車用電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架研制與試驗研究

肖軍 張明 劉志強(qiáng) 梁輝

摘 要：為了滿足電動汽車電池包和電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)開發(fā)和試驗需求，設(shè)計和搭建了基于CAN總線通訊交互的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架。通過高溫US06工況和低溫NEDC工況電池?zé)峁芾碓囼炑芯勘砻鳎撛囼炁_架功能運(yùn)行正常，電池包設(shè)計符合熱管理要求。并初步驗證了電池?zé)峁芾砘究刂撇呗缘恼_性，為后續(xù)整車級電池?zé)峁芾順?biāo)定試驗和策略優(yōu)化提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電動汽車;電池?zé)峁芾?試驗臺架;試驗研究

中圖分類號：U469.72 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）20-13-04

Abstract： A test bench of the battery thermal management system（BTMS） based on the CAN communication is developed， and applied to satisfy development and test requirements for the battery pack and the BTMS. The test bench works correctly and the battery pack meets the thermal requirements， which is validated by the BTMS test based on the US06 cycle in high temperature and the NEDC cycle in low temperature. Moreover， the basic control strategy of BTMS is preliminary proved， which provide the foundations for vehicle calibration test and strategy optimization of BTMS.

Keywords： Electric vehicle; Battery thermal management; Test bench; Test research

CLC NO.： U469.72 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）20-13-04

前言

隨著電動汽車的快速普及和更新迭代，導(dǎo)致目前電動汽車的研發(fā)周期相對于傳統(tǒng)燃油汽車較短，尤其是電池包開發(fā)時間。如果能在樣車裝車之前完成大部分相對準(zhǔn)確的系統(tǒng)級別試驗測試，盡早發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，可以為項目開發(fā)節(jié)約大量費(fèi)用和時間[1-2]。為此建立一個通用性較好的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架顯得尤為重要，可以顯著地縮短電池包開發(fā)時間和電池?zé)峁芾聿呗詷?biāo)定試驗周期，對于研究和評價電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能同樣具有重要意義。

1 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架總體設(shè)計

1.1 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架設(shè)計

為了滿足電動汽車用電池包前期開發(fā)需求，完成裝車之前的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能驗證，以及電池?zé)峁芾砜刂撇呗韵到y(tǒng)級別驗證及優(yōu)化，需要設(shè)計一個可靠性較好、通用性較強(qiáng)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架，用以模擬電動汽車復(fù)雜行駛工況、環(huán)境溫度等條件，從而更有效地為后期的電池包優(yōu)化設(shè)計和整車電池?zé)峁芾順?biāo)定試驗做鋪墊，同時也能為仿真分析提供可靠數(shù)據(jù)來源，更真實地校準(zhǔn)仿真模型。

本文研制的車用電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架主要包括被測對象、模擬整車充放電工況的裝置、數(shù)據(jù)采集模塊、供電模塊、外部電池管理系統(tǒng)模塊和模擬整車環(huán)境條件模塊，整個系統(tǒng)試驗臺架構(gòu)造原理如圖1所示。其中，被測對象可以為電池包、或Chiller、或電池?zé)峁芾砜刂破鞯炔考蛳到y(tǒng);模擬整車充放電工況的裝置為具有輸出直流電壓30V～800V和輸出電流±300A能力的充放電柜及其充放電柜控制平臺;數(shù)據(jù)采集模塊包括電芯溫度采集單元、測量電池包入口水流量的流量計、通過CAN總線傳輸溫度壓力等信息的報文讀取設(shè)備和電腦。供電模塊主要指供電給低壓零部件或設(shè)備的可調(diào)電源模塊;外部電池管理系統(tǒng)模塊主要為電池包提供冷源或熱源的系統(tǒng)及熱管理控制器，主要結(jié)構(gòu)原理如圖2所示[3];模擬整車環(huán)境條件模塊為小型環(huán)境艙，其功率為100kW，可以模擬環(huán)境溫度范圍為-40℃～+85℃，溫度控制精度為±2℃，環(huán)境相對濕度為20%～98%，相對濕度控制精度為±5%。本文設(shè)計的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架主要采用的設(shè)備規(guī)格型號見表1所示。

