淺談動(dòng)力電池?zé)峁芾?br/>——東風(fēng)富康ES500簡易版電池?zé)峁芾碓矸治?/h1>

2019-10-28 01:19:30張晶

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關(guān)鍵詞：暖風(fēng)冷卻液動(dòng)力電池

張 晶

（武漢市交通學(xué)校，湖北 武漢 430205）

隨著當(dāng)今社會(huì)的不斷發(fā)展，純電動(dòng)汽車越來越多地出現(xiàn)在消費(fèi)者的面前，電動(dòng)車取代燃油車已成為必然。因此，電動(dòng)汽車電池性能的增強(qiáng)和續(xù)駛里程的增加成為支撐整個(gè)行業(yè)持續(xù)發(fā)展，符合市場化需要的重要途徑和必然趨勢，對推進(jìn)社會(huì)各行各業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義。

東風(fēng)富康ES500轎車是東風(fēng)雪鐵龍、東風(fēng)標(biāo)致品牌母公司--神龍汽車有限公司自主生產(chǎn)的一款純電動(dòng)汽車，該車于2018年11月正式上市，搭載了國產(chǎn)自主生產(chǎn)的三相永磁同步電機(jī) （最大功率90 kW，峰值扭矩260 Nm）及兩級減速器。匹配的高壓動(dòng)力電池是寧德時(shí)代公司生產(chǎn)的三元 （鎳鈷錳）鋰電池，該電池總體標(biāo)稱電壓為350.4 V（共含有192個(gè)電壓為3.65 V的單體電池，連接方式是兩兩并聯(lián)后串聯(lián)），容量49 kWh，為車輛的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)、電子暖風(fēng)加熱器PTC等高壓部件供電。

東風(fēng)富康ES500轎車，采用了簡易版電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。在充電過程中，根據(jù)動(dòng)力電池的溫度狀況，系統(tǒng)控制電池的升溫或降溫，使電池在理想的溫度下進(jìn)行充電，從而延長電池使用壽命，增加車輛續(xù)駛里程。下面介紹簡易版電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的部件作用及工作原理。

1 簡易版電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)所涉及部件的位置與作用

東風(fēng)富康ES500電動(dòng)汽車簡易版電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)所涉及的部件有：動(dòng)力電池控制單元 （BMS）、電機(jī)控制單元（MCU）、電池溫度控制器 （BCU）、空調(diào)控制電腦 （AC）、空調(diào)壓縮機(jī)、電子暖風(fēng)加熱器 （PTC）、電子暖風(fēng)水泵 （PTC水泵）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)電動(dòng)水泵 （EWP）、空調(diào)電磁閥、空調(diào)電磁膨脹閥、暖風(fēng)三通閥、電池冷卻循環(huán)水泵、電池進(jìn)水口溫度傳感器、冷凝器風(fēng)扇和電池?zé)峤粨Q裝置，如圖1所示。它們在車上的具體位置如圖2所示。

簡易版電池?zé)峁芾碇懈鞑考淖饔萌缦隆?/p>

1）動(dòng)力電池控制單元 （BMS）。BMS安裝在動(dòng)力電池的內(nèi)部，不可單獨(dú)更換。在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中主要作用有：①確認(rèn)動(dòng)力電池的快／慢充電情況；②確認(rèn)動(dòng)力電池內(nèi)部溫度信息；③電池降溫時(shí)，控制動(dòng)力電池給空調(diào)壓縮機(jī)供電；④電池升溫時(shí)，控制動(dòng)力電池給電子暖風(fēng)加熱器 （PTC）供電。

2）電機(jī)控制器 （MCU）。MCU是車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制單元，也是全車車載網(wǎng)絡(luò)H-CAN（高壓系統(tǒng)網(wǎng)）和P-CAN（低壓系統(tǒng)網(wǎng)）的網(wǎng)關(guān)。其控制車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)的充／放電，安裝在車載充電機(jī)下方，驅(qū)動(dòng)電機(jī)上方，打開引機(jī)蓋即可看到。在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的主要作用是：①將BMS發(fā)出的電池升溫／降溫信息通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給空調(diào)控制電腦 （AC）和電池溫度控制器 （BCU）；②命令驅(qū)動(dòng)電機(jī)電動(dòng)水泵 （EWP）給冷凝器風(fēng)扇供電。

