廣告
電池系統(tǒng)電性能測(cè)試影響因素的研究
2020-12-09 22:34:24· 來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂
文章來(lái)源：１．上海電器設(shè)備檢測(cè)所有限公司２．國(guó)家汽車電氣化產(chǎn)品及系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心本文主要是針對(duì)同一電池系統(tǒng)，在相同的溫度條件和水冷策略下，采用不同
文章來(lái)源：１．上海電器設(shè)備檢測(cè)所有限公司２．國(guó)家汽車電氣化產(chǎn)品及系統(tǒng)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心
本文主要是針對(duì)同一電池系統(tǒng)，在相同的溫度條件和水冷策略下，采用不同規(guī)格尺寸的環(huán)境箱，研究不同的出風(fēng)口位置及不同的測(cè)試布局對(duì)電池系統(tǒng)的電性能測(cè)試結(jié)果的影響。
1理論分析
眾所周知，鋰離子電池的充電過(guò)程表現(xiàn)為吸熱反應(yīng)，放電為放熱反應(yīng)。充電初期，電池的極化內(nèi)阻較小，內(nèi)阻產(chǎn)熱較小，此時(shí)吸熱反應(yīng)占主導(dǎo)地位，表現(xiàn)為電池的溫度基本不變甚至可能出現(xiàn)溫度些許降低的現(xiàn)象；充電后期，電池的內(nèi)阻較大，耗熱較高，此時(shí)釋放的熱量遠(yuǎn)高于吸熱反應(yīng)吸收的熱量，表現(xiàn)為電池的溫升快速升高。
在一個(gè)電池系統(tǒng)中，為保證電池系統(tǒng)的壽命和安全使用，每個(gè)電池系統(tǒng)均有其允許的最高溫度和最低溫度、允許的最大電流（功率）等。在整車實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，BMS允許輸出的電流（功率）是根據(jù)電池系統(tǒng)不同的SOC，不同的絕緣狀態(tài)、不同的溫度、不同的溫差等條件進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整的。如在放電階段散熱不及時(shí)、溫升較高，則限制其可輸出的最大功率；若溫度不能有效降低，則在之后的充電起動(dòng)時(shí)，同樣會(huì)限制其允許的最大充電電流，會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)的不充電現(xiàn)象。因此，在成品電池系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中，其所處的環(huán)境條件對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響較大。
而從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上來(lái)看，電池系統(tǒng)中電芯周圍圍繞著水冷管道、BMS、熱管理系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等，不同位置的電芯，散熱速度不盡相同，如靠近高壓接口等電氣系統(tǒng)位置的電芯，散熱相對(duì)較慢；采用的環(huán)境箱內(nèi)部空間體積不同、出風(fēng)口位置不同，對(duì)電池系統(tǒng)電性能測(cè)試結(jié)果的影響較大。因此，由理論分析可知，試驗(yàn)搭建的布局方式影響著電池系統(tǒng)的散熱效果，可能會(huì)出現(xiàn)不同位置的模組溫度偏差較大，長(zhǎng)期以往會(huì)加劇電池系統(tǒng)內(nèi)模組或電芯的不一致性，縮短電池系統(tǒng)的使用壽命，同時(shí)也增大了安全隱患。
2試驗(yàn)驗(yàn)證
本試驗(yàn)是依據(jù)委托單位提供的電池系統(tǒng)電性能及熱管理測(cè)試方案進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中記錄電池系統(tǒng)的電壓、電流、各單體電芯電壓、溫度等的變化。