根據(jù)試驗臺架構(gòu)造原理圖搭建的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架實物如圖3所示。試驗開始之前，需要將試驗臺架的電池包與外部電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模塊放置于小型環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行預(yù)處理再進(jìn)行試驗，同時，供電模塊、充放電柜、采集設(shè)備等模塊放置于小型環(huán)境艙之外，這樣既可以保護(hù)設(shè)備，防止受高溫或低溫環(huán)境影響其使用壽命，又利于測試人員在外監(jiān)測數(shù)據(jù)。其中，外部電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的熱管理控制器可以通過硬線采集壓縮機(jī)排氣壓力，通過PWM控制電子水泵，通過CAN總線與壓縮機(jī)和高壓電加熱器進(jìn)行控制交互;而電池包內(nèi)的電池管理模塊可以實時采集電芯溫度和電壓等參數(shù)，并通過CAN總線與熱管理控制器進(jìn)行通訊交互，可以實時發(fā)送和接收所需要的報文信息，并通過CAN報文讀取設(shè)備上傳至電腦端，便于測試人員觀測實時動態(tài)數(shù)據(jù)，同時電腦端也可以通過軟件動態(tài)修改標(biāo)定參數(shù)進(jìn)行控制對應(yīng)節(jié)點工作[4]。

1.2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架功能

基于設(shè)計和搭建的車用電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架可以實現(xiàn)如下功能：

（1）可以進(jìn)行高溫、低溫和常溫電池包放電容量測試，為電池包優(yōu)化設(shè)計、公告試驗和整車放電MAP優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ);

（2）可以完成高溫、低溫和常溫電池包充電容量測試，為電池包優(yōu)化設(shè)計、公告試驗和整車充電控制策略優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ);

（3）可以實現(xiàn)高溫、低溫、和常溫電池包充電速率測試，為電池包優(yōu)化設(shè)計和整車充電控制策略優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ);

（4）能完成電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)Chiller等零部件性能匹配測試，為零部件選型匹配提供數(shù)據(jù)支持和性能驗證;

（5）能模擬整車各個環(huán)境溫度條件和充放電工況進(jìn)行電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能評價試驗，為整車級系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持和性能驗證;

（6）能實現(xiàn)高溫電池制冷、低溫電池加熱測試功能，對電池?zé)峁芾砜刂撇呗赃M(jìn)行優(yōu)化與驗證，同時也可以進(jìn)行系統(tǒng)級的電池?zé)峁芾順?biāo)定優(yōu)化試驗，為整車級電池?zé)峁芾順?biāo)定試驗做數(shù)據(jù)支撐，縮短整車開發(fā)周期。

2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)臺架試驗分析

為了驗證電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架搭建的準(zhǔn)確性和電池?zé)峁芾砜刂乒δ艿目煽啃裕约皟?yōu)化電池?zé)峁芾砜刂撇呗宰龌A(chǔ)，本文進(jìn)行了US06循環(huán)工況的高溫電池?zé)峁芾砼_架試驗和NEDC循環(huán)工況的低溫電池?zé)峁芾砼_架試驗。

2.1 US06循環(huán)工況的高溫電池?zé)峁芾砼_架試驗

本次試驗前提條件為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架浸置于40℃恒溫環(huán)境艙內(nèi)不少于4小時，使得電池包溫度和電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)其余零部件的溫度基本達(dá)到與40℃環(huán)境溫度一致，且電池平均溫度與設(shè)定環(huán)境溫度的差值不能超過2℃，才確定為達(dá)到試驗預(yù)處理的環(huán)境適應(yīng)性目標(biāo)[5]。

試驗結(jié)果如圖4所示，基于US06循環(huán)工況的高溫電池?zé)峁芾砼_架試驗總共試驗時間約為177min，從試驗數(shù)據(jù)中可以得出，試驗起始的電池最小溫度為39℃，電池最大溫度為41℃，電池平均溫度為40℃，電芯溫差為2℃，經(jīng)過約17個模擬整車激烈高速駕駛的US06工況電池包放電試驗之后，電池?zé)峁芾碇评涔δ苷ｉ_啟，高溫環(huán)境下的電池包各溫度可以得到有效控制，并逐漸降低。試驗結(jié)束時，電池最小溫度為32℃，電池最大溫度為36℃，電池平均溫度為33℃，電芯溫差為4℃。整個試驗過程中，電池實際入口水溫隨著壓縮機(jī)的開啟工作逐漸降低，并且電池實際入口水溫可以達(dá)到目標(biāo)水溫25℃，并隨著試驗的進(jìn)行最終穩(wěn)定于23℃～24℃區(qū)間。

同時，根據(jù)試驗結(jié)果可以得到電芯溫差隨時間的變化關(guān)系，如圖5所示，從圖中可以看出，電芯溫差也隨著高溫工況試驗的進(jìn)行逐漸增大而后緩慢趨于穩(wěn)定，并最終穩(wěn)定于4℃，其中約在試驗進(jìn)行到70min時刻，電芯溫差達(dá)到最大值5℃。

