文章來(lái)源：廈門金龍旅行車有限公司 鋰離子電池在高溫或低溫下，其充放電性能均受到了制約。若強(qiáng)制放電或充電將會(huì)導(dǎo)致其壽命衰減，甚至引發(fā)安全性問題。因此，無(wú)論是在南方高溫地區(qū)，還是在北方高寒地區(qū)，純電動(dòng)客車都需考慮其動(dòng)力電池的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以解
鋰離子電池在高溫或低溫下，其充放電性能均受到了制約。若強(qiáng)制放電或充電將會(huì)導(dǎo)致其壽命衰減，甚至引發(fā)安全性問題。因此，無(wú)論是在南方高溫地區(qū)，還是在北方高寒地區(qū)，純電動(dòng)客車都需考慮其動(dòng)力電池的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以解決電池的散熱與加熱問題，將電池溫度維持在最佳的工作范圍，提升整車的性能。動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)包含其冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及其外部電路和控制系統(tǒng)。1動(dòng)力電池的冷卻與加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)目前，動(dòng)力電池主流的散熱系統(tǒng)有風(fēng)冷和液冷兩 種方式。風(fēng)冷電池箱需要抽取空氣與電池進(jìn)行熱對(duì)流，電池箱的防護(hù)等級(jí)無(wú)法達(dá)到IP67。當(dāng)車輛涉水或淋雨時(shí)，電池箱存在進(jìn)水而引發(fā)電池短路的隱患。因此，風(fēng)冷的散熱方式可靠性不高，逐漸被淘汰。液冷電池箱采用冷卻液作為導(dǎo)熱介質(zhì)，通過熱擴(kuò)散對(duì)電池進(jìn)行熱量傳輸，電池箱的防護(hù)等級(jí)可以達(dá)到IP67 以上。因此，動(dòng)力電池采用液冷系統(tǒng)已成為純電動(dòng)客車的首選方案。液冷電池箱主要包含電池模組、水冷板、導(dǎo)熱硅脂和電池箱體。電池模組通過導(dǎo)熱硅脂與水冷板形成導(dǎo)熱連接，液冷板上設(shè)有進(jìn)、出水口并延伸到電池箱體外部，如圖 1所示。鋰離子電池的最佳工作溫度范圍是 20℃～40℃，超出該溫度范圍將導(dǎo)致電池的性能嚴(yán)重下降甚至引發(fā)安全事故。常規(guī)的液冷散熱系統(tǒng)是采用散熱器搭載風(fēng)扇的方式，通過風(fēng)扇抽取自然風(fēng)對(duì)冷卻液流經(jīng)的散熱器進(jìn)行散熱，達(dá)到冷卻液降溫的目的。這種方式的散熱效果有限，而且受環(huán)境溫度的影響特別大，尤其是在夏季，完全無(wú)法達(dá)到電池最佳工作所需的降溫效果。為了滿足電池的散熱需求，需要設(shè)計(jì)一種幾乎不受環(huán)境溫度影響的冷卻系統(tǒng)。1.3動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文借用空調(diào)制冷的原理 ，將空調(diào)制冷回路中的蒸發(fā)器替換成熱交換器，然后搭載驅(qū)動(dòng)水路循環(huán)的水泵，將空調(diào)對(duì)空氣的制冷轉(zhuǎn)換成對(duì)冷卻液的制冷，從而達(dá)到了強(qiáng)制制冷的效果。該系統(tǒng)可根據(jù)冷卻液的輸入溫度及輸出溫度需求，智能控制壓縮機(jī)、風(fēng)扇和水泵的功率，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的制冷量，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出水溫的控制。1)系統(tǒng)組成。該冷卻系統(tǒng)主要包含電動(dòng)壓縮機(jī)、冷凝器、風(fēng)扇、膨脹閥、熱交換器、水泵、管路、控制器和線束等，如圖2所示。2)工作原理。如圖3所示，冷卻系統(tǒng)工作時(shí)，電動(dòng)壓縮機(jī)將制冷劑(一般采用R134a)壓縮成高溫液體，流經(jīng)冷凝器散熱，通過膨脹閥后成為低溫低壓的濕蒸汽，隨后進(jìn)入熱交換器的制冷劑通道吸收熱量，從而使熱交換器的溫度降低，最后再回到電動(dòng)壓縮機(jī)中進(jìn)行下一個(gè)制冷循環(huán)。