某型混合動(dòng)力越野車(chē)電池冷卻系統(tǒng)解決方案

【摘" 要】混合動(dòng)力車(chē)由于新增電驅(qū)動(dòng)相關(guān)零部件，對(duì)散熱系統(tǒng)提出新的要求，其中的動(dòng)力電池更是工作溫度上限僅55℃，常規(guī)的散熱系統(tǒng)無(wú)法滿(mǎn)足其要求。介紹由電動(dòng)壓縮機(jī)、電池冷卻器、冷凝器等零部件組成的電池冷卻系統(tǒng)。借鑒傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)及流程，完成電池冷卻系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。在實(shí)車(chē)驗(yàn)證過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的臺(tái)架測(cè)試工況、系統(tǒng)控制策略及熱負(fù)荷計(jì)算匹配等問(wèn)題，針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的系統(tǒng)消除初始設(shè)計(jì)的各項(xiàng)問(wèn)題，并且能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)散熱的需求。本文的研究成果可對(duì)后續(xù)電池冷卻系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】電池冷卻；控制策略；負(fù)荷計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.633" " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）11-0009-05

Solution for Battery Cooling System of a Certain Type of Hybrid Off-Road Vehicle

LI Yang，ZHOU Zhou

（Beijing Automotive Research Institute，Beijing 102200，China）

【Abstract】Due to the addition of electric drive related components，hybrid vehicles have put forward new requirements for the heat dissipation system. Among them，the upper limit of the operating temperature of the power battery is only 55 ℃，and conventional heat dissipation systems cannot meet its requirements. Introduce a battery cooling system composed of electric compressors，battery coolers，condensers，and other components. Drawing on the experience and process of traditional air conditioning system development，complete the development of battery cooling system. During the actual vehicle verification process，issues such as bench testing conditions，system control strategy，and heat load calculation matching in the system design were identified and improved. The improved system eliminated various issues in the initial design and was able to meet the heat dissipation requirements of the system. The research results can provide guidance for the development of subsequent battery cooling systems.

【Key words】battery cooling；control strategy；load calculation；hybrid off-road vehicle

1" 散熱需求及方案簡(jiǎn)述

混合動(dòng)力車(chē)型有散熱需求的系統(tǒng)除了發(fā)動(dòng)機(jī)總成、增壓后的進(jìn)氣、變速器等傳統(tǒng)部件，還有動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、DC/DC、充電機(jī)等電驅(qū)動(dòng)部件。傳統(tǒng)部件（發(fā)動(dòng)機(jī)、進(jìn)氣、變速器）工作溫度較高，由傳統(tǒng)散熱系統(tǒng)（散熱器、中冷器、油冷器等）實(shí)現(xiàn)散熱。新增的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、發(fā)電機(jī)、DC/DC及充電器工作溫度比上述傳統(tǒng)部件稍低，如與之共用散熱器，系統(tǒng)將無(wú)法實(shí)現(xiàn)散熱，因此出現(xiàn)了一套低溫散熱系統(tǒng)對(duì)這類(lèi)次高溫零部件進(jìn)行散熱。然而動(dòng)力電池工作溫度更低（不高于55℃），低溫散熱系統(tǒng)的溫度依然無(wú)法滿(mǎn)足其散熱要求，此刻車(chē)輛上唯一的制冷源“空調(diào)系統(tǒng)”承擔(dān)起了這項(xiàng)工作。對(duì)該車(chē)有散熱需求的零部件（后續(xù)簡(jiǎn)稱(chēng)發(fā)熱部件）進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表1。

由于普通轎車(chē)通常更加關(guān)注于續(xù)航里程、燃油經(jīng)濟(jì)性，而越野車(chē)型對(duì)動(dòng)力性的需求使得越野車(chē)型的混動(dòng)方案異于普通轎車(chē)。越野車(chē)型相對(duì)于普通轎車(chē)，需求更大的驅(qū)動(dòng)功率，從而作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作能量源的動(dòng)力電池就需要更大的放電能力，在效率沒(méi)有較大提升的情況下，動(dòng)力電池?zé)釗p失，即產(chǎn)生的熱量將遠(yuǎn)大于普通轎車(chē)，這樣就對(duì)電池冷卻系統(tǒng)提出了更高的要求，系統(tǒng)將面臨更大的挑戰(zhàn)。

