導語：純電動客車熱管理系統(tǒng)設計分析一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要:針對鋰離子電池充放電時的溫度特性，設計一種具有智能調溫功能的動力電池熱管理系統(tǒng)，解決動力電池的降溫和加熱問題。

關鍵詞:純電動客車;動力電池;熱管理系統(tǒng);智能調溫

鋰離子電池以其高工作電壓平臺、高能量密度、循環(huán)壽命長、自放電率低等優(yōu)點，被廣泛地運用于純電動客車［1－2］。然而，鋰離子電池在高溫或低溫下，其充放電性能均受到了制約。若強制放電或充電將會導致其壽命衰減，甚至引發(fā)安全性問題［3］。因此，無論是在南方高溫地區(qū)，還是在北方高寒地區(qū)，純電動客車都需考慮其動力電池的熱管理系統(tǒng)設計，以解決電池的散熱與加熱問題，將電池溫度維持在最佳的工作范圍，提升整車的性能。動力電池熱管理系統(tǒng)包含其冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及其外部電路和控制系統(tǒng)。

1動力電池的冷卻與加熱系統(tǒng)設計

1.1冷卻方式。目前，動力電池主流的散熱系統(tǒng)有風冷和液冷兩種方式。風冷電池箱需要抽取空氣與電池進行熱對流，電池箱的防護等級無法達到IP67。當車輛涉水或淋雨時，電池箱存在進水而引發(fā)電池短路的隱患。因此，風冷的散熱方式可靠性不高，逐漸被淘汰。液冷電池箱采用冷卻液作為導熱介質，通過熱擴散對電池進行熱量傳輸，電池箱的防護等級可以達到IP67以上。因此，動力電池采用液冷系統(tǒng)已成為純電動客車的首選方案。液冷電池箱主要包含電池模組、水冷板、導熱硅脂和電池箱體。電池模組通過導熱硅脂與水冷板形成導熱連接，液冷板上設有進、出水口并延伸到電池箱體外部，如圖1所示。1.2常規(guī)的冷系統(tǒng)。鋰離子電池的最佳工作溫度范圍是20℃～40℃，超出該溫度范圍將導致電池的性能嚴重下降甚至引發(fā)安全事故［4］。常規(guī)的液冷散熱系統(tǒng)是采用散熱器搭載風扇的方式，通過風扇抽取自然風對冷卻液流經的散熱器進行散熱，達到冷卻液降溫的目的。這種方式的散熱效果有限，而且受環(huán)境溫度的影響特別大，尤其是在夏季，完全無法達到電池最佳工作所需的降溫效果。為了滿足電池的散熱需求，需要設計一種幾乎不受環(huán)境溫度影響的冷卻系統(tǒng)。1.3動力電池冷卻系統(tǒng)設計。本文借用空調制冷的原理［5－7］，將空調制冷回路中的蒸發(fā)器替換成熱交換器，然后搭載驅動水路循環(huán)的水泵，將空調對空氣的制冷轉換成對冷卻液的制冷，從而達到了強制制冷的效果。該系統(tǒng)可根據(jù)冷卻液的輸入溫度及輸出溫度需求，智能控制壓縮機、風扇和水泵的功率，調節(jié)系統(tǒng)的制冷量，實現(xiàn)對輸出水溫的控制。1)系統(tǒng)組成。該冷卻系統(tǒng)主要包含電動壓縮機、冷凝器、風扇、膨脹閥、熱交換器、水泵、管路、控制器和線束等，如圖2所示。如圖3所示，冷卻系統(tǒng)工作時，電動壓縮機將制冷劑(一般采用R134a)壓縮成高溫液體，流經冷凝器散熱，通過膨脹閥后成為低溫低壓的濕蒸汽，隨后進入熱交換器的制冷劑通道吸收熱量，從而使熱交換器的溫度降低，最后再回到電動壓縮機中進行下一個制冷循環(huán)。同時，水泵抽取冷卻液通過熱交換器的液體流道，低溫狀態(tài)的熱交換器吸收冷卻液中的熱量，從而達到降低冷卻液溫度的效果。圖3冷卻系統(tǒng)原理圖3)結構布置。從整車的布置空間及安裝的可靠性與便捷性考慮，將冷卻系統(tǒng)的各個部件集成設計在一個箱體內部，組成一個系統(tǒng)部件，并在箱體上設計與外部電路連接的高低壓接口和進出水口(見圖2)。其優(yōu)點是:集成度高，通用性強，可適用于多種純電動客車車型，無需根據(jù)不同車型而改變系統(tǒng)內部零部件的布置及管路設計;在整車的布置與安裝更簡便，容易操作;維護便捷，也便于故障排查，售后成本更低。1.4動力電池加熱系統(tǒng)設計。根據(jù)液冷電池箱的導熱方式，可通過加熱冷卻液的方式對電池進行加熱，從而讓電池的溫度上升。因此，電池加熱系統(tǒng)采用在電池的冷卻循環(huán)水路中串聯(lián)一個水暖PTC電加熱器的方案。當PTC工作時，冷卻液流經PTC加熱后再進入電池箱水冷板，將熱量傳遞給電池，實現(xiàn)對電池的加熱。機電原理如圖4所示。車用級別的PTC加熱器內部一般由控制模塊、加熱模塊、液體流道和殼體組成?？刂颇K設有高壓電開關電路和低壓通訊控制電路，可與電池冷卻系統(tǒng)的控制器進行信息交互。根據(jù)冷卻液的輸入溫度及輸出溫度需求，智能控制PTC高壓開關電路的開啟或關閉，實現(xiàn)加熱模塊的啟動或停止。

