電動客車電池熱管理系統(tǒng)設(shè)計

勞中建，胡錦爐，鐘東文，許海峰，陳 程

（廣州通達汽車電氣股份有限公司，廣州 510700）

0 引言

電動汽車是國家重要戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)［1］，純電動公共交通車輛是電動汽車領(lǐng)域優(yōu)先發(fā)展板塊，可有效解決城市環(huán)保問題，也是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的重要支持。純電動公交車使用的動力電池，對與溫度相關(guān)的電池安全性、性能穩(wěn)定性、電池壽命等要求越來越高，因此，提供溫度控制功能的電池熱管理系統(tǒng)尤為重要。電池熱管理系統(tǒng)主要作用為管理電池溫度，無論是在低溫還是在高溫環(huán)境下，都必須使電池始終處在適宜的溫度范圍內(nèi)工作［2］。電動客車使用的動力電池現(xiàn)在均為鋰電池，但是由于鋰電池的技術(shù)限制，溫度過低會影響鋰電池充放電和續(xù)航能力，溫度過高會導(dǎo)致電池單體衰減不平衡使壽命變短。研究表明，隨著溫度的升高，電池電壓下降速率增大，電池內(nèi)部化學反應(yīng)越來越活潑，自放電越來越大［3］。為提高純電動公交車續(xù)航里程和電池壽命，采用熱管理系統(tǒng)控制電池溫度處于最佳范圍內(nèi)，不僅有利于提高純電動公交車的續(xù)航里程，還有利于提高動力電池的使用壽命。

電池熱管理系統(tǒng)具備散熱及加熱兩種溫度調(diào)節(jié)方式。動力電池散熱目前主要可分為空冷散熱、相變材料散熱以及液冷散熱［4］。其中空冷散熱又分為強制風冷散熱系統(tǒng)和自然對流散熱系統(tǒng)，液冷散熱又分為水冷系統(tǒng)和直冷系統(tǒng)?？绽渖岱绞浇Y(jié)構(gòu)簡單［5］、成本低，但冷卻速度較慢、散熱效率不高，很難保證電池均溫性，僅適用于能量密度比較小的動力電池散熱。相變材料通過恒溫可快速吸收潛熱，在一定工況范圍內(nèi)可起到調(diào)溫作用，但當電池發(fā)熱功率太大時，仍需通過其他散熱方式把熱傳遞到外面，并且在車載環(huán)境下，振動可能會導(dǎo)致材料分布不均，影響電池均溫性［6］。液體冷卻換熱效率高、散熱功率大、冷卻效果快、電池溫度分布相對較均勻、結(jié)構(gòu)相對簡單。其中直冷系統(tǒng)由于采用單獨的制冷機組及制冷劑直接冷卻，雖然冷卻速度最快，但由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，既增加整車重量，又擠占整車空間，也提高了整車制造成本。水冷系統(tǒng)不但冷卻效果顯著，結(jié)構(gòu)相對簡單，成本也較低，便于采用智能控制技術(shù)，使電池的溫度控制在預(yù)期范圍內(nèi)，而且水冷系統(tǒng)由于水溶液熱容較大，溫度變化相對平緩，有利于控制電池溫度，減小波動，提高電池溫度均勻性。動力電池在低溫情況下使用會影響車輛里程或產(chǎn)生析鋰現(xiàn)象，造成電池損壞，所以在低溫情況下需要給電池預(yù)熱。電池加熱方式有電池自加熱和環(huán)境加熱，電池自加熱通過在電池正、負極上施加交流電對電池進行加熱［7］；環(huán)境加熱主要有風暖加熱及液體加熱。

本文設(shè)計的電池熱管理系統(tǒng)采用液體散熱及加熱方式，根據(jù)實時采集的進水溫度，自動切換冷卻、加熱回路，智能調(diào)整冷卻及加熱功率，實現(xiàn)精準控制電池的溫度，使電池始終工作于適宜溫度內(nèi)，可有效降低能耗、提高電池工作穩(wěn)定性及延長壽命［8］。

1 電池熱管理系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)主要由熱管理控制模塊、顯示模塊、水循環(huán)模塊及制冷模塊組成，系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總原理

1.1 水循環(huán)模塊

水循環(huán)模塊是電池包直接冷卻及加熱模塊，通過管道把冷板、加熱器、板式換熱器及電子水泵連接起來，采用直流無刷電子水泵強制冷卻液進行熱循環(huán)，在制冷時通過冷板把電芯熱量帶走，在加熱時可啟動加熱器，通過冷板給電芯進行加熱。冷卻液采用水和乙二醇混合溶液，具備熱容大且工作溫度范圍較廣的優(yōu)點。直流無刷電子水泵采用PWM 控制方式，可實現(xiàn)無級調(diào)速，提高系統(tǒng)可控性。加熱器采用PTC 加熱器，結(jié)構(gòu)相對簡單，加熱速度快，并且在極低溫下也能正常啟動。

