此證明測試系統(tǒng)流量控制達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表4 流量控制準(zhǔn)確性測試結(jié)果

4.3 溫度控制的準(zhǔn)確性測試

溫控板的散熱功能測試工況參數(shù)為環(huán)境溫度25 ℃，水箱溫度60 ℃，流量10 L/min。溫度的設(shè)定值為10，15，20，25 ℃。

溫控板的加熱功能測試工況為環(huán)境溫度25 ℃，水箱溫度4 ℃，流量10 L/min。溫度的設(shè)定值為30，35，40，45，50，55，60 ℃，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果見表5。

表5 溫度流量控制準(zhǔn)確性測試結(jié)果

由表5可知，溫控板中工作液的溫度由10 ℃增加到60 ℃時，溫度的絕對誤差最大為0.3 ℃，流量的相對誤差最大值為2.0%。溫度調(diào)節(jié)范圍能達(dá)到10～60 ℃設(shè)計(jì)指標(biāo)，溫度調(diào)節(jié)精度始終在允許精度±0.3 ℃范圍內(nèi)，由此驗(yàn)證測試系統(tǒng)溫度控制達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)溫控板的性能參數(shù)和測試指標(biāo)設(shè)計(jì)了溫控板測試系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)證明測試系統(tǒng)中溫度和流量的控制效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。通過該測試系統(tǒng)可以對溫控板的流動阻力和換熱效果進(jìn)行精確的測試，這對于溫控板動力電池溫度控制的研究具有實(shí)際意義。