动力电池热管理系统测试平台搭建与试验研究

范恒斌 朱顺良 谢欢 龚明光

上海机动车检测认证技术研究中心有限公司 上海市 201800

1 引言

随着新能源市场的快速发展，新能源电动车使用区域越广泛，对整车性能的要求也越来越高。目前，对于电池系统通常比较关注的3 个特性：寿命、安全、使用性能，均与电池热相关问题具有紧密的联系。此外，锂离子动力电池长期在极端环境下工作，不仅会造成使用寿命的缩短，而且会带来安全隐患，甚至引发安全事故。因此，设计优异的热管理系统可以保障新能源车用动力电池在运行过程中始终保持在合适的温度范围，不仅可以满足高的动力性输出，增加电池的循环寿命，同时可以保障整车使用的安全性能。综上所述，建立一个通用性强的热管理系统测试平台十分重要，可以实现对不同热管理系统设计的评测和研究，为电池包热管理整体设计提供试验数据。

2 热管理系统测试平台搭建

热管理系统测试平台如图1 所示。其中试验样品DUT 为锂离子电池系统，与通过上位机对电池系统监控；充放电测试系统为AVL 品牌，可以模拟整车充放电工况，输出直流电压范围0-1000V，输出电流±600A；温度记录仪为日置HIOKI8400 型号，具有60 个电压/温度采集通道，用于采集电池包内部不同位置温度或电压；步入式环境箱为12m，温度范围-40 ～120℃，温度控制精度为±2℃；液冷机为凌工品牌，包含流量传感器、温度传感器、压力传感器、压缩机、加热器等设备，为电池包提供外部热源或冷源并对参数进行控制。以上所有设备的采集数据都可通过CAN 总线向DAQ 电脑端传输，在电脑端可实现对所有设备的控制及数据监控。

图1 电池管理系统测试平台示意图

3 动力电池热管理测试平台功能

基于设计和搭建的动力电池热管理测试平台可以实现如下功能：

（1）可以进行高温、低温和常温电池包放电容量测试，为电池包优化设计、公告试验和整车放电MAP、充电控制策略优化提供数据基础；

（2）可以实现高温、低温、和常温电池包充电速率测试，为电池包优化设计和整车充电控制策略优化提供数据基础；

（3）能模拟整车各个环境温度条件和充放电工况进行电池热管理系统性能评价试验，为整车级系统优化设计提供数据支持和性能验证；

（4）能实现高温电池制冷、低温电池加热、隔热保温等测试功能，对电池热管理控制策略进行优化与验证，同时也可以进行系统级的电池热管理标定优化试验，为整车级电池热管理标定试验做数据支撑，缩短整车开发周期。

4 动力电池热管理测试平台试验研究

为了验证动力电池热管理测试平台搭建的准确性和平台控制功能的可靠性，本文进行了某款液冷系统电池包的高温冷却、低温加热、保温性能试验，搭建了测试平台如图3所示，对电池热管理系统进行分析。

4.1 高温冷却试验

本试验包含4 个工况下试验，工况1：350A 快充工况在5%实际SOC，电池包内部温度达到25℃热平衡时，环境箱温度达到45℃下进行快速充电，充电时保持进水口温度22±2℃，流量12L/min，模拟整车在高温环境下快充时，热管理系统的冷却效果，充电初期温度处于上升状态，热管理系统起到减缓电芯温度上升的作用，充电30min 时，温度达到最高点，按照充电MAP 策略，电流降低为193A，此时温度发生下降，充电产生的热量低于热管理系统带走的热量，充电结束时温度降至30℃，热管理系统将整个充电过程中的温度稳定在安全范围之内。

工况2：6%坡度，100km/h 高速行驶工况，使电池包内部达到38℃热平衡，环境箱温度达到45℃下进行恒功率放电，水冷机进水口温度22±2℃，流量12L/min，模拟整车在高温环境下，爬坡行驶时，热管理系统的效果，试验结果如图1 所示，放电5min 前，电芯温度处于上升阶段，5min 后，温度开始下降，放电60min 时，由于恒功率放电末端电池包电压下降，电流升高，导致产热增加，电芯温度呈现上升趋势。

工况3：250A 快充高速行驶工况，使电池包内部达到32℃热平衡，环境箱温度达到45℃下进行250A 快充，充满电后进行恒功率放电，水冷机进水口温度22±2℃，流量12L/min，模拟整车在高温环境下快充满电后继续行驶的情况，试验结果如图2 所示，充电40 分钟之前电芯温度处于上升状态，在40min 时达到最高点，电流降至193A，温度发生下降，充电结束后整个放电过程温度成上升状态。

