动力电池系统电性能测试影响因素的研究
2020-06-05
新能源车的续航里程和安全性成为新能源车关注的焦点，续航里程增加，要求能量越高，动力电池系统潜在的风险增大。国内外针对电池系统展开了测试评价工作，制定了相关的标准和测试手册，且整车企业要求往往参照并高于相应标准，结合整车实际使用条件展开测试。目前，电性能方面的研究主要是根据车用的常用工况及使用条件，成品电池系统在测试过程中，有诸多影响其电性能的因素，本文主要是针对同一电池系统，相同的温度条件下，采用不同的环境箱规格尺寸，不同的出风口位置，不同的测试布局，对电池系统的电性能测试结果进行研究。
01 理论分析
锂离子电池的充电过程表现为吸热反应，放电为放热反应。充电初期，电池的极化内阻较小，内阻产热较小，此时吸热反应占主导地位，表现为电池的温升基本不变甚至可能出现温度些许降低的现象；充电后期，电池的内阻较大，电池的内阻耗热较高，此时释放的热量高于吸热的，表现为电池的温度快速升高。
为保证电池系统的寿命和安全使用，每个电池系统均有其允许工作的最高温度和最低温度、允许的最大电流（功率）等。在整车实际运行 过程中，电池系统中BMS允许输出的电流（功率）是根据电池系统的实际运行条件实时调整的。如若在放电阶段散热不及时，温升较高，限制其在工作时最大的输出功率；而在接下来的充电启动时，若温度不能有效降低，同样会限制其允许的最大充电电流，可能会出现暂时的不能充电情况。因此，在成品电池系统测试过程中，其所处的环境条件对测试结果的影响会较大。电池系统中的模组布局，周围有水冷管道，也有BMS、热管理系统、电气系统等，不同位置的电芯其散热速度不尽相同，比如靠近高压接口等电气系统位置的电芯，散热相对较慢；测试所采用的不同规格环境箱的内部空间体积不同、散热出风口位置不同，对电池系统的电性能测试结果影响较大。从理论上分析，搭建的布局方式影响着电池系统的散热效果，可能会出现其不同位置的模组的温度偏差较大，长期保持会导致电池系统内模组或电芯的不一致性加剧，缩短电池系统的使用寿命，同时也增大了安全隐患。
02 试验验证
本试验是依据委托单位提供的动力电池系统电性能及热管理测试方案进行，试验过程中监控动力电池系统的电压、电流、各单体电芯电压、温度变化。为保证试验数据的有效性，试验结果的可比对性，本试验是同一测试工程师，采用相同的充放电通道、相同的水冷制度进行搭建。
本试验采用两种不同规格的环境箱，对同一电池系统进行相同条件的试验。试验一采用的10立方环境箱，内尺寸为2.5m*2m*2m，开门方式为2.5m方向全开门，出风口在2m方向的底侧（如下图1），电池系统的布局方式如图1所示；试验二采用的15立方环境箱，内尺寸为3m*2.5m*2m，开门方式为2.5m方向全开门，出风口在2.5m方向的底侧（如下图2），电池系统的布局方式如图2所示。
在45℃的环境箱温度下，启动电池系统跟随BMS的请求信号进行充放电循环测试，试验结果差异较大。
图1 10立方环境箱及电池系统布局方式
图2 15立方环境箱及电池系统布局方式
03 结果分析
试验一和试验二，在高温循环过程中电池系统的电压、电流和电芯的最高和最低温度变化分别如下图3和图4所示。
图3 试验一电池系统循环过程电压、电流、电芯温度曲线
图4 试验二电池系统循环过程电压、电流、电芯温度曲线
图5 第一个循环过程，试验一和试验二比对曲线图
图6 第一个循环过程，试验一和试验二温差变化图
从电池系统内各个温度点的变化曲线来看（如图7和图8），试验一的各个温度点出现了温度分层，上层模组的几个温度点比其他的温度点最高相差6℃，两层间温度相差2℃左右；试验二的各个温度点的温度集中在某一温度范围内，没有明显的温度分层现象。因此，环境箱的大小、环境箱出风口的位置，也影响电池系统内温度的温升及散热情况，影响最终的温差。电池系统内各处温度点代表着相应的模组或电芯的温升情况，温度出现分层，会导致在之后的使用中各处的温度不一致，温差相对较大，影响电芯的性能及寿命，造成电池系统内各电池模组及电芯的一致性差，最终影响电池系统的性能和寿命。
图从以上试验结果来看，动力电池系统在实际安装在电动汽车上时，也需相应考虑动力电池系统的散热空间以及其与出风口的相对位置，使得动力电池系统在良好的散热基础上，也能够尽量地保持其电芯及模组的一致性，提升电池系统的电性能、寿命及安全性。8 试验二，第一个循环中电池系统内各个温度变化曲线。
04 结论
动力电池系统的性能影响着电动汽车行业的发展，对其研究需要结合整车实际使用需求，从动力电池机理进行分析，参照相应标准进行试验。本试验主要研究了针对同一动力电池系统样品，在相同的水冷条件下，采用不同规格的环境箱、相对出风口不同位置进行测试，结果表明：
1）环境箱空间较大的有利于动力电池系统的散热，温升较低；
2）出风口位置垂直模组的排布方向摆放时，动力电池系统的温升较低，且模组间温度不会出现分层现象；
3）在整车安装上，需同时考虑动力电池系统的散热空间及其与出风口的相对位置，以提高动力电池系统的电性能、寿命及安全性。
作者简介：
郭慰问 上海尊龙凯时检测所汽车事业部电池试验室部长，主要致力于动力电池的测试分析以及国内外电池标准的研究。
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