電池冷卻系統(tǒng)按冷卻方式通常分為自然冷卻、通風(fēng)冷卻、液冷冷卻及制冷劑直冷4類(lèi)。普通轎車(chē)由于動(dòng)力電池發(fā)熱量不大，通常采用自然冷卻或風(fēng)冷就能滿(mǎn)足需求，制冷劑直冷方式雖然換熱效率最高，但由于設(shè)計(jì)匹配難度大，容易造成電芯間溫差過(guò)大，在國(guó)內(nèi)尚無(wú)應(yīng)用案例，國(guó)際上也鮮有成功案例，因此該車(chē)型采用了液冷的電池冷卻方式。為了減輕低溫散熱系統(tǒng)的壓力，電池冷卻系統(tǒng)將工作溫度較低的DC/DC與充電機(jī)及某控制器也納入到該系統(tǒng)中。

1.1" 散熱需求

結(jié)合整車(chē)各工況及自身工作特性，各發(fā)熱部件發(fā)熱量見(jiàn)表2，動(dòng)力電池還提出了15L/min的流量及25℃的進(jìn)口水溫要求。

1.2" 方案簡(jiǎn)述

電池冷卻系統(tǒng)主要部件包括壓縮機(jī)、冷凝器、電池冷卻器（后簡(jiǎn)稱(chēng)Chiller）及被冷卻部件（動(dòng)力電池、充電機(jī)、DC/DC及某控制器），組成制冷劑回路及電池冷卻回路，如圖1所示。制冷劑回路與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相似，僅將傳統(tǒng)空調(diào)的蒸發(fā)器更換為Chiller，由壓縮機(jī)將制冷劑壓縮成高溫高壓的氣體，進(jìn)入冷凝器進(jìn)行降溫冷凝成液體，經(jīng)過(guò)膨脹閥降壓降溫后在Chiller中蒸發(fā)吸熱，再回到壓縮機(jī)重新壓縮，完成循環(huán)?？紤]到被冷卻部件較多，全串聯(lián)的連接方式會(huì)導(dǎo)致流阻過(guò)大，結(jié)合各發(fā)熱部件的發(fā)熱功率，進(jìn)行排序連接方式調(diào)整。電池冷卻回路相比傳統(tǒng)空調(diào)，相當(dāng)于將鼓風(fēng)機(jī)更換為水泵，換熱介質(zhì)由空氣更換為冷卻液，由水泵將降溫后的冷卻液送至動(dòng)力電池，之后再并聯(lián)分別通過(guò)充電機(jī)、DC/DC及某控制器，對(duì)各零部件完成散熱后回到Chiller進(jìn)行再次降溫完成循環(huán)。電池加熱回路類(lèi)似傳統(tǒng)空調(diào)的制熱回路，取發(fā)動(dòng)機(jī)小循環(huán)冷卻液的余熱給動(dòng)力電池加熱，原理相對(duì)簡(jiǎn)單本文未做過(guò)多闡述。

2" 系統(tǒng)方案

本章節(jié)結(jié)合制冷循環(huán)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行理論計(jì)算，依據(jù)理論計(jì)算進(jìn)行零部件的選型，然后進(jìn)行零部件及系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)各發(fā)熱部件及系統(tǒng)被控部件的電氣特性制定系統(tǒng)的控制策略，最后在實(shí)車(chē)上進(jìn)行了整套方案的功性能驗(yàn)證。圖2為系統(tǒng)數(shù)據(jù)布置俯視圖。

2.1" 控制策略

該電池冷卻系統(tǒng)的控制由混動(dòng)控制器HCU實(shí)現(xiàn)，涉及的系統(tǒng)內(nèi)被控元器件包含電動(dòng)壓縮機(jī)、冷卻水泵、加熱/冷卻水閥，系統(tǒng)外被控元器件包含散熱風(fēng)扇，系統(tǒng)內(nèi)輸入信號(hào)包含壓力開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)外輸入信號(hào)包含發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、動(dòng)力電池電芯溫度、充電機(jī)溫度、DC/DC溫度、某控制器溫度。HCU通過(guò)采集相關(guān)輸入信號(hào)控制各元器件動(dòng)作，完成對(duì)發(fā)熱部件的降溫。電器框圖見(jiàn)圖3。