图2 工况2：100km/h 6%坡度放电温度、功率-时间曲线

工况4：30min 快充工况，将电池包保持在25℃热平衡状态后，调节环境温度达到45℃，水冷机内循环至18℃，开启30min 快充试验，水冷机保持18℃，流量12L/min，模拟整车在高温环境下进行30min 快充时，热管理系统的效果，试验结果如图3 所示，充电18min 之前，由于电流过大，温度处于上升阶段，18min 时，温度达到最高点，按照充电MAP 策略，电流降低为290A 电流，温度发生下降，直至充电结束温度到达30℃，全过程中电芯温差逐渐升高。

图3 工况3：250A快充+100km/h 6%坡度放电温度、电流-时间曲线

在工况1 快充中，电芯最高温度达到42.2℃，最大温差2.3℃；工况2 中，电芯最高温度达到40.3℃，最大温差1.8℃；工况3 中，电芯最高温度达到41.5℃，最大温差2.5℃；工况4 中，最高温度达到46.6℃，最大温差2.7℃。工况1~3 中，电芯最高温度均未超过43℃，最大温差未超过3℃；工况4 由于快充电流过大，最高温度超过45℃，低于50℃，最大温差未超过3℃；在250A 和350A 快充工况中，水冷机温度22℃，流速12L/min，电流降至193A 时，温度变为下降趋势，而在30min 快充工况中，水冷机温度18℃，流速12L/min，温度下降点出现在电流降至290A 时，证明该电池包热管理系统有效控制了温度的继续升高，保证了严苛工作环境下的电池安全性。

图4 工况4： 30min快充温度、电流-时间曲线

4.2 低温加热试验

低温加热试验主要是模拟整车在低温环境下启动，电池包能否启动加热，并且在可接受的时间内加热到正常工作温度。电池包在-20℃温度下达到热平衡后，设定水冷机出水口的水温35℃；设定水冷机的水流量为12L/min，开始加热，要求加热至10℃时间不大于1 小时，加热过程中温差不超过10℃。

电池包从-20℃加热到10℃需要接近45分钟，加热过程中电芯温差呈增大趋势，最终温差为5.2℃，加热时间小于1 小时，温差小于10℃。实现了寒冷环境下电动汽车启动前预加热的功能，为电池的安全和寿命提供保障。

4.3 保温性能试验

保温系统是为满足短期内电池系统内部温度热环境在正常区间内而设。将电池包外敷保温材料以起到隔热的作用，防止电池包的内部热量过快散失。保温性能试验模拟整车在停车状态，热管理系统停止工作的情况下，电池包在低温和高温环境下的隔热性能，考察电池包隔热材料及内部设计，分为低温保温和高温保温两部分。低温保温试验将电池包在25℃环境下达到热平衡，调节环境温度至-20℃，搁置8 小时。高温保温试验将电池包在30℃环境下达到热平衡，调节环境温度至45℃，搁置8 小时。

电池包在-20℃环境下，8 小时后电芯最低温度由25℃降低至4.6℃，最高和最低电芯温差为6.3℃，试验数据表明电池包在-20℃停车8 小时之后，温度仍然保持在0℃以上，为车辆正常启动提供了保证，保温效果优异。电池包在45℃环境下，8 小时后电芯最高温度为35.5℃，最高和最低电芯温差为2.5℃，表明电池包隔热效果良好，受外界高温影响较小。

5 结语

本文搭建了动力电池热管理系统测试平台，可以实现对不同冷却系统的动力电池进行热管理系统试验，不仅可以模拟整车工况进行热管理系统标定，对现有热管理系统进行性能评价，为热管理控制策略的优化提供了数据支持，还可以开发全新试验方案，制定评价体系，为动力电池热管理系统分级奠定了基础。

基于测试平台进行的高温冷却，低温加热，保温性能试验表明本文搭建的热管理测试平台功能稳定，加热、冷却、采集、控制、交互等功能环环相扣。该电池包在高温环境下热管理策略可以保证快速充电下温度不会超过50℃，温差不超过10℃，对电池包的安全性和电芯之间的均衡起到关键作用。-20℃低温环境下加热到10℃用时44 分钟，可以通过优化加热策略，达到更快的加热速度。保温试验以8 小时工作时间为试验时长，证明电池包隔热性能可以满足日常工作需要，后期可以优化隔热性能，以12-14 小时为试验时长进行保温试验，测试夜间停车至次日早晨的电池包降温、升温情况。测试平台对本文使用电池包进行了试验数据分析并提供了优化方向，经过设计优化、试验方案后，使用测试平台进行验证试验。未来通过平台累积更多热管理试验数据，对不同电池热管理系统进行优劣分析评价。