3）電池溫度控制器 （BCU）。BCU安裝在駕駛員座椅的下方。主要作用是：①接受BMS通過網(wǎng)絡(luò)傳遞的電池升溫／降溫的命令，控制空調(diào)電磁閥和電磁膨脹閥的開／關(guān)；②接收電池進(jìn)水口溫度傳感器的信息；③命令電池冷卻循環(huán)水泵開啟／關(guān)閉。

4）空調(diào)控制單元 （AC）。AC安裝在空調(diào)面板后方。主要作用是：接受BMS通過網(wǎng)絡(luò)傳遞的電池升溫／降溫的命令，控制空調(diào)壓縮機(jī)或電子暖風(fēng)加熱器 （PTC）及電子暖風(fēng)水泵（PTC水泵）工作。

圖1 簡易版電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)部件圖

圖2 簡易版電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)部件位置圖

5）電子暖風(fēng)加熱器 （PTC）和電子暖風(fēng)水泵 （PTC水泵）。兩部件安裝在機(jī)艙左下部。在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的作用是：PTC水泵接收空調(diào)電腦 （AC）的命令，PTC接收動(dòng)力電池的高壓電，加熱PTC冷卻液并使加熱后的PTC冷卻液循環(huán)。

6）驅(qū)動(dòng)電機(jī)電動(dòng)水泵 （EWP）。EWP安裝在機(jī)艙左下部。在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，主要作用是：接受MCU通過HCAN網(wǎng)絡(luò)傳遞的命令，控制冷凝器風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)。

7）電池循環(huán)水泵。安裝在車輛底盤上，前托架后方上部，動(dòng)力電池前部。主要作用是：接受電池溫度控制器（BCU）的控制命令，使電池冷卻液循環(huán)。

8）熱交換裝置。安裝在驅(qū)動(dòng)電機(jī)后部。主要作用是：在電池升溫／降溫時(shí)，利用熱傳遞原理，通過空調(diào)制冷劑（R134a）和PTC冷卻液在該裝置內(nèi)對電池冷卻液進(jìn)行降溫／升溫，使動(dòng)力電池在理想溫度下充電。

9）空調(diào)電磁閥和空調(diào)電磁膨脹閥。前者安裝在空調(diào)高壓管路上，后者安裝在熱交換裝置前部。在動(dòng)力電池降溫時(shí)，電池溫度控制器 （BCU）命令空調(diào)電磁閥關(guān)閉，電磁膨脹閥開啟，這樣，制冷劑 （R134a）將進(jìn)入熱交換裝置而不進(jìn)入蒸發(fā)器。此時(shí)，在電池充電狀態(tài)下優(yōu)先保證電池降溫，由于制冷劑無法經(jīng)過蒸發(fā)器，所以座艙內(nèi)無空調(diào)制冷。

10）暖風(fēng)三通閥。安裝在兩級減速器后部，驅(qū)動(dòng)電機(jī)左后部。在驅(qū)動(dòng)電池升溫時(shí)，電池溫度控制器 （BCU）命令暖風(fēng)三通閥變換位置，使原來流經(jīng)暖風(fēng)水箱的PTC冷卻液轉(zhuǎn)而流經(jīng)熱交換裝置。此時(shí)，在電池充電狀態(tài)下優(yōu)先保證電池升溫，由于PTC冷卻液無法經(jīng)過暖風(fēng)水箱，所以座艙內(nèi)無空調(diào)暖風(fēng)。

11）電池進(jìn)水口溫度傳感器。安裝在電池冷卻液進(jìn)水管上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)后方。在熱管理系統(tǒng)中的主要作用是：反饋電池冷卻液進(jìn)水口溫度信息給電池溫度控制器 （BCU），BCU根據(jù)此信息并結(jié)合電池內(nèi)部溫度信息控制電池升溫／降溫的開啟與關(guān)閉。

