車用電池熱管理系統試驗臺架研制與試驗研究

肖軍 張明 劉志強 梁輝

摘 要：為了滿足電動汽車電池包和電池熱管理系統開發和試驗需求，設計和搭建了基于CAN總線通訊交互的電池熱管理系統試驗臺架。通過高溫US06工況和低溫NEDC工況電池熱管理試驗研究表明，該試驗臺架功能運行正常，電池包設計符合熱管理要求。并初步驗證了電池熱管理基本控制策略的正確性，為后續整車級電池熱管理標定試驗和策略優化提供依據。

關鍵詞：電動汽車;電池熱管理;試驗臺架;試驗研究

中圖分類號：U469.72 ?文獻標識碼：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，導致目前電動汽車的研發周期相對于傳統燃油汽車較短，尤其是電池包開發時間。如果能在樣車裝車之前完成大部分相對準確的系統級別試驗測試，盡早發現問題和解決問題，可以為項目開發節約大量費用和時間[1-2]。為此建立一個通用性較好的電池熱管理系統試驗臺架顯得尤為重要，可以顯著地縮短電池包開發時間和電池熱管理策略標定試驗周期，對于研究和評價電池熱管理系統性能同樣具有重要意義。

1 電池熱管理系統試驗臺架總體設計

1.1 電池熱管理系統試驗臺架設計

為了滿足電動汽車用電池包前期開發需求，完成裝車之前的電池熱管理系統性能驗證，以及電池熱管理控制策略系統級別驗證及優化，需要設計一個可靠性較好、通用性較強的電池熱管理系統試驗臺架，用以模擬電動汽車復雜行駛工況、環境溫度等條件，從而更有效地為后期的電池包優化設計和整車電池熱管理標定試驗做鋪墊，同時也能為仿真分析提供可靠數據來源，更真實地校準仿真模型。

本文研制的車用電池熱管理系統試驗臺架主要包括被測對象、模擬整車充放電工況的裝置、數據采集模塊、供電模塊、外部電池管理系統模塊和模擬整車環境條件模塊，整個系統試驗臺架構造原理如圖1所示。其中，被測對象可以為電池包、或Chiller、或電池熱管理控制器等部件或系統;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;數據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備和電腦。供電模塊主要指供電給低壓零部件或設備的可調電源模塊;外部電池管理系統模塊主要為電池包提供冷源或熱源的系統及熱管理控制器，主要結構原理如圖2所示[3];模擬整車環境條件模塊為小型環境艙，其功率為100kW，可以模擬環境溫度范圍為-40℃～+85℃，溫度控制精度為±2℃，環境相對濕度為20%～98%，相對濕度控制精度為±5%。本文設計的電池熱管理系統試驗臺架主要采用的設備規格型號見表1所示。

根據試驗臺架構造原理圖搭建的電池熱管理系統試驗臺架實物如圖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熱管理系統模塊放置于小型環境艙內進行預處理再進行試驗，同時，供電模塊、充放電柜、采集設備等模塊放置于小型環境艙之外，這樣既可以保護設備，防止受高溫或低溫環境影響其使用壽命，又利于測試人員在外監測數據。其中，外部電池熱管理系統的熱管理控制器可以通過硬線采集壓縮機排氣壓力，通過PWM控制電子水泵，通過CAN總線與壓縮機和高壓電加熱器進行控制交互;而電池包內的電池管理模塊可以實時采集電芯溫度和電壓等參數，并通過CAN總線與熱管理控制器進行通訊交互，可以實時發送和接收所需要的報文信息，并通過CAN報文讀取設備上傳至電腦端，便于測試人員觀測實時動態數據，同時電腦端也可以通過軟件動態修改標定參數進行控制對應節點工作[4]。

1.2 電池熱管理系統試驗臺架功能

基于設計和搭建的車用電池熱管理系統試驗臺架可以實現如下功能：

（1）可以進行高溫、低溫和常溫電池包放電容量測試，為電池包優化設計、公告試驗和整車放電MAP優化提供數據基礎;

（2）可以完成高溫、低溫和常溫電池包充電容量測試，為電池包優化設計、公告試驗和整車充電控制策略優化提供數據基礎;

（3）可以實現高溫、低溫、和常溫電池包充電速率測試，為電池包優化設計和整車充電控制策略優化提供數據基礎;

（4）能完成電池熱管理系統Chiller等零部件性能匹配測試，為零部件選型匹配提供數據支持和性能驗證;