由選型可知壓縮機(jī)在3500r/min時(shí)滿(mǎn)足系統(tǒng)性能要求，因此采用壓縮機(jī)ON/OFF的控制邏輯，即開(kāi)機(jī)就將轉(zhuǎn)速固定在3500r/min。借鑒傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機(jī)控制策略，根據(jù)各發(fā)熱部件的溫度控制壓縮機(jī)的開(kāi)關(guān)。以發(fā)熱部件的允許液溫值上限作為壓縮機(jī)的開(kāi)啟條件，由于任何一個(gè)發(fā)熱部件達(dá)到開(kāi)啟條件，系統(tǒng)就必須響應(yīng)，因此該條邏輯為“或”的關(guān)系。為了避免壓縮機(jī)出現(xiàn)頻繁吸合斷開(kāi)的情況，將壓縮機(jī)的關(guān)閉溫度降低10℃形成滯回控制曲線(xiàn)（圖4），由于任何一個(gè)發(fā)熱部件未達(dá)到關(guān)閉的條件，系統(tǒng)就必須繼續(xù)工作為其降溫，因此該邏輯為“與”的關(guān)系。另壓縮機(jī)還有一個(gè)壓力控制條件，高低壓壓力開(kāi)關(guān)信號(hào)斷開(kāi)（壓力過(guò)高或者過(guò)低）后，切斷壓縮機(jī)。壓縮機(jī)控制邏輯見(jiàn)圖5。

2.2" 整車(chē)驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)匹配驗(yàn)證后的系統(tǒng)搭載到整車(chē)后進(jìn)行簡(jiǎn)單摸底試驗(yàn)。

1）測(cè)試工況1：環(huán)境溫度27℃，增程器啟動(dòng)以15kW功率為動(dòng)力電池充電，充電機(jī)及某控制器均處于不工作狀態(tài)，電池SOC從20%升至80%，用時(shí)約35min。

如圖6所示，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程可分為5個(gè)階段。①階段約14min：動(dòng)力電池溫度達(dá)到27℃，水泵工作，動(dòng)力電池及DC/DC發(fā)熱溫度逐漸升高，產(chǎn)生的部分熱量被冷卻液帶走。升溫的冷卻液經(jīng)過(guò)充電機(jī)及某控制器時(shí)，發(fā)生熱交換導(dǎo)致其溫度輕微上升。②階段約1min：動(dòng)力電池溫度達(dá)到壓縮機(jī)開(kāi)啟溫度點(diǎn)35℃，壓縮機(jī)啟動(dòng)。冷卻液經(jīng)過(guò)Chiller迅速降溫至8℃，動(dòng)力電池及DC/DC產(chǎn)生的熱量能夠完全被冷卻液帶走，溫度開(kāi)始下降。充電機(jī)及某控制器也被低溫冷卻液經(jīng)過(guò)時(shí)帶走熱量，溫度開(kāi)始降低。③階段約15min：各部件熱量持續(xù)被低溫冷卻液帶走，溫度持續(xù)下降，直至動(dòng)力電池溫度低于25℃達(dá)到壓縮機(jī)關(guān)閉條件。④階段約1min：壓縮機(jī)關(guān)閉后，冷卻液繼續(xù)從各部件吸熱，溫度迅速回升。⑤階段約4min：冷卻液已無(wú)法完全帶走動(dòng)力電池及DC/DC產(chǎn)生的熱量，溫度開(kāi)始回升。充電機(jī)及某控制器溫度低于冷卻液，從冷卻液中吸收熱量，溫度也開(kāi)始回升。