本試驗(yàn)采用兩種規(guī)格的環(huán)境箱，對(duì)同一電池系統(tǒng)進(jìn)行相同條件的試驗(yàn)，即由同一人員操作，并采用相同的充放電通道、相同的水冷制度和環(huán)境溫度進(jìn)行。試驗(yàn)一采用的10立方環(huán)境箱，內(nèi)尺寸為2.5m×2m×2m，開(kāi)門方式為2.5m方向全開(kāi)門，出風(fēng)口在2m的一側(cè)（圖1），電池系統(tǒng)的布局方式如圖1中DUT所示；試驗(yàn)二采用的15立方環(huán)境箱，內(nèi)尺寸為3m×2.5mx2m，開(kāi)門方式為2.5方向全開(kāi)門，出風(fēng)口在2.5m的一側(cè)（圖2），電池系統(tǒng)的布局方式如圖2在DUT所示，此時(shí)出風(fēng)口垂直于模組排列的方向。
在45℃的環(huán)境箱溫度下，起動(dòng)跟隨BMS的請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行充放電循環(huán)的測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果差異較大。
3結(jié)果分析
在同等測(cè)試條件下，我們不同環(huán)境箱和布局方式的電池系統(tǒng)測(cè)試結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，如圖3和圖4所示。試驗(yàn)一和試驗(yàn)二在高溫循環(huán)過(guò)程中，電芯的最高溫度產(chǎn)生了明顯變化。由圖可知，試驗(yàn)一再循環(huán)過(guò)程中電芯最高溫度為54.5℃，明顯高于試驗(yàn)二中的最高溫度53℃。而電芯的長(zhǎng)時(shí)間高溫工作對(duì)于電池情況是不利的，因此我們需要盡可能地控制和降低電芯的最高溫度。
另一方面，從圖中可以看出，試驗(yàn)一進(jìn)行四個(gè)循環(huán)的時(shí)間幾乎是試驗(yàn)二時(shí)間的2倍。我們將其中一個(gè)循環(huán)放大，比較二者的電流和溫度變化情況，結(jié)果如圖5所示?？梢郧逦乜闯?，兩個(gè)試驗(yàn)中電流變化情況大相徑庭，試驗(yàn)一中電池的大電流充／放電時(shí)間均高于試驗(yàn)二的，且試驗(yàn)一中充電初期的電流幾乎維持在0左右。
從圖5可以看出，試驗(yàn)一在放電結(jié)束時(shí)，電池系統(tǒng)中的電芯最高溫度達(dá)到了53.5℃接近電池系統(tǒng)允許的最高溫度，此時(shí)整車BMS允許的充電電流基本為0。隨著溫度的降低，整車允許的電流（功率）逐漸增大；但該10立方環(huán)境箱及布局方式不利于散熱，導(dǎo)致電芯的溫度回升，再次降低了充電電流。試驗(yàn)二中放電結(jié)束時(shí)電芯的最高溫度為51℃，該15立方環(huán)境箱充分保證了散熱加上充電過(guò)程為吸熱反應(yīng)，降｛民了電池系統(tǒng)溫度，整車允許的充電電流較大，在充電后期，隨著電池系統(tǒng)soc的升高，允許的充電電流逐漸降低，直至達(dá)到滿電狀態(tài)。
由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，同一個(gè)循環(huán)，試驗(yàn)一的用時(shí)幾乎是試驗(yàn)二的2倍，這是由于試驗(yàn)一溫箱散熱差，電芯溫度高，跟隨的BMS允許充電電流被限制下來(lái)，一個(gè)循環(huán)的時(shí)間被大大延長(zhǎng)了。這個(gè)結(jié)果進(jìn)一步地證明了外界環(huán)境及布局方式的不同對(duì)整體電池系統(tǒng)的電性能產(chǎn)生了影響?？臻g越大，越有利于電芯的散熱，有利于降低電芯最高溫度。
同時(shí)，我們對(duì)兩組試驗(yàn)的溫差進(jìn)行了比較，如圖6所示Q試驗(yàn)一中的最大溫差為6℃，出現(xiàn)在電池系統(tǒng)的電芯溫度達(dá)到最高溫度的時(shí)候，之后基本維持在4.5-6℃之間；而試驗(yàn)二中，最大溫差約為5℃，同樣出現(xiàn)在最高溫度點(diǎn)附近，在充電后期基本維持在2.5℃以內(nèi)。而較小的溫差則表明電池包內(nèi)部整體電芯的一致性差異程度小，電池系統(tǒng)的整體使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)。