同時(shí)，水泵抽取冷卻液通過熱交換器的液體流道，低溫狀態(tài)的熱交換器吸收冷卻液中的熱量，從而達(dá)到降低冷卻液溫度的效果。3)結(jié)構(gòu)布置。從整車的布置空間及安裝的可靠性與便捷性考慮，將冷卻系統(tǒng)的各個(gè)部件集成設(shè)計(jì)在一個(gè)箱體內(nèi)部，組成一個(gè)系統(tǒng)部件，并在箱體上設(shè)計(jì)與外部電路連接的高低壓接口和進(jìn)出水口(見圖2)。其優(yōu)點(diǎn)是:集成度高，通用性強(qiáng)，可適用于多種純電動(dòng)客車車型，無(wú)需根據(jù)不同車型而改變系統(tǒng)內(nèi)部零部件的布置及管路設(shè)計(jì);在整車的布置與安裝更簡(jiǎn)便，容易操作;維護(hù)便捷，也便于故障排查，售后成本更低。1.4動(dòng)力電池加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)液冷電池箱的導(dǎo)熱方式，可通過加熱冷卻液的方式對(duì)電池進(jìn)行加熱，從而讓電池的溫度上升。因此，電池加熱系統(tǒng)采用在電池的冷卻循環(huán)水路中串聯(lián)一個(gè)水暖 PTC電加熱器的方案。當(dāng)PTC工作時(shí)，冷卻液流經(jīng)PTC加熱后再進(jìn)入電池箱水冷板，將熱量傳遞給電池，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的加熱。機(jī)電原理如圖4所示。車用級(jí)別的 PTC加熱器內(nèi)部一般由控制模塊、加熱模塊、液體流道和殼體組成?？刂颇K設(shè)有高壓電開關(guān)電路和低壓通訊控制電路，可與電池冷卻系統(tǒng)的控制器進(jìn)行信息交互。根據(jù)冷卻液的輸入溫度及輸出溫度需求，智能控制PTC高壓開關(guān)電路的開啟或關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)加熱模塊的啟動(dòng)或停止。完成了熱管理系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)后，還需要進(jìn)行其外部高壓和低壓電路的設(shè)計(jì)，并根據(jù)車輛的使用工況制定相應(yīng)的控制模式，從而實(shí)現(xiàn)智能控制電池溫度的效果。動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)工作時(shí)，需要直流高壓、直流低壓供電，并通過與 BMS建立通訊連接，由BMS控制其熱管理系統(tǒng)的工作模式。因此，動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)需設(shè)計(jì)相應(yīng)的電源接口和通訊接口，通過線束分別與電池和控制系統(tǒng)連接，從而控制熱管理系統(tǒng)的運(yùn)行。電路連接原理圖如圖5所示。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的高壓電用于電動(dòng)壓縮機(jī)或PTC加熱器的供電，低壓電用于風(fēng)扇、水泵、控制器的供電。通過上述設(shè)計(jì)，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)充電加熱 /制冷、行車加熱/制冷、駐車加熱/制冷、故障診斷與保護(hù)、電池系統(tǒng)熱失控保護(hù)等功能。1)充電加熱或制冷。當(dāng)車輛充電時(shí)，若BMS檢測(cè)到電池的溫度是高于5℃且低于30℃，電池進(jìn)入充電模式，關(guān)閉動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng);若檢測(cè)到的電池溫度低于5℃，則開啟動(dòng)力電池加熱系統(tǒng)，電池進(jìn)入加熱模式;當(dāng)電池加熱到5℃時(shí)，電池進(jìn)入充電模式;當(dāng)電池加熱到10℃時(shí)，關(guān)閉動(dòng)力電池加熱系統(tǒng)，電池保持充電模式;若檢測(cè)到的電池溫度高于30℃，則電池進(jìn)入充電模式，同時(shí)開啟動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)給電池降溫;當(dāng)電池溫度低于26℃時(shí)，關(guān)閉動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)。