2.2 NEDC循環(huán)工況的低溫電池?zé)峁芾砼_架試驗

本次試驗前提條件為電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架浸置于0℃恒溫環(huán)境艙內(nèi)不小于6小時，使得電池包溫度和電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)其余零部件的溫度基本達(dá)到與0℃環(huán)境溫度一致，且電池平均溫度與設(shè)定環(huán)境溫度的差值不能超過2℃，才確定為達(dá)到試驗預(yù)處理的環(huán)境適應(yīng)性目標(biāo)[5]。

試驗結(jié)果如圖6所示，基于NEDC循環(huán)工況的低溫電池?zé)峁芾砼_架試驗總共試驗運(yùn)行循環(huán)為26個NEDC工況，時間總計約為511min。從圖中可以得到，試驗起始時刻的電池最小溫度為-1℃，電池最大溫度為1℃，電池平均溫度為-1℃，起始電芯溫差為2℃。試驗結(jié)束之后電池最小溫度為10℃，電池最大溫度為12℃，電池平均溫度為11℃，電芯溫差為2℃。低溫試驗過程中，電池?zé)峁芾砑訜峁δ苷?，?dāng)電池平均溫度低于電池?zé)峁芾砜刂撇呗约訜嵩O(shè)計閾值5℃的條件，電池用高壓電加熱器開啟進(jìn)行加熱水路系統(tǒng)的冷卻液，使電池入口實際水溫達(dá)到電池入口目標(biāo)水溫30℃，當(dāng)電池加熱進(jìn)行到18min的時刻，電池平均溫度達(dá)到電池?zé)峁芾聿呗栽O(shè)計閾值5℃，則停止加熱，此時電池入口實際水溫也開始逐漸降低。由于電池包一直以NEDC循環(huán)工況進(jìn)行放電，在后續(xù)的試驗過程中，電池平均溫度并未再低于5℃閾值，這主要是由于電池包依靠自身的發(fā)熱量可以維持電池平均溫度。

再根據(jù)該試驗結(jié)果可得電芯溫差隨時間的變化關(guān)系，如圖7所示，從圖中可以看出，試驗前30min，電芯溫差有逐漸增大的趨勢，并于試驗進(jìn)行至24min時刻，電芯溫差達(dá)到最大值4℃，后續(xù)試驗過程中，電芯溫差比較穩(wěn)定，最終電芯溫差穩(wěn)定于2℃～3℃區(qū)間。

3 結(jié)論

（1）本文研制了電動汽車用電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架，可以模擬車輛各工況下電池包等熱管理相關(guān)對象的工作特性，不僅可以完成簡單的各環(huán)境溫度下電池包充放電容量測試試驗，還可以完成電動汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的性能評價試驗、零部件選型匹配驗證試驗、電池?zé)峁芾砜刂撇呗詢?yōu)化試驗等系統(tǒng)級別的試驗研究，為整車級別的電池?zé)峁芾砀叩蜏貥?biāo)定試驗和控制策略優(yōu)化工作奠定基礎(chǔ)。

（2）基于US06循環(huán)工況的高溫電池?zé)峁芾砼_架試驗測試數(shù)據(jù)可以表明，本文搭建的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)試驗臺架功能穩(wěn)定可靠，電池?zé)峁芾碇评涔δ芸梢哉＿\(yùn)行，40℃高溫環(huán)境下電池最高溫度逐漸降低，電池各溫度均可以得到有效控制，電芯溫差維持于1℃～5℃區(qū)間，電池溫降和電芯溫差均勻性符合設(shè)計要求。

（3）根據(jù)NEDC循環(huán)工況的低溫電池?zé)峁芾砼_架測試數(shù)據(jù)可以得出，電池?zé)峁芾砑訜峁δ芸梢哉＿\(yùn)行，電池平均溫度被加熱至5℃之后，0℃環(huán)境溫度下電池包依靠自身熱量可以維持電池平均溫度，電芯溫差穩(wěn)定區(qū)間為2℃～3℃，電池溫升和電芯溫差均勻性符合設(shè)計要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 張博，姚烈，蔡慶住等.新型零部件臺架試驗方法及策略[J].汽車零部件，2017（3）：44-47.

[2] 顧柏良.汽車工程手冊-試驗篇[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3] 肖軍，張明，梁輝，等.一種電池包熱管理系統(tǒng)及其控制方法[P].中國， CN109305060A，2018.

[4] 常智.基于CAN總線在車輛通訊協(xié)議中的研究和應(yīng)用[D].太原：中北大學(xué)，2019.

[5] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，等.GB/T 31467.2- 2015.電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第2部分：高能量應(yīng)用測試規(guī)程[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.