2）測(cè)試工況2：環(huán)境溫度25℃，純電模式50km/h勻速行駛，充電機(jī)及某控制器不工作，SOC從90%降至20%，用時(shí)約10min。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)（圖7）可看出，放電工況分為3個(gè)階段，與充電工況前3個(gè)階段類(lèi)似，由于動(dòng)力電池發(fā)熱量變大，①階段時(shí)長(zhǎng)變短，②、③階段動(dòng)力電池降溫速率變小。

從摸底試驗(yàn)可以看出，該電池冷卻系統(tǒng)能夠?qū)?dòng)力電池溫度控制在25～35℃之間，遠(yuǎn)低于動(dòng)力電池的許用溫度上限55℃，因此可以判定在以上兩個(gè)工況滿(mǎn)足發(fā)熱部件對(duì)散熱的需求。但是，該系統(tǒng)在壓縮機(jī)啟動(dòng)后將冷卻液溫度降低到10℃以下，在動(dòng)力電池發(fā)熱功率較小的情況下甚至能降到5℃以下。經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的分析，在chiller出口溫度如此低的情況下，chiller制冷劑出口過(guò)熱度較低，壓縮機(jī)存在液擊損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

3" 改進(jìn)優(yōu)化

3.1" 問(wèn)題描述及優(yōu)化方案

通過(guò)對(duì)電池冷卻系統(tǒng)方案的臺(tái)架及實(shí)車(chē)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在3項(xiàng)問(wèn)題：Chiller零件amp;系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)性能差異問(wèn)題、壓縮機(jī)啟動(dòng)后冷卻液溫度過(guò)低問(wèn)題、電池冷卻系統(tǒng)性能富余量較大問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行分析并制定優(yōu)化方案。

由于系統(tǒng)負(fù)荷在車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中是實(shí)時(shí)變化的，而電池冷卻系統(tǒng)一直以最大能力工作勢(shì)必會(huì)造成系統(tǒng)問(wèn)題的振蕩，負(fù)荷越小系統(tǒng)振蕩越嚴(yán)重。需要改進(jìn)控制策略使系統(tǒng)制冷量能夠隨負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，而不是簡(jiǎn)單地啟動(dòng)/關(guān)閉系統(tǒng)。因此擬通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)制冷量的調(diào)節(jié)。

圖8為優(yōu)化后的控制邏輯圖。當(dāng)水溫高于開(kāi)啟溫度T0（根據(jù)系統(tǒng)）后，依據(jù)圖9中黃線(xiàn)啟動(dòng)壓縮機(jī)，之后以水溫20℃為目標(biāo)，T1動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)計(jì)算出的轉(zhuǎn)速低于ωmin后關(guān)閉壓縮機(jī)。

3.2" 改進(jìn)效果

為驗(yàn)證改進(jìn)后系統(tǒng)的冷卻效果，利用MATLAB軟件的simulation模塊進(jìn)行仿真分析。依據(jù)牛頓冷卻定律q=h（T1-T2）進(jìn)行各零部件的換熱模型搭建，并根據(jù)壓縮機(jī)調(diào)速邏輯進(jìn)行控制模型搭建，最后形成完整的控制仿真模型（圖10）。

結(jié)合零部件及整車(chē)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)模型進(jìn)行修正校驗(yàn)。然后設(shè)置初始溫度為46℃，水溫控制目標(biāo)溫度為20℃，仿真分析見(jiàn)圖11，具體分析結(jié)果如下。

1）慢充工況：以0.25C為動(dòng)力電池充電，時(shí)長(zhǎng)240min。由于總體負(fù)荷較低，系統(tǒng)工作時(shí)水溫在13℃附近，壓縮機(jī)啟動(dòng)18次，除首次啟動(dòng)約14min，后續(xù)每次啟動(dòng)約2min，間隔時(shí)長(zhǎng)約11min，隨負(fù)荷減少間隔逐漸加大。動(dòng)力電池溫度控制在22～24℃；DC/DC溫度控制在31～34℃，充電機(jī)隨著充電功率逐漸降低，溫度最后降至23℃。

