一种动力电池组高温高速工况台架测试方案

韩友国　杨玉梅

摘 要：本文我们设计了一种动力电池组系统高温高速工况台架测试方案，用以模拟电动汽车高温环境下持续高速行驶工况。该方案通过步入式温度箱模拟所需高温环境、通过充放电设备模拟整车高速行驶工况，该方案所需测试费用低、测试工况简单、台架易于实现，能够更好的指导动力电池组系统的开发与设计。可在开发阶段时验证动力电池组系统是否能够在其工作温度范围内满足整车在高温环境下高速行驶的需求。

关键词：动力电池组；高温；高速；台架测试

1 前言

通常，电动汽车用动力电池组系统的工作温度普遍在-20℃～60℃。为了保证动力电池组系统能够始终在其有效温度范围内工作，电池管理系统（BMS）会根据厂家提供的电芯参数、整车设计参数等设定相应的温度保护条件。当动力电池组系统温度达到设定的温度保护条件时，其内部继电器将被切断，不能再继续输出动力。

电动汽车在高温环境中连续使用时，动力电池会持续地进行充电、放电，从而导致动力电池组系统温度不断上升。而当动力电池组系统温度超出其正常工作温度范围时，其内部继电器将被切断，不能再继续输出动力，导致电动汽车无法继续行驶。尤其当电动汽车在高温环境下连续高速行驶时，持续较大的放电电流将加剧动力电池组系统温度的升高。

为了确保所开发的动力电池组系统能够满足整车高温环境下高速行驶的需求，主机厂通常会在开发环节将动力电池组系统搭载整车，在高温环境下进行转毂试验以验证其是否能够满足整车开发目标。但是，由于将动力电池组系统搭载整车进行转毂测试所需测试费用较高，为了减少整车开发环节中的测试费用，我们设计了一种动力电池组系统高温高速工况测试方案，用以模拟电动汽车高温环境下连续高速行驶工况。该方案通过步入式温度箱模拟所需高温环境、通过充放电设备模拟整车高速行驶工况，所需测试费用低、测试工况简单、台架易于实现，能够更好的指导动力电池组的开发与设计。

2 高温高速工况台架测试方案

本文所设计的动力电池组系统高温高速工况台架测试方案主要模拟电动汽车在高温环境下的两种高速行驶工况，分別为：高温高速爬坡工况、高温高速无坡度工况（含快充）。以便于在电动汽车用动力电池组系统开发阶段时验证动力电池组系统是否能够在其工作温度范围内满足整车在高温环境下高速行驶的需求。

2.1 高温高速爬坡工况

该工况所描述的是电动汽车充满电后，在高温环境、满载、空调全开内循环、路面为3%坡度情况下整车以所设计的最大车速行驶至10%SOC时的工况，其中，行驶过程中允许限功率行驶。使用动力电池测试台架模拟该工况时，需提前确定整车在高温环境、满载、空调全开内循环、路面为3%坡度下持续高速行驶时的持续放电功率P1。高温高速爬坡工况见表1。

2.2 高温高速无坡度工况

该工况主要包含三个步骤，所描述的是电动汽车充满电后，在高温环境、满载、空调全开内循环、无坡度路面情况下进行高速行驶、快充、再高速行驶时的工况。具体描述如下：

（1）首先以整车所允许的最大车速或全油门行驶至电池组系统剩余电量为30%，即30%SOC时结束；

（2）然后使用快充桩将电动汽车充电至电池组系统剩余电量80%，即80%SOC时结束；

（3）最后在相同情况下再以整车所允许的最大车速或全油门行驶至电池组系统剩余电量为10%，即10%SOC时结束。

上述两次高速行驶过程中均允许限功率行驶。两次高速行驶的持续放电功率值保持一致，第一次高速行驶至30%SOC时结束，第二次高速行驶至10%SOC时结束。使用动力电池测试台架模拟该工况时，需提前确定整车在高温环境、满载、空调全开内循环、无坡度路面下高速行驶时的持续放电功率P2。高温高速无坡度工况见表2。

2.3 整车及动力电池组参数

为了验证上述动力电池组系统高温高速工况台架测试方案的可靠性、易实施性，我们以某款纯电动汽车用动力电池组系统为例对所设计的动力电池组系统高温高速工况台架测试方案进行了验证，该试验所需提前知晓的上述纯电动汽车整车及动力电池组系统参数如表3所示。其中，试验过程中主要关注动力电池组系统在模拟该纯电动汽车进行高温高速工况试验时，动力电池组系统温度是否始终在其工作温度范围内，同时始终不会达到动力电池组系统温度保护条件。

2.4 电池组系统及整车限功率参数

表4为厂家提供的动力电池组系统在不同温度、不同SOC时的最大放电能力表，使用充放电设备模拟所设计的高温高速工况时，放电电流值应始终维持在该表范围内；同时，为了模拟整车限功率策略，当动力电池组系统SOC<30%或HT>50℃时，放电电流值取厂家提供的最大放电电流值的一半。

表5、表6分别为经过计算后，该动力电池组系统在执行所设计的两种高温高速工况时不同温度、不同SOC下的理论放电电流表。使用充放电设备模拟所设计的两种高温高速工况时，需将表5和表6中不同温度和SOC下的电流值写入设备运行时的相应工步中。

