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廈門金旅｜6m純電動(dòng)客車電池及熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)

2020-03-02 12:43:40·  來源：電動(dòng)學(xué)堂  
　
文章來源：《6m純電動(dòng)客車電池及熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)》作者單位：廈門金龍旅行車有限公司文章DOI:10.19508/j.cnki.1672-4801.2019.05.021隨著人們生活水平的提高
文章來源：《6m純電動(dòng)客車電池及熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)》
作者單位：廈門金龍旅行車有限公司
 
文章DOI: 10.19508/j.cnki.1672-4801.2019.05.021
 
隨著人們生活水平的提高，交通運(yùn)輸方式不斷變革。為方便市民出行，公交路線覆蓋范圍逐漸增大，市場對小型公交的需求逐年增加。其主要需求地區(qū)有：鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村客運(yùn)需求；老舊小區(qū)、社區(qū)微循環(huán)路線需求；旅游景點(diǎn)需求；等等。
 
結(jié)合國家推行的新能源推廣政策，整車企業(yè)實(shí)施新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新工程，各地區(qū)不斷提高新能源汽車運(yùn)營比重。經(jīng)過調(diào)研，6 m純電動(dòng)客車可滿足上述市場需求，符合國家政策需要。為此實(shí)施此車型的設(shè)計(jì)開發(fā)工作。
 
1 動(dòng)力電池、熱管理系統(tǒng)布置
本設(shè)計(jì)6 m客車，依據(jù)項(xiàng)目輸入信息，最終確定的整車部分參數(shù)需求如表1所示。
為了滿足最大的載客需求，提高乘客艙空間利用率，設(shè)計(jì)開發(fā)了新的一體式電池箱；電池高度170 mm，電池箱布置在中部地板下方。車型設(shè)計(jì)成低地板方案，乘坐便利性大幅提高；且可擴(kuò)展為無障礙車型，方便殘障人士使用，車型用途更加廣泛。
本車采用內(nèi)置式電空調(diào)，空調(diào)冷凝器與蒸發(fā)器分離，冷凝器布置在車輛后部的設(shè)備艙，電池水冷用的換熱器布置在后排座椅下方，如圖1所示。這樣布置不占用乘客艙空間，盡量加大了乘客艙的空間。
2 動(dòng)力電池、熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 動(dòng)力電池設(shè)計(jì)
2.1.1 動(dòng)力電池電量設(shè)計(jì)及類型選擇
在夏季運(yùn)營時(shí)，電空調(diào)需消耗很多電量，對純電動(dòng)客車的續(xù)駛里程影響很大。為確保夏季可以正常使用，本車型按半載開空調(diào)、續(xù)駛里程大于150 km，半載不開空調(diào)、續(xù)駛里程大于200 km進(jìn)行設(shè)計(jì)。整車性能參數(shù)如表2所示。
動(dòng)力電池電量計(jì)算如下：
按整車行駛1 km，驅(qū)動(dòng)電機(jī)消耗電量E1、電附件消耗電量E2、電空調(diào)消耗電量E3相加，來估算等速法（40 km/h）時(shí)需要的電量E（單位：kW·h），即
驅(qū)動(dòng)電機(jī)消耗的功率P1為
將表2中的參數(shù)值代入上式，求得P1≈9.2532kW，則E1=P1/40=0.2313 kW·h；此外，可計(jì)算得E2=P2/40=0.025 kW·h，E3=P3/40=0.125 kW·h。則整車半載開空調(diào)每行駛1 km電耗為：E=0.3813 kW·h。
按照續(xù)駛里程150 km的設(shè)計(jì)要求，行駛所需總電量E150=0.3813×150=57.195 kW·h。通常情況下，電池供應(yīng)商都是設(shè)定為電池SOC降低到20%時(shí)禁止放電，因此所需的電池總電量為E150/0.8=71.49 kW·h。根據(jù)電池供應(yīng)商提供的規(guī)格書，選擇比較合適的電池規(guī)格為621.6V、120 A·h；其電池系統(tǒng)電量為74.592 kW·h，電池類型為錳酸鋰電池，充放電倍率優(yōu)于磷酸鐵鋰。為了確保動(dòng)力電池使用過程中，電芯處于合適的工作溫度，提高電池的充放電倍率及使用壽命，本車型采用水冷電池，制冷需求為2 kW。
2.1.2 動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
如圖2所示，本車型的動(dòng)力電池箱內(nèi)含6個(gè)模組，模組由鋁合金框架、電芯、溫度傳感器等零部件組成，電池水冷板布置在模組下方，電芯工作時(shí)產(chǎn)生的熱量通過水冷板帶出。電池管理系統(tǒng)模塊（BMS）集中布置在電池箱一側(cè)，所有溫度、電壓采集線束通過模組上設(shè)計(jì)的凹槽，集中匯總到電池管理系統(tǒng)模塊中。
電池箱內(nèi)部設(shè)計(jì)簡潔，各零部件安裝牢固。殼體按IP67防護(hù)等級要求設(shè)計(jì)，可確保車輛正常使用過程中，不會(huì)有進(jìn)水的風(fēng)險(xiǎn)。電池箱通過GB/T 31467.3—2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3 部分：安全性要求與測試方法》及《電動(dòng)客車安全技術(shù)條件》的測試驗(yàn)證。
2.2 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)
當(dāng)前客車動(dòng)力電池散熱主要有3種形式：自然冷卻、風(fēng)冷、水冷。其中水冷又分為簡易水冷和空調(diào)水冷。簡易水冷采用風(fēng)扇帶走電池水路中的熱量；空調(diào)水冷利用電空調(diào)對電池水路中的冷卻液進(jìn)行制冷，可將電池系統(tǒng)水路中的冷卻液溫度迅速降低到15℃，電池散熱效果最好。空調(diào)水冷主要有2種技術(shù)路線，一種是采用獨(dú)立水冷主機(jī)（獨(dú)立式方案），另一種是與整車電空調(diào)合并（共享式方案）。綜合考慮整車布置、性能和成本，本車型采用共享式電池?zé)峁芾矸桨浮?/div>
共享式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是在整車電空調(diào)上另增加1路蒸發(fā)器，蒸發(fā)器集成在換熱器中，通過換熱器將電池系統(tǒng)水路中的熱量帶走，進(jìn)而將電芯的熱量帶走，從而達(dá)到降低電芯溫度的目的。
共享式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)工作原理（見圖3）：空調(diào)制冷用的蒸發(fā)器與動(dòng)力電池冷卻用的換熱器并聯(lián)，將冷凝器出來的制冷劑分成兩路，一路經(jīng)過電子膨脹閥1進(jìn)入蒸發(fā)器，一路經(jīng)過電子膨脹閥2進(jìn)入換熱器，最終匯合到壓縮機(jī)，形成制冷循環(huán)。電子膨脹閥、壓縮機(jī)、水泵由空調(diào)控制器控制。共享式空調(diào)工作模式如表3所示。
 
