纯电动客车液冷动力电池系统性能测试研究

2019-06-24于如兴范志先董开雷张礼宪朱岩朋

客车技术与研究 2019年3期

于如兴，范志先，董开雷，张刚，张礼宪，朱岩朋

(中通客车控股股份有限公司，山东聊城 252000)

动力电池作为电动客车的核心零部件，对其能量密度、充电速度的要求越来越高，常规风冷已无法满足动力电池正常使用的需求。电池液冷[1-3]是一种利用乙二醇溶液作为导热媒介来给电池散热的冷却方式，电池箱内部铺设管路形成循环液路，冷却液通过液冷机组中的板式换热器进行冷却，以实现动力电池的快速散热[4-5]。如果冷却系统的性能得不到保障，电池将发生高温。高温已成为动力电池故障、性能衰减的重要因素之一，且电池在高温情况下使用，很容易对电池隔膜等造成损坏，引发短路着火事故[6-7]。本文通过搭建液冷电池联调系统，对液冷系统的性能进行测试研究。

1 液冷测试系统及测试方法

1.1 液冷动力电池系统

测试用动力电池系统由3个电池箱组成，总计3并联141串联。电池箱结构示意图如图1所示，每个箱体有4个液冷板，分别布置在两侧和中间。液冷板的设计位置为发热量最大的极耳处，能最大限度地将热量带走[8]。4片液冷板为内部并联结构，单箱入液温度能保持一致，减少单箱温差。每箱电池设计有12个温度采样点，均匀分布在电池箱内部[9-10]。

图1 动力电池结构示意图

试验室环境下单箱电池的发热主要由电芯充放电产生，通过试验测得单体电芯不同倍率下的充放电发热量[11]，如图2所示。用单箱所有电芯的发热量总和作为此次测试的电池箱总发热量，另测得单体电芯的比热容为1 200 J/(kg·K)。

图2 单体充放电发热量曲线

1.2 冷却机组及散热液路

冷却机组为独立式散热系统，包括压缩机、水泵、换热器、蒸发器、散热风扇等部件。冷却机组通过CAN报文与BMS进行信息交互，机组根据BMS设定的工作模式、出液温度等进行工作，机组出液口、进液口设置温度采样点，实时监测进出液温度。机组制冷量为4.5 kW，低压附件功率≤600 W，冷媒采用R134a，防冻液采用55%乙二醇与45%水的混合溶液，凝点≤-40 ℃[12-13]。

电池箱体与冷却机组的液路采用串联式连接，即冷却机组出液口连接1号箱，1号箱出液口连接2号箱，2号箱出液口连接3号箱，3号箱出液口连接冷却机组回液口，另需在液路中设置排气管、注液管及膨胀水箱等部件，形成完整的散热回路，如图3所示。

图3 循环液路示意图

1.3 系统测试方法

动力电池及冷却机组均放置在30 ℃或40 ℃的环境中进行测试，样件试验之前均在环境中静置12 h以上，以保证电池温度与环境温度持平。电池充电倍率采用市场较为普遍的1 C充电倍率；放电选取两种倍率值，一是电池系统标称的1 C放电倍率，二是参考某纯电动车型满载开空调城市工况的平均放电电流上限值，取值0.75 C。设置不同的环境温度、出液温度及充放电倍率，测试不同条件下的电池最高最低温度、温差、冷却机组性能及能耗。

2 试验测试结果

2.1 1 C充/放电系统测试(30 ℃环温)

将样件放置在30 ℃的外界环境中，分别测试出液温度15 ℃、20 ℃、25 ℃ 3种情况下的性能指标，电池充放电平均温度、最大温差测试结果如图4所示。

(a) 电池平均温度—放电

(b) 电池平均温度—充电

根据测试结果可知，环温30 ℃时，出液温度为25 ℃时电池温升最快，最高达到44 ℃，而出液温度为15 ℃与20 ℃时温升差距较小；电池温度达到40 ℃时，不同出液口温度下电池温度差异变小。

另外设置不同出液温度对机组的耗电量影响较大，测试结果见表1，鉴于电池的温升及机组的耗电量情况，确定将出液温度设定为20 ℃较为合适。

表1 1 C充放电不同出液温度下测试结果

2.2 1 C充电/0.75 C放电系统测试(30 ℃环温)

在出水温度20 ℃，1 C充电/0.75 C放电情况下，单体最高/低温度、单箱平均温度测试结果如图5所示。

(a) 单体最高/低温度—充/放电

(b) 单箱平均温度—充/放电

由测试结果可知，先充电再放电系统在30～40 ℃之间温升仍较快，通过功率分析仪测试可得机组耗电量为10.52 kW·h，较先放电后充电能耗变高。由图2曲线可知，单体在0.75 C放电时的发热量约为20 000 J，不考虑其他部件的发热，单箱总发热量Qa=单个电芯发热量×电芯数量=0.261 kW，由物体发热量计算公式Qb=CpmΔT算出测试结束时电箱发热量为0.085 kW。由此可知，冷却机组带走热量为0.176 kW，占电池总发热量的67.4%。