一种液冷动力电池系统设计与性能测试

刘思宇，高力，潘成久

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

前言

近年来，随着我国传统能源对外的依赖程度日益增强，新能源汽车行业作为国家战略得到了快速发展[1]，以锂离子电池为代表的动力电池因能量密度高、充放电倍率大、寿命长等优点，成为新能源汽车动力来源的首选[2]。然而，锂离子电池工作时发热量较大，尤其是混合动力汽车会经常需要大倍率充放电，更容易导致热量聚集，严重时甚至会产生热失控，影响动力电池的安全性和可靠性[3]。在日常使用中，动力电池的工作温度也会直接影响其输出性能，所以有效的动力电池热管理显得尤为重要。

目前行业内比较常见的电池包热管理冷却方式主要包含风冷、液冷、直冷等。之前我司曾开发过风冷方案的动力电池产品，但经过试验测试发现其在温降速率和温差控制等方面表现不佳。本文基于我司开发的一款液冷方案电池包进行介绍，首先简述了其开发过程，然后结合特定工况下的高温冷却试验展开讨论并进行分析，最终得出结论，试验结果展现了液冷方案的优越性。

1 设计方案

此动力电池系统为我司自主开发，目的是为后续混合项目提供技术积累。此套液冷方案电池包的示意图如图1所示，本设计方案采用36Ah-VDA标准模组，受制于整车总布置空间要求，采用了双层设计方案，为了便于后续进行试验分析，图中对8块模组进行了编号。

图1 动力电池系统方案示意图

1.1 技术要求

为了提高电池性能的可靠性和一致性，除了最高温度，影响电池效能的还有其均温性，其温差幅值不应引起电池性能的明显差异[4-5]。此次开发搭建液冷技术方案的电池包，在保证电池可持续在合适温度区间内工作的同时，将把温差控制在5 ℃以内作为均温性考察的合格判据[6]。

1.2 系统方案

此套液冷方案动力电池系统主要包含以下几个部分，具体包含模组、水冷板、管路、箱体和E/E总成、主控板等，每个零部件的具体功能如表1所示。

表1 动力电池系统构成表

2 试验方案及结果分析

2.1 试验设备及条件设置

本试验采用高低温试验箱和电池包测试柜等试验设备，如图2所示。其中，高低温试验箱的作用是对电池包进行高温同温，并提供模拟整车高温工况的环境温度。电池包测试柜的作用是使电池包按照设置的输入条件和阈值运行，并实时检测和记录电池包的运行状态。

图2 高低温试验箱及电池包测试柜

由于动力电池的温升特性除了与电池本身的热机理有关以外，也与整车的实际行驶工况密切相关[7]。本试验的放电测试电流按我司内部针对混动汽车的增程工况电流谱执行，具体电流曲线如图3所示，此电流谱一个周期为10000s，试验全过程共包含两个电流谱周期。

图3 工况电流谱

本次试验的主要控制阈值如表2所示，主要包含压缩机转速、冷却开启温度、冷却关闭温度、上限报警温度以及温差报警温度等。其中，报警温度共分为三级，一级和二级的处理方式仅为报警，三级的处理方式为强制断开总正继电器。

表2 BMS主要参数设置

2.2 试验过程

2.2.1 试验步骤

具体试验步骤如下：（1）将电池包置于高低温箱内，将动力电池包放置于金属支架上；（2）将动力电池包的外部CAN总线和内部CAN总线与电池测试柜的CAN监控装置相连接，试验台架的电器原理如图4所示；（3）检查动力电池的外部线束和空调系统是否已经连接正确；（4）利用电池测试设备对动力电池包进行标准充电，直到电池的最高单体电压大于4.15 V后停止标准充电；（5）开启高低温试验箱对电池包进行同温，直到电池包的内部最高温度与外部环境温度差小于±2℃，且温差小于±2℃为止；（6）根据已设置好的放电电流谱工况进行放电测试。

图4 台架试验电气原理图

2.2.2 终止条件

满足以下截止条件之一，试验终止：

（1）电池单体最低电压小于2.5V；

（2）电池最高温度或者温差超过BMS设定的最高等级报警温度；

（3）增程放电测试的工况全部完成。

2.3 试验结果分析

图5为内网采集到的每个模组的温度数据（采集精度为0.5℃），图6为进出口水温及压缩机转速的数据记录，从图5可以看出第二个电流谱周期与第一个周期表现基本一致，为了便于分析，图6只截取了第一个周期（即前10000s）的数据，结合这两组数据曲线可以看出以下几个现象：

图5 电池温度曲线

图6 进出口水温及压缩机转速

（1）整个放电过程中，最高温度 41.5℃，最低温度为30.5℃，相对来讲，下层的1号到4号模组温度变化比较接近，上层的5号到8号模组温度变化比较接近；

（2）开始时整体温度由39.5℃上升到41.5℃，上升时间1194s，这是由于大倍率放电，产生的热量较多，而此时压缩机刚刚开始工作进水温度较高；

（3）1300s-1600s整体温度开始明显下降，这是由于此时电流小，产生热量较少所致；

（4）大约在2000s-3000s这段时间整体温度呈现稳定状态，通过查看，此段期间内约400s的时间电流小于5A，其余时间电流也在50 A以内，发热量较少，而进口水温为12℃，可以理解为此时电池包产生的热量与冷却液带走的热量处于一个平衡状态；

（5）3000s后进水口水温进一步下降到11℃，至3879s时空调压缩机停止工作（即电池包温度为 35℃），进水口水温开始上升；

（6）随后电池温度的迅速上升是由于进水口的温度开始大于等于出水口的温度；

（7）此后，整包温度变化呈反复的周期性趋势，即温度上升约 3850s，温度下降约 1800s，温度呈稳定状态约为1000s，在一个完整的升降温过程中，升温时间约为58%，降温时间约为27%，温度稳定状态约为15%。

通过以上几个现象可以初步看出，在整个放电过程中，本套液冷系统可使动力电池始终处于适合的工作温度范围内，无报警和掉电现象发生。温降速率表现良好，但上下层的布置形式对模组的温度分布有一定影响，全程最大温差为4.5℃，温度一致性较好，满足设计指标。

3 结论

本文基于我司自主开发的一款液冷方案电池包进行介绍，简述了其开发过程，并进行了40℃环境下的高温放电测试，通过分析可以得出以下几个结论：

（1）此种液冷方案可使动力电池始终工作在适宜的温度范围内，合理标定各项阈值参数后，未出现温度失控或突然掉电的情况；

（2）此种液冷方案可将动力电池系统的内部温差控制在 5℃以内，均温性较好，对电池的性能及使用寿命均会产生积极影响；

（3）上下层的布置形式对整包温差会有一定影响，如果整车布置空间允许，电池包应尽量做单层设计，这样均温性会更好。