車用動(dòng)力鋰電池等溫量熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常國(guó)峰，張潔楠，季運(yùn)康

（1. 同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804；2. 同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心，上海 201804）

純電動(dòng)汽車在運(yùn)行過(guò)程中不產(chǎn)生污染，并且電能來(lái)源廣泛，是解決能源、環(huán)境問(wèn)題的理想方案[1-3]。車用動(dòng)力鋰電池會(huì)產(chǎn)生大量熱量[4]，若散熱不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高，當(dāng)溫度超過(guò)一定范圍，會(huì)加快電池內(nèi)部的副反應(yīng)[5]，導(dǎo)致電池性能衰減[6]，造成安全隱患[7]。因此需要通過(guò)車用動(dòng)力鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)鋰電池進(jìn)行高溫時(shí)的散熱，保證動(dòng)力電池工作在適宜的溫度范圍內(nèi)，降低動(dòng)力電池性能衰減速度并消除潛在安全風(fēng)險(xiǎn)[8-10]。測(cè)量車用動(dòng)力鋰電池在不同工況下的產(chǎn)熱量及溫度分布是合理設(shè)計(jì)車用動(dòng)力鋰電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的前提[11-12]，現(xiàn)有的車用動(dòng)力鋰電池產(chǎn)熱量測(cè)量方法多是在絕熱條件下進(jìn)行測(cè)量[13-15]，在等溫條件下的熱特性研究較少。本文設(shè)計(jì)了車用動(dòng)力鋰電池等溫量熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在等溫條件下測(cè)量不同環(huán)境溫度和充放電電流時(shí)車用動(dòng)力鋰電池的產(chǎn)熱量，為研究車用動(dòng)力鋰電池在不同工況下的產(chǎn)熱量及設(shè)計(jì)合理的熱管理系統(tǒng)提供了依據(jù)。

1 系統(tǒng)工作原理及組成

等溫量熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由等溫量熱子系統(tǒng)、溫度采集子系統(tǒng)、低溫油浴控溫子系統(tǒng)、電池測(cè)試子系統(tǒng)等組成（見圖1）。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，等溫量熱子系統(tǒng)在控制實(shí)驗(yàn)溫度的同時(shí)測(cè)量電池發(fā)熱量，由低溫油浴控溫子系統(tǒng)為等溫量熱子系統(tǒng)提供恒溫油浴，確保等溫量熱子系統(tǒng)量熱室的等溫環(huán)境。通過(guò)電池測(cè)試子系統(tǒng)對(duì)車用動(dòng)力鋰電池進(jìn)行不同電流的充放電循環(huán)，并用溫度采集子系統(tǒng)測(cè)量電池表面不同位置的溫度，觀測(cè)電池表面的溫度分布及溫度變化；最后通過(guò)等溫量熱子系統(tǒng)測(cè)量的電池原始熱通量曲線，確定電池的實(shí)際產(chǎn)熱量。等溫量熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)見表1。

圖1 等溫量熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

表1 等溫量熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.1 等溫量熱子系統(tǒng)

等溫量熱子系統(tǒng)見圖2。等溫量熱子系統(tǒng)基于功率補(bǔ)償法在等溫環(huán)境下測(cè)量車用動(dòng)力鋰電池的產(chǎn)熱，包括溫度控制系統(tǒng)和量熱系統(tǒng)。在測(cè)試過(guò)程中，空氣在整個(gè)量熱室中循環(huán)，量熱室沉浸在恒溫油浴中，溫度控制系統(tǒng)采用高精度溫度傳感器不斷監(jiān)測(cè)量熱室中的空氣溫度，通過(guò)平衡來(lái)自恒溫油浴的冷卻與內(nèi)部電加熱器的加熱，使量熱室內(nèi)的空氣溫度控制在設(shè)定點(diǎn)；量熱系統(tǒng)測(cè)量維持該平衡點(diǎn)時(shí)內(nèi)部電加熱器所提供的熱量，并視此熱量為等溫量熱系統(tǒng)的基線。當(dāng)量熱室內(nèi)的車用動(dòng)力鋰電池產(chǎn)生熱量時(shí)，溫度控制算法通過(guò)減少電加熱器產(chǎn)生的熱量來(lái)響應(yīng)，以將量熱室的溫度維持在設(shè)定點(diǎn)，內(nèi)部電加熱器產(chǎn)生的熱量變化即為車用動(dòng)力鋰電池工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量。