1.2 制冷模塊

制冷模塊是一套空調(diào)系統(tǒng)，通過板式換熱器與水循環(huán)模塊進行熱交換。因為電池工作溫度要求比較嚴格，當環(huán)境溫度高于電池最佳工作溫度時，單靠風冷式散熱無法達到很好的散熱效果，而空調(diào)系統(tǒng)則可以提供低于環(huán)境溫度的制冷能力。制冷模塊包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥整套空調(diào)冷卻系統(tǒng)，利用空調(diào)系統(tǒng)對冷卻液進行降溫，再通過降溫后的制冷劑與板式換熱器內(nèi)冷卻液進行熱交換，最后通過冷卻液對電池包進行冷卻［9］。采用高電壓的渦旋式壓縮機和環(huán)保型制冷制，環(huán)保節(jié)能且靜音效果好，具備過壓保護、欠壓保護、短路保護、缺相保護、過載保護、過熱保護等功能，同時帶有CAN 總線功能，可通過CAN總線控制啟停及調(diào)速，發(fā)生故障時也能及時反饋故障信息給系統(tǒng)。冷凝器是空調(diào)系統(tǒng)的散熱機件，通過把氣體或蒸氣轉(zhuǎn)換為液體形成放熱，并由其上的直流無刷電子風扇把管內(nèi)熱量散發(fā)到空氣中。

1.3 控制模塊

控制模塊具備溫度采樣及控制輸出功能，可控制系統(tǒng)在常溫散熱、高溫冷卻及低溫加熱模式下正常工作。控制模塊通過在電池包進水及出水口分別增加溫度傳感器進行實時溫度信息采集，然后通過智能溫度控制程序，自動選擇常溫散熱、高溫制冷或者低溫加熱模式進行控制。在常溫散式模式下，可動態(tài)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速進行散熱；在高溫制冷模式下，可動態(tài)調(diào)節(jié)壓縮機機率和冷凝器風扇功率，達到控制制冷模塊冷卻輸出效果；在低溫加熱模式下，只需要調(diào)節(jié)加熱器即可控制加熱輸出。

1.4 顯示模塊

顯示模塊是系統(tǒng)參數(shù)顯示及設(shè)置模塊，帶有2.4 寸LCD 觸摸屏，主要用于實現(xiàn)人機交互。不同類型的鋰電池，對工作溫度的要求是不一樣的，所以需要提供參數(shù)設(shè)置或選擇功能。顯示模塊具備參數(shù)設(shè)置及系統(tǒng)監(jiān)控功能，可對系統(tǒng)部件工作狀態(tài)進行監(jiān)控和預(yù)警，并可對運行參數(shù)進行調(diào)整，通過智能控制制冷及加熱功率的輸出，可保證動力電池工作在合理的溫度區(qū)間。

2 控制模塊硬件設(shè)計

控制模塊是電池熱管理系統(tǒng)的核心，由數(shù)據(jù)采集單元、電源單元、存儲單元、執(zhí)行單元、通信單元及主控制器組成，模塊工作原理如圖2 所示。

圖2 控制模塊原理

（1）數(shù)據(jù)采集單元。數(shù)據(jù)采集單元包括進水溫度傳感器、出水溫度傳感器、水流量傳感器及AD 轉(zhuǎn)換器，主要用于采集控制所需參數(shù)。

（2）電源單元。電源單元主要把車內(nèi)24 V 電壓轉(zhuǎn)換為MCU工作所需電壓，并提供過壓、過流等保護功能。

（3）存儲單元。存儲單元用于存儲設(shè)置參數(shù)及過程運行數(shù)據(jù)，以供算法使用。

（4）執(zhí)行單元。執(zhí)行單元包括循環(huán)水泵、冷凝器風扇、壓縮機及加熱器，通過控制其輸出以達到精確控溫的效果。

（5）通信單元。通信單元具備CAN總線通信功能，具有兩路總線，其中一路用于跟整車通訊并采集BMS 電池電芯溫度，另外一路則與壓縮機進行通訊，控制啟停及調(diào)速并接收反饋信息。