2.5 试验步骤

该部分主要描述了使用某款纯电动汽车用动力电池组系统模拟上述两种高温高速工况进行台架测试所涉及的步骤。其中，高温高速工况试验前需在常温25℃±2℃环境下使用厂家建议的充电方式将动力电池组系统标准充满电，以确保电池组系统充分充满电；高温高速工况试验过程中，需保持动力电池组系统所处环境温度始终在40℃±2℃；试验过程中，需至少始终监测动力电池组系统单体电压、单体温度、电池组总压、电流、接触器状态。

2.5.1 高温高速爬坡工况测试步骤

（a）将动力电池组系统置于25℃±2℃步入式温度箱中保温，直至电池组系统所有单体温度维持在25℃±2℃；

（b）使用充放电设备，根据厂家建议的充电方式将动力电池组标准充满电；

（c）将步入式温度箱温度调整至40℃±2℃进行环境适应，直至电池组系统所有温度维持在40℃±2℃；

（d）使用充放电设备，将电池组系统以29KW恒功率放电至10%SOC结束。

2.5.2 高温高速无坡度工况测试步骤

该工况主要包含高速1、快充、高速2三个步骤，详细描述如下：

（1）高速1：

（a）将动力电池组系统置于25℃±2℃步入式温度箱中保温，直至电池组系统所有单体温度维持在25℃±2℃；

（b）使用充放电设备，根据厂家建议的充电方式将动力电池组标准充满电；

（c）将步入式温度箱温度调整至40℃±2℃进行环境适应，直至电池组系统所有温度维持在40℃±2℃；

（d）使用充放电设备，将电池组系统以19KW恒功率放电至30%SOC结束。

（2）快充：

高速1试验结束后，无需等待，迅速使用快充桩将电池组系统快充电至80%SOC结束。快充过程中，步入式温度箱温度始终设定在40℃±2℃范围内。

（3）高速2：

快充试验结束后，无需等待，迅速使用充放电设备，将电池组系统以19KW恒功率放电至10%SOC结束。高速2试验过程中，步入式温度箱温度始终设定在40℃±2℃范围内。

3 试验结果及分析

3.1 高温高速爬坡工况

图1为上述某款纯电动汽车用动力电池组模拟高温高速爬坡工况进行台架测试时，动力电池组系统放电电流（Current）、最高单体温度（HT）、最低单体温度（LT）、SOC随时间变化曲线。其中，放电电流曲线中的a、b、c、d点分别对应不同时刻的电流值。a点时刻表示高温高速爬坡工况运行时的起始时间，当运行至b点对应时刻时HT=46℃、SOC=76.5%，放电电流值达到电池组系统当前最大允许电流值，此后遵循电池组系统限功率策略。随着SOC进一步降低，电池组系统依次以87A、76A电流恒流放电。当运行至SOC=30%，即c点对应时刻时，达到整车限功率条件，此时放电电流值取當前条件下电池组系统允许最大放电电流值的一半，该阶段随着SOC的降低，放电电流依次为：33.5A、28.5A、22.5A，直至运行至10%SOC时（d点对应时刻），试验结束。结束时动力电池组系统最高单体温度HT=51℃。

图2为动力电池组高温高速爬坡试验起始与结束时22个电池模组温度、温升变化曲线。由图可知，试验结束时电池模组最高温度为51℃，电池模组最大温升为11℃；且试验结束时22个模组之间温度分布较为均匀，温差仅1℃。整个试验过程中，该动力电池组所有模组温度始终在其工作温度范围内，同时始终未达到动力电池组最高温度保护条件。

3.2 高温高速无坡度工况

图3为上述某款纯电动汽车用动力电池组模拟高温高速无坡度工况（含快充）进行台架测试时，动力电池组系统放电电流（Current）、最高单体温度（HT）、最低单体温度（LT）、SOC随时间变化曲线。其中放电电流曲线中a、b、c、d、e分别对应不同时刻的电流值。a-b时段模拟电动汽车高速运行工况，b-c时段使用快充桩进行快充，c-e时段再次模拟电动汽车高速运行工况。a点时刻表示高温高速工况（含快充）开始运行，当工况运行至b点对应时刻时第一个高速工况运行结束，此时HT=46℃、SOC=30%。然后无需等待，立马进行快充，直至快充至80%SOC，即c点对应时刻，该时刻 HT=50℃、SOC=80%。最后再次运行高速工况，运行过程中，随着温度的变化，放电电流值不断发生变化（可参考表5）。当工况运行至d点对应时刻时HT=50℃、SOC=30%，达到整车限功率SOC值，之后放电电流值取当前条件下电池组系统允许最大放电电流值的一半，直至放电至10%SOC时（e点对应时刻），试验结束。结束时动力电池组系统最高温度为HT=51℃。

图4为动力电池组高温高速无坡度工况试验起始与结束时22个电池模组温度变化曲线。由图可知，试验起始时，22个电池模组温度均为41℃，当第1段高速工况结束时，22个电池模组温度升至46℃，温升为5℃；快充结束时，22个电池模组升温至46-50℃，温升5-9℃；第2段高速工况结束时，22个电池模组升温至48-51℃。整个试验过程中，22个电池模组温度分布较为均匀，温差最高仅4℃。整个试验过程中，该动力电池组所有模组温度始终在其工作温度范围内，同时始终未达到动力电池组最高温度保护条件。

4 结论

本文所设计的一种动力电池组高温高速工况台架测试方案，可有效模拟电动汽车高温环境下高速行驶情况。使用该种台架测试方案，可在动力电池组开发阶段时验证其是否能够满足整车高温高速行驶的开发目标，有效地指导动力电池组的开发与设计。

基金项目

名称：奇瑞全铝车身A0级纯电动SUV研发及产业化；编号：16030901035。

参考文献：

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