（5）能模擬整車各個環境溫度條件和充放電工況進行電池熱管理系統性能評價試驗，為整車級系統優化設計提供數據支持和性能驗證;

（6）能實現高溫電池制冷、低溫電池加熱測試功能，對電池熱管理控制策略進行優化與驗證，同時也可以進行系統級的電池熱管理標定優化試驗，為整車級電池熱管理標定試驗做數據支撐，縮短整車開發周期。

2 電池熱管理系統臺架試驗分析

為了驗證電池熱管理系統試驗臺架搭建的準確性和電池熱管理控制功能的可靠性，以及優化電池熱管理控制策略做基礎，本文進行了US06循環工況的高溫電池熱管理臺架試驗和NEDC循環工況的低溫電池熱管理臺架試驗。

2.1 US06循環工況的高溫電池熱管理臺架試驗

本次試驗前提條件為電池熱管理系統試驗臺架浸置于40℃恒溫環境艙內不少于4小時，使得電池包溫度和電池熱管理系統其余零部件的溫度基本達到與40℃環境溫度一致，且電池平均溫度與設定環境溫度的差值不能超過2℃，才確定為達到試驗預處理的環境適應性目標[5]。

試驗結果如圖4所示，基于US06循環工況的高溫電池熱管理臺架試驗總共試驗時間約為177min，從試驗數據中可以得出，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，電池熱管理制冷功能正常開啟，高溫環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的開啟工作逐漸降低，并且電池實際入口水溫可以達到目標水溫25℃，并隨著試驗的進行最終穩定于23℃～24℃區間。

同時，根據試驗結果可以得到電芯溫差隨時間的變化關系，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行逐漸增大而后緩慢趨于穩定，并最終穩定于4℃，其中約在試驗進行到70min時刻，電芯溫差達到最大值5℃。

2.2 NEDC循環工況的低溫電池熱管理臺架試驗

本次試驗前提條件為電池熱管理系統試驗臺架浸置于0℃恒溫環境艙內不小于6小時，使得電池包溫度和電池熱管理系統其余零部件的溫度基本達到與0℃環境溫度一致，且電池平均溫度與設定環境溫度的差值不能超過2℃，才確定為達到試驗預處理的環境適應性目標[5]。

試驗結果如圖6所示，基于NEDC循環工況的低溫電池熱管理臺架試驗總共試驗運行循環為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，電池熱管理加熱功能正常，當電池平均溫度低于電池熱管理控制策略加熱設計閾值5℃的條件，電池用高壓電加熱器開啟進行加熱水路系統的冷卻液，使電池入口實際水溫達到電池入口目標水溫30℃，當電池加熱進行到18min的時刻，電池平均溫度達到電池熱管理策略設計閾值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循環工況進行放電，在后續的試驗過程中，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熱量可以維持電池平均溫度。

再根據該試驗結果可得電芯溫差隨時間的變化關系，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，并于試驗進行至24min時刻，電芯溫差達到最大值4℃，后續試驗過程中，電芯溫差比較穩定，最終電芯溫差穩定于2℃～3℃區間。

3 結論

（1）本文研制了電動汽車用電池熱管理系統試驗臺架，可以模擬車輛各工況下電池包等熱管理相關對象的工作特性，不僅可以完成簡單的各環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熱管理系統的性能評價試驗、零部件選型匹配驗證試驗、電池熱管理控制策略優化試驗等系統級別的試驗研究，為整車級別的電池熱管理高低溫標定試驗和控制策略優化工作奠定基礎。

（2）基于US06循環工況的高溫電池熱管理臺架試驗測試數據可以表明，本文搭建的電池熱管理系統試驗臺架功能穩定可靠，電池熱管理制冷功能可以正常運行，40℃高溫環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℃區間，電池溫降和電芯溫差均勻性符合設計要求。

（3）根據NEDC循環工況的低溫電池熱管理臺架測試數據可以得出，電池熱管理加熱功能可以正常運行，電池平均溫度被加熱至5℃之后，0℃環境溫度下電池包依靠自身熱量可以維持電池平均溫度，電芯溫差穩定區間為2℃～3℃，電池溫升和電芯溫差均勻性符合設計要求。

參考文獻

[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總線在車輛通訊協議中的研究和應用[D].太原：中北大學，2019.

[5] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，等.GB/T 31467.2- 2015.電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第2部分：高能量應用測試規程[S].北京：中國標準出版社，2015.