純電動客車動力電池冷卻控制系統(tǒng)設計

王 濤， 王志偉， 王成堯， 余瑩瑩

(安徽安凱汽車股份有限公司， 合肥 230051)

純電動客車采用的鋰電池在充放電過程中會持續(xù)產生熱量[1]。如果散熱量小于發(fā)熱量，電池的工作環(huán)境溫度將不斷升高，會限制電池的放電能力，并降低電池的安全性能，甚至出現熱失控的風險。讓電池在適宜的環(huán)境溫度下工作，降低電池模塊間的溫度極差，既可以保證電池穩(wěn)定的放電能力，又能提高電池的使用壽命。因此，在純電動客車研發(fā)過程中，電池冷卻控制系統(tǒng)的設計非常重要。

1 動力電池冷卻控制系統(tǒng)設計

1.1 動力電池冷卻系統(tǒng)

早期的純電客車多采用自然風冷的方式給電池散熱，這種散熱方式在環(huán)境溫度不高時能滿足電池的散熱需求，但在充電狀態(tài)下幾乎沒有散熱能力，并且環(huán)境溫度較高時散熱效果差。這造成電池工作的環(huán)境溫度不穩(wěn)定，電池經常在高溫下工作，充放電能力衰減嚴重。

隨著純電動客車電池冷卻技術的不斷完善，電池箱體內部布置有水冷板，電池充放電過程中，水冷板中的冷卻液會帶走多余的熱量，讓電池處于一個相對穩(wěn)定且適宜的工作溫度，能提高電池使用壽命，提升電池充放電能力，降低動力電池熱失控風險。液冷散熱是目前廣泛使用的一種更高效、更穩(wěn)定的散熱方式。主要有兩種技術路線，一種是采用獨立水冷機組的獨立式方案；另一種是與整車電空調系統(tǒng)合并的集成式方案[1]。

1.2 動力電池冷卻系統(tǒng)架構設計

本文動力電池單元充電溫度在0 ℃～55 ℃、放電溫度在-20 ℃～60 ℃范圍內(實際電池溫度)處于可運行狀態(tài)。最佳充放電溫度范圍為20 ℃～35 ℃，電池處于最佳溫度范圍內充放電時，可使電池性能最優(yōu)及循環(huán)壽命最大化[2-3]，且能有效地避免電池熱失控問題。本文綜合整車成本與性能考慮，采用與空調集成的電池液冷系統(tǒng)，其架構如圖1所示。

圖1 集成空調式電池液冷系統(tǒng)架構圖

1.3 電池水冷控制策略

根據某型電池的技術要求，BMS會檢測電池箱水冷板進水口水溫，發(fā)送“制冷”、“關機”、“自循環(huán)”三種指令。水冷機組執(zhí)行BMS指令，實現BMS對電池溫度的控制。制冷模式下水冷機組工作給冷卻液降溫，同時水泵工作，保證電池箱水冷板冷卻液流動；自循環(huán)模式下水冷機組停機，僅水泵工作，保證冷卻液流動；關機模式下水冷機組和水泵都停機[4-6]。

電池的整個水冷控制分為行車和充電兩個工況：

1) 在行車工況下，電池單體最高溫度≥30 ℃且電池單體最低溫度≥26 ℃時，電池冷卻系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。當進水口水溫≥15 ℃，BMS發(fā)送“制冷”指令；當12 ℃<進水口水溫<15 ℃，如果BMS前一個指令為“制冷”，則繼續(xù)發(fā)送“制冷”，如果BMS前一個指令為“關機”或“自循環(huán)”，則發(fā)送“自循環(huán)”；當進水口水溫≤12 ℃，BMS發(fā)送“自循環(huán)”指令。電池單體最高溫度≤26 ℃，電池冷卻系統(tǒng)退出工作狀態(tài)。

2) 在充電工況下，相同的是，電池單體最高溫度≥30 ℃且電池單體最低溫度≥26 ℃時，電池冷卻系統(tǒng)進入工作狀態(tài)。不同的是，當進水口水溫≥10 ℃，BMS發(fā)送“制冷”指令；當7 ℃<進水口水溫<10 ℃，如果BMS前一個指令為“制冷”，則繼續(xù)發(fā)送“制冷”，如果BMS前一個指令為“關機”或“自循環(huán)”，則發(fā)送“自循環(huán)”;當進水口水溫≤7 ℃，BMS發(fā)送“自循環(huán)”指令。電池單體最高溫度≤26 ℃，電池冷卻系統(tǒng)退出工作狀態(tài)[7]。