我們對(duì)電池系統(tǒng)內(nèi)部的溫度分布進(jìn)一步進(jìn)行了詳細(xì)分析，如圖7和圖8所示。從圖中可以看出，試驗(yàn)一的各個(gè)溫度點(diǎn)出現(xiàn)了溫度分層，上層模組的幾個(gè)溫度點(diǎn)比其他的溫度點(diǎn)最高相差6℃，兩層間溫度相差2℃左右；試驗(yàn)二的各個(gè)溫度點(diǎn)的溫度集中在某一溫度范圍內(nèi)，沒(méi)有明顯的溫度分層現(xiàn)象。而我們知道，電池系統(tǒng)內(nèi)各處溫度點(diǎn)代表著相應(yīng)的模組或電芯的溫升情況，溫度出現(xiàn)分層，會(huì)導(dǎo)致在之后的使用中各處的溫度不一致，溫差相對(duì)較大，影響電芯的性能及壽命，造成電池系統(tǒng)內(nèi)各電池模組及電芯的一致性差，最終影響電池系統(tǒng)的性能和壽命。試驗(yàn)二中溫度較為集中的現(xiàn)象則表明了電池系統(tǒng)內(nèi)部模組及電芯的一致性良好，保障了電池的正常使用。
近年來(lái)，電動(dòng)汽車起火燃燒的情況時(shí)有發(fā)生，這讓消費(fèi)者在一定程度上不敢輕易購(gòu)買電動(dòng)汽車，因此GB380312020標(biāo)準(zhǔn)中增加了動(dòng)力電池的安全性試驗(yàn)方面的熱失控?cái)U(kuò)展試驗(yàn)，要求從觸發(fā)熱事件報(bào)警信號(hào)，到起火爆炸的時(shí)間應(yīng)不小于5min，即保證乘客有足夠的逃生時(shí)間。亥標(biāo)準(zhǔn)中推薦的熱失控觸發(fā)方式有兩種：針刺觸發(fā)和加熱觸發(fā)。
兩種方式觸發(fā)熱失控均是使電池部分溫度升高，達(dá)到熱失控的條件，然后延展至其他電芯。電池模組及電芯的不一致性會(huì)加快熱失控的發(fā)生。長(zhǎng)期運(yùn)行在高溫區(qū)域的電池，其電性能衰減較快，電池內(nèi)阻增大，相同條件下的溫升加快，功率性能降低，可承受的大電流充放電能力降低，在相同的工況下，部分電池出現(xiàn)過(guò)流情況，從而導(dǎo)致在后期使用過(guò)程中出現(xiàn)起火、爆炸等現(xiàn)象發(fā)生，威脅著消費(fèi)者和財(cái)產(chǎn)的安全。
從以上試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，電池系統(tǒng)在實(shí)際安裝在電動(dòng)汽車上時(shí)，也需相應(yīng)考慮其散熱空間以及與出風(fēng)口的相對(duì)位置，使得電池系統(tǒng)在良好的散熱基礎(chǔ)上也能夠盡量地保持其電芯及模組的一致性，提升電池系統(tǒng)的電性能、壽命及安全性。
4結(jié)論
動(dòng)力電池系統(tǒng)的性能影響著電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展，需要結(jié)合整車實(shí)際使用需求，從電池機(jī)理進(jìn)行分析，參照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)試驗(yàn)研究。本試驗(yàn)主要研究了同一動(dòng)力電池系統(tǒng)樣品，在相同的水冷條件下，采用不同規(guī)格的環(huán)境箱、不同出風(fēng)口位置進(jìn)行布局，結(jié)果表明：
1）環(huán)境箱空間體積較大的更有利于電池系統(tǒng)的散熱，溫升較低。
2）出風(fēng)口位置垂直于模組的排布方向擺放時(shí)，電池系統(tǒng)的溫升較低，且模生且間溫度不會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。
3）在整車安裝上，我們建議需同時(shí)考慮電池系統(tǒng)的散熱空間及與出風(fēng)口的相對(duì)位置以提高電池系統(tǒng)的電性能、壽命及安全性。
點(diǎn)贊 0 反對(duì) 0 舉報(bào) 0
收藏 0
評(píng)論 0 分享 66
廣告 編輯推薦
最新資訊
-
聯(lián)合國(guó)法規(guī)R60對(duì)兩輪車操縱件與指示裝置的
2026-03-04 12:08
-
標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)|《汽車異種材料鉚接接頭拉伸性能
2026-03-04 11:40
-
“汽車大角度座椅 第1部分：通用要求”將有
2026-03-04 11:39
-
“汽車大角度座椅 第2部分：可靠性要求”將
2026-03-04 11:39
-
電池耐久評(píng)價(jià)開(kāi)始從“電池單體性能指標(biāo)”轉(zhuǎn)
2026-03-04 11:38