圖2 等溫量熱子系統(tǒng)

1.2 低溫油浴控溫子系統(tǒng)

低溫油浴控溫子系統(tǒng)為等溫量熱子系統(tǒng)提供設(shè)定溫度值的恒溫油浴，確保等溫量熱子系統(tǒng)量熱室的等溫 環(huán)境。

1.3 溫度采集子系統(tǒng)

溫度采集子系統(tǒng)用于采集電池表面溫度，由溫度數(shù)據(jù)采集儀和溫度傳感器組成，溫度傳感器采用熱電偶。

2 實(shí)驗(yàn)方法

以精密電阻代替實(shí)際車用動(dòng)力鋰電池，將精密電阻置于等溫量熱子系統(tǒng)量熱室的中心位置，通過(guò)等溫量熱子系統(tǒng)背部連接端口與電池測(cè)試設(shè)備連接，待等溫量熱子系統(tǒng)及低溫油浴控溫子系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定溫度后對(duì)精密電阻通入給定電流，模擬車用動(dòng)力鋰電池在不同工況下的發(fā)熱量，采用等溫量熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量精密電阻的發(fā)熱量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 控溫精度

將等溫量熱子系統(tǒng)的溫度分別設(shè)定為9、21.5、25、60 ℃，低溫油浴溫度比等溫量熱子系統(tǒng)設(shè)定點(diǎn)溫度低10 ℃。等溫量熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)溫度測(cè)試曲線如圖3所示，由圖可知在不同溫度下，等溫量熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的恒溫控制精度和溫度分辨率均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

3.2 最大噪聲及基線漂移

精密電阻未通電時(shí)的等溫量熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的熱通量測(cè)試曲線如圖4 所示，相鄰波峰波谷差值小于0.1 W并且曲線偏移量小于0.5 W/h，測(cè)試結(jié)果滿足等溫量熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最大噪聲和基線漂移設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

3.3 量熱精度

在設(shè)定實(shí)驗(yàn)溫度下，分別對(duì)精密電阻提供0.2、1.3、34 W 的電能，假設(shè)通過(guò)電阻的電能100%的轉(zhuǎn)化為熱能，采用等溫量熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量精密電阻的發(fā)熱量。測(cè)量結(jié)果見圖5。

圖3 等溫量熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)溫度測(cè)試曲線

圖4 熱通量測(cè)試曲線

電阻發(fā)熱量為0.2 W 時(shí)，由于等溫量熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自身噪聲使得測(cè)試曲線在0.2 W 附近波動(dòng)，但測(cè)試曲線上下波動(dòng)幅度在系統(tǒng)最大噪聲0.1 W 范圍內(nèi)，滿足測(cè)試精度的要求。電阻發(fā)熱量為1.3 和34 W 時(shí)，等溫量熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量電阻發(fā)熱量的精度也符合要求。

圖5 發(fā)熱量測(cè)試曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了車用動(dòng)力鋰電池等溫量熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可同時(shí)測(cè)量鋰電池在不同溫度和不同充放電倍率下產(chǎn)生的熱量以及電池表面的溫度；鋰電池發(fā)熱量可作為利用仿真軟件建立電池模型時(shí)電池?zé)崃康妮斎胫担囯姵乇砻鏈囟瓤沈?yàn)證電池模型的精度，為選擇最佳的鋰電池單元及設(shè)計(jì)有效的熱管理系統(tǒng)提供借鑒。此外，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提升學(xué)生綜合利用多學(xué)科基礎(chǔ)理論解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。