當(dāng)動(dòng)力電池需要冷卻時(shí)，電池BMS將制冷需求通過CAN信號，經(jīng)由整車控制器發(fā)送給空調(diào)控制器，空調(diào)控制器開啟電子膨脹閥2，并啟動(dòng)壓縮機(jī)、水泵，通過換熱器對動(dòng)力電池水路中的冷卻液進(jìn)行制冷，進(jìn)而對電池箱中的電芯進(jìn)行冷卻。當(dāng)電芯溫度降低到足夠低的溫度，動(dòng)力電池不需要冷卻時(shí)，BMS發(fā)出停止制冷信號，空調(diào)控制器關(guān)閉電子膨脹閥2、水泵，停止或降低壓縮機(jī)功率，停止對電池制冷。
電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)工作模式如表4所示。
注：1.Tmax為電池箱中溫度最高的電池單體；2.進(jìn)入自循環(huán)模式時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)不工作，水泵工作，均衡電池箱內(nèi)的電芯溫差。
2.3 空調(diào)制冷劑的選用
本車采用R407c制冷劑，相比R134a制冷劑，R407c制冷劑單位容積制冷量更大，可顯著提高制冷效率、降低功耗，提高電動(dòng)車的續(xù)駛里程。同時(shí)，空調(diào)壓縮機(jī)排量可降低，即更低的轉(zhuǎn)速就可滿足制冷需求：具有環(huán)保優(yōu)。
2.4 電池冷卻液的選用
電池冷卻液采用乙二醇和水、1∶1體積比混合，其冰點(diǎn)溫度＜-40℃，防止冬天水路凝結(jié)。
3 測試評價(jià)
本車采用底盤測功機(jī)測試的方式（見圖4），驗(yàn)證動(dòng)力電池充放電時(shí)的溫度控制是否滿足設(shè)計(jì)要求。
設(shè)備儀器：科華750 V/60 kW充電機(jī)、底盤測功機(jī)。溫度采集設(shè)備：采用電池系統(tǒng)自帶的溫度傳感器，安裝在電池箱內(nèi)的電芯表面，通過電池BMS讀取電芯表面溫度。
測試目的：采用持續(xù)充電和放電的方式，模擬客戶實(shí)際使用情況，驗(yàn)證客戶使用過程中，電池系統(tǒng)溫度是否會(huì)過高，防止溫度過高導(dǎo)致電池系統(tǒng)不能正常工作。測試結(jié)果見表5。
經(jīng)過測試驗(yàn)證，熱管理系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)電池BMS發(fā)出的制冷、停止制冷請求信號。在1天充2次電的情況下，雖然電池溫升不斷累積，電池溫度卻始終控制在40℃以內(nèi)：電芯工作環(huán)境良好，滿足設(shè)計(jì)要求。
4 結(jié)束語
動(dòng)力電池作為純電動(dòng)客車的關(guān)鍵零部件，電量選型、充放電性能、散熱性能等參數(shù)至關(guān)重要；只有確定合適的參數(shù)，才能保證車輛的使用性能。經(jīng)過不斷設(shè)計(jì)、測試、改進(jìn)，本車型最終順利下線，性能滿足設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)已經(jīng)批量投放市場。
 
 
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