2外部電路及控制模式設計

完成了熱管理系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)的設計后，還需要進行其外部高壓和低壓電路的設計，并根據(jù)車輛的使用工況制定相應的控制模式，從而實現(xiàn)智能控制電池溫度的效果。2.1外部電路設計。動力電池熱管理系統(tǒng)工作時，需要直流高壓、直流低壓供電，并通過與BMS建立通訊連接，由BMS控制其熱管理系統(tǒng)的工作模式。因此，動力電池熱管理系統(tǒng)需設計相應的電源接口和通訊接口，通過線束分別與電池和控制系統(tǒng)連接，從而控制熱管理系統(tǒng)的運行。電路連接原理圖如圖5所示。電池熱管理系統(tǒng)中的高壓電用于電動壓縮機或PTC加熱器的供電，低壓電用于風扇、水泵、控制器的供電。2.2控制模式。通過上述設計，電池熱管理系統(tǒng)可以實現(xiàn)充電加熱/制冷、行車加熱/制冷、駐車加熱/制冷、故障診斷與保護、電池系統(tǒng)熱失控保護等功能。1)充電加熱或制冷。當車輛充電時，若BMS檢測到電池的溫度是高于5℃且低于30℃，電池進入充電模式，關閉動力電池熱管理系統(tǒng);若檢測到的電池溫度低于5℃，則開啟動力電池加熱系統(tǒng)，電池進入加熱模式;當電池加熱到5℃時，電池進入充電模式;當電池加熱到10℃時，關閉動力電池加熱系統(tǒng)，電池保持充電模式;若檢測到的電池溫度高于30℃，則電池進入充電模式，同時開啟動力電池冷卻系統(tǒng)給電池降溫;當電池溫度低于26℃時，關閉動力電池冷卻系統(tǒng)。2)行車加熱或制冷。車輛運行時，BMS檢測到電池的溫度低于5℃時，則開啟動力電池加熱系統(tǒng)給電池升溫;當電池加熱到10℃時，關閉動力電池加熱系統(tǒng);當檢測到電池的溫度高于30℃時，開啟動力電池冷卻系統(tǒng)給電池降溫;當電池溫度低于26℃時，關閉動力電池冷卻系統(tǒng)。3)駐車加熱或制冷。車輛啟動前，BMS檢測到電池的溫度低于5℃時，則開啟動力電池加熱系統(tǒng)給電池升溫;當電池加熱到10℃時，關閉動力電池加熱系統(tǒng)，車輛進入可以啟動狀態(tài);當電池的溫度高于30℃時，車輛進入可以啟動狀態(tài)，啟動后開啟動力電池冷卻系統(tǒng)給電池降溫，當電池溫度低于26℃時，關閉動力電池冷卻系統(tǒng)。4)故障診斷與保護。動力電池冷卻系統(tǒng)的控制器實時監(jiān)控著系統(tǒng)的狀態(tài)，系統(tǒng)發(fā)生故障時，能及時關閉動力電池熱管理系統(tǒng)并向BMS發(fā)出警報，由BMS斷開動力電池熱管理系統(tǒng)高壓電。例如:當充電輸入電壓高于或低于設定值時，向BMS發(fā)送過壓或欠壓報警;當制冷劑回路壓力高于或低于設定值時，關閉冷卻系統(tǒng)，并向BMS發(fā)送高壓力或低壓力的故障報警，BMS收到故障信息5s后，斷開液冷繼電器，從而斷開熱管理系統(tǒng)的高壓電;當壓縮機出現(xiàn)空載、過載、溫度過高或通訊故障時，關閉冷卻系統(tǒng)，并向BMS發(fā)送壓縮機故障，BMS收到故障信息5s后，斷開液冷繼電器，從而斷開熱管理系統(tǒng)的高壓電;當水泵或風扇故障時，關閉冷卻系統(tǒng)，并向BMS發(fā)送水泵或風扇故障;當加熱系統(tǒng)故障或通訊故障時，向BMS發(fā)送加熱系統(tǒng)故障;當系統(tǒng)出液溫度低于5℃或高于65℃，且制冷或加熱功能無法正常工作時，向BMS發(fā)送熱管理系統(tǒng)失控故障，BMS收到故障信息后斷開液冷繼電器，從而斷開熱管理系統(tǒng)的高壓電。5)電池系統(tǒng)熱失控保護。當電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障溫度急劇上升時，BMS向整車發(fā)送電池故障報警，同時控制液冷繼電器閉合并向熱管理系統(tǒng)發(fā)送全功率制冷指令，冷卻系統(tǒng)開啟全負荷工作模式，壓縮機、水泵和風扇均以最大功率運轉。當電池溫度持續(xù)上升到設定值時，BMS向熱管理系統(tǒng)發(fā)送下高壓電并保持水泵開啟的指令，熱管理系統(tǒng)關閉高壓電回路，并控制水泵以最大的功率進行運轉，確保冷卻液以最大的流速進行循環(huán)流轉。在壓縮機不工作的情況下，最大限度地為電池降溫，減緩電池的溫升速度，延遲電池熱失控或電池起火的時間，從而增加乘客的逃生時間，保護乘客安全。

3結束語

針對純電動客車動力電池的溫度適應性問題，本文通過研究動力電池的特性和空調的原理，設計了可強制制冷和加熱功能的電池熱管理系統(tǒng)。在動力電池降溫和加熱方面作出了比較全面的解決方案，可靠性高、實用性強，并已在純電動客車規(guī)模化推廣應用，在新車型開發(fā)時具有指導意義。

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作者:周毅鵬 單位:廈門金龍旅行車有限公司