12）空調(diào)壓縮機(jī)。安裝在機(jī)艙右下部。在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，主要作用是：在驅(qū)動(dòng)電池降溫時(shí)，接受空調(diào)控制單元（AC）的啟動(dòng)命令，使制冷劑R134a在空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行循環(huán)，并在熱交換裝置內(nèi)部對電池冷卻液進(jìn)行熱傳遞，使之降溫。

2 簡易版電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

簡易版電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 簡易版電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

在該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中共存在3個(gè)循環(huán)：①動(dòng)力電池冷卻液循環(huán)，見圖3中綠色箭頭；②PTC冷卻液循環(huán)，見圖3中紅色箭頭；③R134a空調(diào)制冷劑循環(huán)，見圖3中藍(lán)色箭頭。

2.2 動(dòng)力電池升溫工作原理

動(dòng)力電池升溫電路原理如圖4所示，圖示說明見表1。

圖4 動(dòng)力電池升溫電路原理簡圖

表1 動(dòng)力電池升溫電路原理簡圖圖示說明

1）當(dāng)動(dòng)力電池最低溫度低于15℃且平均溫度低于17℃（快充時(shí)），或動(dòng)力電池最低溫度低于0℃且平均溫度低于2℃（慢充時(shí)），系統(tǒng)控制動(dòng)力電池開始升溫。

2）電池溫度控制器 （BCU）接收從動(dòng)力電池控制單元（BMS）通過網(wǎng)絡(luò)傳遞過來的制熱請求信息，并將此信息傳遞給空調(diào)控制單元 （AC）。收到制熱信息之后，BCU控制暖風(fēng)三通閥關(guān)閉暖風(fēng)水箱通道，打開熱交換裝置通道，并命令電池循環(huán)水泵開啟工作；AC控制PTC水泵啟動(dòng)，并且發(fā)出要求電子暖風(fēng)加熱器 （PTC）啟動(dòng)的命令，動(dòng)力電池組提供350.4 V高壓電給PTC，PTC啟動(dòng)并加熱PTC冷卻液。同時(shí)，BCU還要通過電池進(jìn)水口溫度傳感器監(jiān)控電池進(jìn)水口溫度信息，防止電池升溫過度。

3）電池升溫時(shí)的PTC冷卻液循環(huán)為：PTC水泵→熱交換裝置→三通閥→電子暖風(fēng)加熱器 （PTC）→PTC水泵；電池冷卻液循環(huán)為：電池循環(huán)水泵→動(dòng)力電池組 （動(dòng)力電池控制單元）→熱交換裝置→電池循環(huán)水泵。在熱交換裝置內(nèi)，溫度高的PTC冷卻液與電池冷卻液進(jìn)行熱傳遞，對溫度較低的電池冷卻液進(jìn)行升溫。PTC冷卻液水壺和電池冷卻液水壺分別儲(chǔ)存冷卻液，并在循環(huán)過程中為系統(tǒng)提供充足的冷卻液。PTC冷卻液水壺和電池冷卻液水壺如圖5所示。

4）當(dāng)電池進(jìn)水口溫度高于50℃，動(dòng)力電池升溫停止。電池溫度控制器 （BCU）控制三通閥復(fù)位 （打開暖風(fēng)水箱通道）。BCU將動(dòng)力電池升溫停止信息通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給空調(diào)控制單元 （AC）和電池控制單元 （BMS），AC收到信息后將發(fā)出關(guān)閉電子暖風(fēng)加熱器 （PTC）指令并關(guān)閉PTC冷卻液泵，BMS停止給PTC輸出高壓電，加熱停止。

圖5 機(jī)艙各冷卻液水壺位置圖

5）當(dāng)動(dòng)力電池最低溫度高于20℃且平均溫度高于22℃（快充時(shí)），或動(dòng)力電池最低溫度高于5℃且平均溫度高于7℃（慢充時(shí)），電池溫度控制器 （BCU）命令電池冷卻液泵停止工作，電池冷卻液停止循環(huán)。

