某電動(dòng)客車動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)及驗(yàn)證

張景濤， 李明濤， 張禮憲, 周雨輝， 魏 濤

(中通客車控股股份有限公司， 山東 聊城 252000)

目前，動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)按照傳熱介質(zhì)可以分為空氣冷卻技術(shù)(ACS)、相變材料冷卻系統(tǒng)(PCM-BTMS)和液體冷卻系統(tǒng)(LCS)[1]。空氣冷卻成本低廉，工藝簡單，便于維修和維護(hù)，實(shí)際產(chǎn)品大多采用此種冷卻方式[2-3]。相變材料冷卻優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、性能安全、不需要額外能量，但系統(tǒng)體積及能量密度較低[4-5]。與空氣冷卻技術(shù)相比，液體冷卻技術(shù)具有較好的散熱效果，基本可以在全環(huán)境工況下使用，但是整個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜，成本較高，難以維護(hù)[6-9]。本文針對(duì)某電動(dòng)客車夏季頻發(fā)的高溫問題,進(jìn)行動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，并對(duì)該改進(jìn)設(shè)計(jì)的液冷系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析和測試驗(yàn)證。

1 某電動(dòng)客車動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)的改進(jìn)

某電動(dòng)客車原先采用的是自然冷卻方式，常溫(25 ℃)工作時(shí)電池系統(tǒng)一個(gè)循環(huán)(1C 放電/1C 充電)溫升在10～15 ℃，電芯之間的溫差為3～5 ℃，電池系統(tǒng)可以保持良好的工作狀態(tài)。低溫環(huán)境下，電池自帶的加熱系統(tǒng)可以保證電池正常工作。但南方高溫環(huán)境下的冷卻問題就非常棘手，如環(huán)境溫度在 40 ℃，電池系統(tǒng)超過1個(gè)循環(huán)(1C 放電/1C 充電)，電池溫度就要達(dá)到55 ℃以上。由于電池在55 ℃的溫度工作時(shí)的循環(huán)壽命是25 ℃循環(huán)壽命的一半左右，而且電池超過60 ℃電池內(nèi)部副反應(yīng)增多,也會(huì)嚴(yán)重影響電池的性能及壽命，所以解決夏季高溫問題是電池?zé)峁芾淼碾y點(diǎn)和重點(diǎn)。

為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一套液冷系統(tǒng)以滿足該款電動(dòng)客車在南方高溫地區(qū)大負(fù)荷運(yùn)營的需求。該動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)主要是內(nèi)部通過金屬液冷板和導(dǎo)熱裝置對(duì)電池進(jìn)行直接熱交換，外部通過一整套車載空調(diào)設(shè)備來控制管道和金屬液冷板內(nèi)的液體溫度，車載空調(diào)設(shè)備通過CAN通訊與電池的BMS進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊以便對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行在線控制。圖1為動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)的原理圖，從圖中可以看出動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)的具體構(gòu)成。

圖1 動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)原理圖

動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)內(nèi)部是帶有管道的金屬鋁板，液冷板和電芯之間可以填充導(dǎo)熱膠等材料(也可以加入熱管增加熱量的傳導(dǎo)速度，但成本較高)以增加傳導(dǎo)效率，液冷板內(nèi)的流道設(shè)計(jì)一般采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，以便減小進(jìn)出口的溫差。液冷系統(tǒng)的外部結(jié)構(gòu)通常是由壓縮機(jī)、冷凝器、板式散熱器、膨脹閥、控制器、水箱等構(gòu)成，結(jié)果跟常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)類似。外部液冷系統(tǒng)的控制器通過CAN總線與BMS及整車控制器通訊，根據(jù)實(shí)際需求實(shí)時(shí)調(diào)控液體的流速和溫度以便達(dá)到最優(yōu)的溫度控制效果。液冷系統(tǒng)中的液體一般采用防凍液(50%水+50%乙二醇)，在系統(tǒng)中加入PTC加熱裝置后可以在冬季實(shí)現(xiàn)低溫加熱的功能，這樣就可以滿足液冷系統(tǒng)全溫度的適應(yīng)性。