2 集成空調式液冷高壓系統(tǒng)設計

2.1 空調高壓電路設計

本設計的電池水冷機組與整車電空調集成在一起，按照電池水冷控制策略要求，水冷機組在行車和充電工況都要能夠進入工作狀態(tài)[8-9]。因此，整車電空調的高壓電路要針對水冷機組的工作條件作相應更改，以便水冷機組能及時響應BMS指令。

普通空調接觸器在主接觸器后端，只有在整車上電完成、主接觸器閉合后，才能閉合空調接觸器開啟空調。這種設計滿足普通空調的使用條件，但是不滿足集成空調式的電池液冷使用條件。更改方案是將集成空調式電池液冷系統(tǒng)的高壓電路移動到主接觸器前端，如圖2所示，以保證BMS在充電工況下的電池水冷需求。

圖2 集成空調式電池液冷系統(tǒng)高壓電路示意圖

2.2 空調高壓控制系統(tǒng)設計

普通空調控制邏輯相對簡單?？照{面板開啟空調后，空調控制器發(fā)出“空調工作請求”，整車控制器接收到請求后，閉合空調繼電器，確定空調系統(tǒng)完成上高壓電后，整車控制器發(fā)出“空調工作允許”，空調控制器開始控制空調工作?？照{面板關閉空調時，空調停機并斷開空調內部繼電器，空調控制器發(fā)出“空調關閉請求”，整車空調系統(tǒng)下高壓電。

與電池水冷機組集成的空調包含電池水冷和乘客區(qū)制冷兩大功能。為了防止空調系統(tǒng)上高壓電過程中控制邏輯混亂，空調系統(tǒng)上電邏輯需要重新設計。其控制原理如下：

1) 乘客區(qū)空調面板開啟空調或者BMS發(fā)送“制冷”或“自循環(huán)”指令，空調控制器發(fā)出“空調工作請求”，整車控制器接收到請求后，閉合空調繼電器，確定空調系統(tǒng)完成上高壓后，整車控制器發(fā)出“空調工作允許”，空調控制器再根據空調面板信息或BMS指令執(zhí)行乘客區(qū)空調制冷或電池水冷功能。

2) 空調面板關閉空調時，空調控制器關閉乘客區(qū)空調并斷開乘客區(qū)空調內部繼電器，BMS發(fā)送“關機”指令時，空調控制器關閉水冷機組并斷開水冷機組內部繼電器。只有BMS發(fā)送“關機”指令且空調面板關閉空調時，空調控制器才能發(fā)出“空調關閉請求”，防止該空調的兩大功能出現相互干擾的情況。

為了滿足整車出現故障時下電的功能要求，在整車控制器發(fā)出“空調工作允許”指令變成“空調工作禁止”指令時，空調無論在執(zhí)行電池水冷功能還是乘客區(qū)制冷功能，都需要立即停機并斷開空調內部繼電器。

3 實車驗證

為了驗證該設計的可靠性，在某6 m純電動客車上安裝了本設計的電池冷卻控制系統(tǒng)。并針對充電狀態(tài)下BMS、空調控制器、整車控制器之間的通訊情況和空調工作情況進行實驗。

如圖3所示，在乘客區(qū)空調關閉的情況下，BMS檢測到電池單體最高溫度≥30 ℃且電池單體最低溫度≥26 ℃，BMS發(fā)出制冷指令。BMS發(fā)出制冷指令后，空調發(fā)出工作請求，整車控制器在閉合空調接觸器后，發(fā)出空調工作允許，空調開始工作；BMS發(fā)出自循環(huán)指令后，水泵繼續(xù)工作，空調停止工作；BMS檢測到電池單體最高溫度≤26 ℃，BMS發(fā)出停機指令。BMS發(fā)出停機指令后，空調停機，水泵停機，并且空調控制器發(fā)出空調關閉請求，整車控制器斷開空調接觸器，斷開空調高壓電路電源。結果顯示，空調工作過程與設計要求一致，實車驗證完成。

圖3 空調工作過程示意圖

4 結束語

純電動客車動力電池冷卻系統(tǒng)關系到車輛的安全性和續(xù)航里程。本文設計了一種將電池水冷功能與乘客區(qū)制冷功能集成在一起的電空調的高壓電路和控制系統(tǒng)，經過實車驗證，滿足電池水冷的控制要求。