车用动力锂电池等温量热实验系统设计

常国峰，张洁楠，季运康

（1. 同济大学 汽车学院，上海 201804；2. 同济大学 新能源汽车工程中心，上海 201804）

纯电动汽车在运行过程中不产生污染，并且电能来源广泛，是解决能源、环境问题的理想方案[1-3]。车用动力锂电池会产生大量热量[4]，若散热不及时会导致电池内部温度升高，当温度超过一定范围，会加快电池内部的副反应[5]，导致电池性能衰减[6]，造成安全隐患[7]。因此需要通过车用动力锂电池热管理系统对锂电池进行高温时的散热，保证动力电池工作在适宜的温度范围内，降低动力电池性能衰减速度并消除潜在安全风险[8-10]。测量车用动力锂电池在不同工况下的产热量及温度分布是合理设计车用动力锂电池热管理系统的前提[11-12]，现有的车用动力锂电池产热量测量方法多是在绝热条件下进行测量[13-15]，在等温条件下的热特性研究较少。本文设计了车用动力锂电池等温量热实验系统，在等温条件下测量不同环境温度和充放电电流时车用动力锂电池的产热量，为研究车用动力锂电池在不同工况下的产热量及设计合理的热管理系统提供了依据。

1 系统工作原理及组成

等温量热实验系统由等温量热子系统、温度采集子系统、低温油浴控温子系统、电池测试子系统等组成（见图1）。实验过程中，等温量热子系统在控制实验温度的同时测量电池发热量，由低温油浴控温子系统为等温量热子系统提供恒温油浴，确保等温量热子系统量热室的等温环境。通过电池测试子系统对车用动力锂电池进行不同电流的充放电循环，并用温度采集子系统测量电池表面不同位置的温度，观测电池表面的温度分布及温度变化；最后通过等温量热子系统测量的电池原始热通量曲线，确定电池的实际产热量。等温量热实验系统的设计指标见表1。

图1 等温量热实验系统示意图

表1 等温量热实验系统设计指标

1.1 等温量热子系统

等温量热子系统见图2。等温量热子系统基于功率补偿法在等温环境下测量车用动力锂电池的产热，包括温度控制系统和量热系统。在测试过程中，空气在整个量热室中循环，量热室沉浸在恒温油浴中，温度控制系统采用高精度温度传感器不断监测量热室中的空气温度，通过平衡来自恒温油浴的冷却与内部电加热器的加热，使量热室内的空气温度控制在设定点；量热系统测量维持该平衡点时内部电加热器所提供的热量，并视此热量为等温量热系统的基线。当量热室内的车用动力锂电池产生热量时，温度控制算法通过减少电加热器产生的热量来响应，以将量热室的温度维持在设定点，内部电加热器产生的热量变化即为车用动力锂电池工作过程中产生的热量。

图2 等温量热子系统

1.2 低温油浴控温子系统

低温油浴控温子系统为等温量热子系统提供设定温度值的恒温油浴，确保等温量热子系统量热室的等温 环境。

1.3 温度采集子系统

温度采集子系统用于采集电池表面温度，由温度数据采集仪和温度传感器组成，温度传感器采用热电偶。

2 实验方法

以精密电阻代替实际车用动力锂电池，将精密电阻置于等温量热子系统量热室的中心位置，通过等温量热子系统背部连接端口与电池测试设备连接，待等温量热子系统及低温油浴控温子系统达到设定温度后对精密电阻通入给定电流，模拟车用动力锂电池在不同工况下的发热量，采用等温量热实验系统测量精密电阻的发热量。

3 实验结果

3.1 控温精度

将等温量热子系统的温度分别设定为9、21.5、25、60 ℃，低温油浴温度比等温量热子系统设定点温度低10 ℃。等温量热实验系统温度测试曲线如图3所示，由图可知在不同温度下，等温量热实验系统的恒温控制精度和温度分辨率均满足设计指标的要求。

3.2 最大噪声及基线漂移

精密电阻未通电时的等温量热实验系统的热通量测试曲线如图4 所示，相邻波峰波谷差值小于0.1 W并且曲线偏移量小于0.5 W/h，测试结果满足等温量热实验系统最大噪声和基线漂移设计指标的要求。

3.3 量热精度

在设定实验温度下，分别对精密电阻提供0.2、1.3、34 W 的电能，假设通过电阻的电能100%的转化为热能，采用等温量热实验系统测量精密电阻的发热量。测量结果见图5。

图3 等温量热实验系统温度测试曲线

图4 热通量测试曲线

电阻发热量为0.2 W 时，由于等温量热实验系统自身噪声使得测试曲线在0.2 W 附近波动，但测试曲线上下波动幅度在系统最大噪声0.1 W 范围内，满足测试精度的要求。电阻发热量为1.3 和34 W 时，等温量热实验系统测量电阻发热量的精度也符合要求。

图5 发热量测试曲线

4 结语

本文设计了车用动力锂电池等温量热实验系统，可同时测量锂电池在不同温度和不同充放电倍率下产生的热量以及电池表面的温度；锂电池发热量可作为利用仿真软件建立电池模型时电池热量的输入值，锂电池表面温度可验证电池模型的精度，为选择最佳的锂电池单元及设计有效的热管理系统提供借鉴。此外，本实验平台可作为教学实验平台，提升学生综合利用多学科基础理论解决工程实际问题的能力。