2 液冷系統(tǒng)的仿真分析及驗(yàn)證

2.1 仿真分析

為了考察改進(jìn)后的動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的效果是否能滿足要求，首先用有限元分析軟件ANSYS對(duì)該液冷散熱系統(tǒng)進(jìn)行熱仿真分析。根據(jù)該電動(dòng)客車的實(shí)際運(yùn)營需求，設(shè)定環(huán)境溫度為40 ℃(恒定)，按照表1的充放電矩陣表，SOC充電至80%后放電至15%，電芯的溫度≥35 ℃時(shí)開啟水冷降溫，電芯的溫度≤28 ℃時(shí)關(guān)閉水冷系統(tǒng), 設(shè)定進(jìn)水口溫度為25 ℃、流速為10 L/min的邊界條件進(jìn)行仿真分析。

表1 充放電矩陣表

注：C代表充電倍率，1C代表一個(gè)小時(shí)充滿電，0.1C代表1/0.1=10小時(shí)充滿

從仿真數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)設(shè)定進(jìn)水口的溫度為25 ℃時(shí)，出水口的溫度為30.2 ℃，液冷金屬板的溫度在27～30.5 ℃，液冷板的溫差在4 ℃以內(nèi)；電芯的最高溫度為39.8 ℃，整體電芯的溫差控制在5 ℃左右。從溫度云圖得知并聯(lián)中的3塊冷板流量基本一致，分水器及管路可滿足設(shè)計(jì)需求，仿真結(jié)果說明液冷系統(tǒng)對(duì)電池系統(tǒng)的冷卻效果十分明顯。

2.2 測試驗(yàn)證

對(duì)改進(jìn)后的動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測試，模擬該電動(dòng)客車的實(shí)際運(yùn)營需求，整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)置于40 ℃的環(huán)境艙內(nèi)8 h，保證電池的實(shí)際溫度與環(huán)境溫度相同，試驗(yàn)按照仿真的邊界條件進(jìn)行測試。測試持續(xù)4個(gè)循環(huán)，BMS自動(dòng)記錄動(dòng)力電池在測試過程中的電壓、電流、溫度及SOC等電池的狀態(tài)信息。

從圖2可以看出，在電池的充放電過程中(SOC在85%～15%之間),液冷系統(tǒng)對(duì)電池持續(xù)降溫，電池的最低溫度在26 ℃左右，與進(jìn)水口溫度非常接近,說明電池系統(tǒng)的導(dǎo)熱良好；充電過程中由于充電電流較大，導(dǎo)致電池溫度持續(xù)升高，但電池的最高溫度仍然在42 ℃以下，所以電池可以很好地在合適的溫度區(qū)間內(nèi)工作。測試過程中，充電最高溫度為42 ℃，充電溫升 12 ℃，放電過程中進(jìn)行降溫，溫度降至26 ℃，溫差控制在5 ℃，液冷系統(tǒng)的作用非常明顯，液冷系統(tǒng)的有效性也得到充分的驗(yàn)證。

圖2 電池溫度曲線

同時(shí)從表2中測試結(jié)果和仿真結(jié)果的對(duì)比可以看出，測試的溫升比仿真的溫升整體偏高2～3 ℃，原因主要是測量誤差、實(shí)際環(huán)境誤差、計(jì)算誤差等。但仿真結(jié)果和實(shí)測結(jié)果的變化趨勢(shì)相同，可以認(rèn)為仿真結(jié)果基本符合實(shí)際情況，也就是說仿真結(jié)果和測試結(jié)果同時(shí)證明了液冷系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)溫度控制的有效性。

表2 仿真結(jié)果與測試結(jié)果對(duì)比 ℃

3 結(jié)束語

經(jīng)過系統(tǒng)仿真分析和實(shí)物測試驗(yàn)證，證明某電動(dòng)客車的新型動(dòng)力電池液冷系統(tǒng)在動(dòng)力電池的熱管理中有非常顯著的作用，在實(shí)際應(yīng)用中可以使用液冷系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行全環(huán)境的溫度控制，以保證電池在最優(yōu)的溫度下工作，進(jìn)而大幅提升動(dòng)力電池系統(tǒng)的性能。

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