2.3 動(dòng)力電池降溫工作原理

動(dòng)力電池降溫電路原理如圖6所示，圖示說明見表2。

圖6 動(dòng)力電池降溫電路原理簡圖

表2 動(dòng)力電池降溫電路原理簡圖圖示說明

1）當(dāng)動(dòng)力電池最低溫度高于32℃且平均溫度高于30℃（快充時(shí)），或動(dòng)力電池最低溫度高于35℃且平均溫度高于33℃ （慢充時(shí)），系統(tǒng)控制動(dòng)力電池開始降溫。

2）電池溫度控制器 （BCU）接收從動(dòng)力電池控制單元（BMS）通過網(wǎng)絡(luò)傳遞過來的制冷請求信息，并將此信息傳遞給空調(diào)控制單元 （AC）。收到制冷信息之后，BCU控制空調(diào)電磁閥關(guān)閉、電磁膨脹閥打開，此時(shí)蒸發(fā)器通道關(guān)閉，熱交換裝置通道打開，并且BCU還命令電池循環(huán)水泵開啟工作；AC發(fā)出要求空調(diào)壓縮機(jī)啟動(dòng)的命令，動(dòng)力電池組提供350.4 V高壓電給空調(diào)壓縮機(jī)，壓縮機(jī)啟動(dòng)，同時(shí)電機(jī)控制器 （MCU）還要命令驅(qū)動(dòng)電機(jī)電動(dòng)水泵 （EWP）給冷凝器風(fēng)扇供電。此外，BCU還要通過電池進(jìn)水口溫度傳感器監(jiān)控電池進(jìn)水口溫度信息，防止電池降溫過度。

3）電池降溫時(shí)的R134a制冷劑循環(huán)為：空調(diào)壓縮機(jī)→冷凝器→電磁膨脹閥→熱交換裝置→空調(diào)壓縮機(jī)；電池冷卻液循環(huán)為：電池循環(huán)水泵→動(dòng)力電池組 （動(dòng)力電池控制單元）→熱交換裝置→電池循環(huán)水泵。在熱交換裝置內(nèi)，低溫的制冷劑R134a與電池冷卻液進(jìn)行熱傳遞，帶走電池冷卻液的熱量對其進(jìn)行降溫。電池冷卻液水壺儲(chǔ)存電池冷卻液，在循環(huán)過程中為系統(tǒng)提供充足的冷卻液。

4）當(dāng)電池進(jìn)水口溫度低于15℃，動(dòng)力電池降溫停止。電池溫度控制器 （BCU）控制空調(diào)電磁閥打開、電磁膨脹閥關(guān)閉，此時(shí)蒸發(fā)器通道打開，熱交換裝置通道關(guān)閉。BCU將動(dòng)力電池降溫停止信息通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給空調(diào)控制單元 （AC）和電池控制單元 （BMS），AC收到信息后將發(fā)出關(guān)閉空調(diào)壓縮機(jī)指令，BMS停止給壓縮機(jī)輸出高壓電，同時(shí)電機(jī)控制器（MCU）命令驅(qū)動(dòng)電機(jī)電動(dòng)水泵 （EWP）不再給冷凝器風(fēng)扇供電。降溫停止。

5）當(dāng)動(dòng)力電池最高溫度低于28℃且平均溫度低于26℃，電池溫度控制器 （BCU）命令電池冷卻液泵停止工作，電池冷卻液停止循環(huán)。

3 結(jié)束語

簡易版電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)只有在純充電情況下才能對動(dòng)力電池進(jìn)行升／降溫，在車輛正常行駛過程中，電池不進(jìn)行熱管理。電池溫度控制器 （BCU）根據(jù)條件要求空調(diào)壓縮機(jī)和電子暖風(fēng)加熱器 （PTC）自動(dòng)工作，讓電池在合適的溫度下進(jìn)行充電。充電時(shí)，駕駛艙內(nèi)暫時(shí)不允許空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行制冷或制熱，BCU優(yōu)先考慮充電時(shí)動(dòng)力電池的升／降溫。

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