2）增程器充電工況：增程器以2C為動(dòng)力電池充電，時(shí)長(zhǎng)30 min。系統(tǒng)啟動(dòng)后迅速將水溫降低至20℃，之后緩慢下降至13～15℃，壓縮機(jī)調(diào)速邏輯控制壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速逐步降低，直至低于最低轉(zhuǎn)速時(shí)切斷壓縮機(jī)，動(dòng)力電池及DC/DC溫度最后下降至29℃附近。

3）純電勻速行駛工況：動(dòng)力電池以4C進(jìn)行放電，時(shí)長(zhǎng)15 min。水溫下降至15℃后緩慢回升至18℃，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速逐步降低至2700r/min。動(dòng)力電池溫度持續(xù)下降至40℃，DC/DC溫度持續(xù)下降至34℃。

4）純電急加速工況：動(dòng)力電池以8C進(jìn)行放電，時(shí)長(zhǎng)7.5 min。水溫下降至17℃后緩慢回升至18℃，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速逐步降低至4300r/min。由于動(dòng)力電池發(fā)熱量較大，其溫度呈上升趨勢(shì)至52℃，DC/DC溫度緩慢下降至44℃。

5）純電HX勻速工況：動(dòng)力電池以2C進(jìn)行放電，某控制器以額定功率放電，時(shí)長(zhǎng)30min。水溫穩(wěn)定控制在20℃，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速逐步降低至3600r/min。動(dòng)力電池及DC/DC溫度持續(xù)下降至32℃，某控制器溫度緩慢上升至50℃。

6）純電HX急加速工況：動(dòng)力電池以4C進(jìn)行放電，某控制器以峰值功率進(jìn)行放電，時(shí)長(zhǎng)15min。壓縮機(jī)啟動(dòng)后水溫迅速降至20℃，之后呈緩慢上升趨勢(shì)至26℃，壓縮機(jī)一直處于最高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。動(dòng)力電池及DC/DC能穩(wěn)定在46℃，某控制器持續(xù)上升至83℃。

由仿真結(jié)果可以看到，在兩個(gè)急加速工況末了，動(dòng)力電池達(dá)到52℃（限值55℃），某控制器溫度83℃（限值85℃）。但是在車(chē)輛實(shí)際使用過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)全程極限工況，短時(shí)出現(xiàn)后隨著發(fā)熱量的下降溫度就會(huì)降低。因此判定改進(jìn)后的零部件選型及控制策略是有效的，能夠?qū)l(fā)熱部件溫度控制在安全范圍。

4" 總結(jié)

對(duì)電池冷卻系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)行了研究，從分析系統(tǒng)需求到零部件選型形成了初版技術(shù)方案，再經(jīng)過(guò)整車(chē)試驗(yàn)結(jié)果分析系統(tǒng)存在的問(wèn)題，從而對(duì)電池冷卻系統(tǒng)進(jìn)行有針對(duì)性的整改。發(fā)現(xiàn)了Chiller測(cè)試工況的問(wèn)題：動(dòng)力電池?fù)Q熱性能的不足以及壓縮機(jī)控制策略的不合理。經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)的優(yōu)化形成了新的系統(tǒng)方案，再通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行改進(jìn)后的控制策略及發(fā)熱部件的溫度控制效果進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示改進(jìn)方案能夠有效地解決原系統(tǒng)的問(wèn)題，優(yōu)化了壓縮機(jī)控制策略，由原始的ON/OFF控制邏輯調(diào)整為隨負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)速，由以動(dòng)力電池溫度作為控制目標(biāo)調(diào)整為以冷卻液水溫作為目標(biāo)，并申報(bào)了發(fā)明專(zhuān)利。新的控制邏輯能夠有效避免低負(fù)荷工況壓縮機(jī)頻繁啟停，避免冷卻液溫度持續(xù)過(guò)低，提高了壓縮機(jī)的可靠性，降低結(jié)霜風(fēng)險(xiǎn)。

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（編輯" 楊凱麟）

作者簡(jiǎn)介

李楊（1984—），男，高級(jí)工程師，主要從事汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究及軍用車(chē)輛上裝設(shè)備研究開(kāi)發(fā)；周舟（1983-），男，高級(jí)工程師，主要從事特種車(chē)輛智能化開(kāi)發(fā)管理工作。