（6）主控制器。主控制器采用MCU 作為控制算法運行載體，根據(jù)采集到的進出水溫度、循環(huán)水流量進行控制，并在水泵開啟而水流量過低時會進行預(yù)警和保護。主控制器通過傳感器對電池包電芯、進水溫度及出水溫度進行監(jiān)測，并且根據(jù)設(shè)定溫度控制輸出，最后通過PWM 輸出單元控制水泵及風扇的運轉(zhuǎn)速度，通過CAN總線控制壓縮機及加熱器的輸出功率。

3 溫度控制算法設(shè)計

電池熱管理系統(tǒng)溫度控制目標是使動力電池工作溫度處在限定溫度范圍，通過研究電芯溫度及進水溫度、出水溫度的關(guān)系，最終選取電池包的出水溫度作為系統(tǒng)的輸入溫度（Tin），其他溫度作為輔助決策條件［10］，根據(jù)溫度進行自動控制。根據(jù)系統(tǒng)輸入溫度，自動控制電池熱管理系統(tǒng)在常溫散熱模式、高溫冷卻模式、低溫加熱模式之間進行切換，使電池始終工作于限定溫度范圍內(nèi)。當設(shè)定系統(tǒng)輸入溫度控制范圍為－ 20 ～35 ℃時，算法描述如下。

3.1 在常溫散熱模式下（5 ℃＜Tin ＜22 ℃）

系統(tǒng)只開啟循環(huán)水泵，并根據(jù)系統(tǒng)輸入溫度調(diào)節(jié)水泵的運行轉(zhuǎn)速來小范圍調(diào)節(jié)散熱功率，使系統(tǒng)處于設(shè)定溫度范圍內(nèi)。但此種模式散熱功能有限，一般作為過渡階段存在，隨著溫度升高，很快會轉(zhuǎn)入高溫冷卻模式。

3.2 高溫冷卻模式（Tin≥22 ℃時）

控制流程如圖3 所示，設(shè)定最高、最低溫度，并分成4 個范圍，采用限制型模糊控制算法進行控制。首先設(shè)定最高及最低溫度范圍，在最高溫度時必須全功率工作，在最低溫度范圍內(nèi)必須以最低功率工作，低于最低溫度則退出高溫冷卻模式。其次在最高及最低溫度中間的較高溫度范圍內(nèi)（28 ℃≤Tin＜30 ℃），當相鄰兩次采樣的溫度上升或者停止時，才增大壓縮機和風扇轉(zhuǎn)速。最后在最高及最低溫度中間的較低溫度范圍內(nèi)（22 ℃≤Tin＜28 ℃），當相鄰兩次采樣溫度上升超過0.5 ℃時增大壓縮機和風扇轉(zhuǎn)速；當溫度下降超過0.5℃時降低壓縮機和風扇轉(zhuǎn)速。

圖3 高溫冷卻模式控制流程

3.3 低溫加熱模式（Tin≤5 ℃時）

控制流程如圖4 所示，設(shè)定最高、最低溫度，并分成4 個范圍，采用限制型模糊控制算法進行控制。首先設(shè)定最高及最低溫度范圍，在最低溫度時必須全功率工作，在最高溫度范圍內(nèi)必須以最低功率工作，高于最高溫度則退出低溫加熱模式。其次在最高及最低溫度中間的較低溫度范圍內(nèi)（－ 20 ℃≤Tin＜－ 10 ℃），當相鄰兩次采樣的溫度下降或者停止時，增加PTC功率輸出。最后在最高及最低溫度中間的較高溫度范圍內(nèi)（－10 ℃≤Tin＜0 ℃），當相鄰兩次采樣溫度下降超過0.5 ℃時增大PTC功率輸出；當溫度上升超過0.5 ℃時降低壓PTC功率輸出。

圖4 低溫加熱模式控制流程

4 結(jié)束語

在國家碳達峰及碳中和目標的驅(qū)動下，純電動客車應(yīng)用越來越廣泛，安全及性能問題也越來越受到重視，同時電池熱管理系統(tǒng)也隨之發(fā)展得越來越快。本文提出的電池熱管理系統(tǒng)已在純電動客車上批量應(yīng)用，通過在整車多種極端工況下測試及驗證，動力電池溫度均能穩(wěn)定在最佳工作溫度范圍內(nèi)。實驗結(jié)果表明，該電池熱管理系統(tǒng)設(shè)計方案安全有效，通過智能模糊溫度控制算法，能很好地滿足系統(tǒng)預(yù)期設(shè)計效果。該電池熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、溫度控制性能好、成本較低，能有效提升動力電池系統(tǒng)的性能和安全性，并延長動力電池使用壽命。