2)行車加熱或制冷。車輛運(yùn)行時(shí)，BMS檢測(cè)到電池的溫度低于5℃時(shí)，則開啟動(dòng)力電池加熱系統(tǒng)給電池升溫;當(dāng)電池加熱到10℃時(shí)，關(guān)閉動(dòng)力電池加熱系統(tǒng);當(dāng)檢測(cè)到電池的溫度高于30℃時(shí)，開啟動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)給電池降溫;當(dāng)電池溫度低于26℃時(shí)，關(guān)閉動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)。3)駐車加熱或制冷。車輛啟動(dòng)前，BMS檢測(cè)到電池的溫度低于5℃時(shí)，則開啟動(dòng)力電池加熱系統(tǒng)給電池升溫;當(dāng)電池加熱到10℃時(shí)，關(guān)閉動(dòng)力電池加熱系統(tǒng)，車輛進(jìn)入可以啟動(dòng)狀態(tài);當(dāng)電池的溫度高于30 ℃ 時(shí)，車輛進(jìn)入可以啟動(dòng)狀態(tài)，啟動(dòng)后開啟動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)給電池降溫，當(dāng)電池溫度低于26℃時(shí)，關(guān)閉動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)。4)故障診斷與保護(hù)。動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的控制器實(shí)時(shí)監(jiān)控著系統(tǒng)的狀態(tài)，系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能及時(shí)關(guān)閉動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)并向BMS發(fā)出警報(bào)，由BMS斷開動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)高壓電。例如:當(dāng)充電輸入電壓高于或低于設(shè)定值時(shí)，向BMS發(fā)送過壓或欠壓報(bào)警;當(dāng)制冷劑回路壓力高于或低于設(shè)定值時(shí)，關(guān)閉冷卻系統(tǒng)，并向BMS發(fā)送高壓力或低壓力的故障報(bào)警，BMS收到故障信息5s后，斷開液冷繼電器，從而斷開熱管理系統(tǒng)的高壓電;當(dāng)壓縮機(jī)出現(xiàn)空載、過載、溫度過高或通訊故障時(shí)，關(guān)閉冷卻系統(tǒng)，并向BMS發(fā)送壓縮 機(jī)故障， BMS收到故障信息5s后，斷開液冷繼電器，從而斷開熱管理系統(tǒng)的高壓電;當(dāng)水泵或風(fēng)扇故障時(shí)，關(guān)閉冷卻系統(tǒng)，并向BMS發(fā)送水泵或風(fēng)扇故障;當(dāng)加熱系統(tǒng)故障或通訊故障時(shí)，向BMS發(fā)送加熱系統(tǒng)故障;當(dāng)系統(tǒng)出液溫度低于5℃或高于65℃，且制冷或加熱功能無(wú)法正常工作時(shí)，向BMS發(fā)送熱管理系統(tǒng)失控故障，BMS收到故障信息后斷開液冷繼電器，從而斷開熱管理系統(tǒng)的高壓電。5)電池系統(tǒng)熱失控保護(hù)。當(dāng)電池系統(tǒng)出現(xiàn)故障溫度急劇上升時(shí)，BMS向整車發(fā)送電池故障報(bào)警，同時(shí)控制液冷繼電器閉合并向熱管理系統(tǒng)發(fā)送全功率制冷指令，冷卻系統(tǒng)開啟全負(fù)荷工作模式，壓縮機(jī)、水泵和風(fēng)扇均以最大功率運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電池溫度持續(xù)上升到設(shè)定值時(shí)，BMS向熱管理系統(tǒng)發(fā)送下高壓電并保持水泵開啟的指令，熱管理系統(tǒng)關(guān)閉高壓電回路，并控制水泵以最大的功率進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，確保冷卻液以最大的流速進(jìn)行循環(huán)流轉(zhuǎn)。在壓縮機(jī)不工作的情況下，最大限度地為電池降溫，減緩電池的溫升速度，延遲電池?zé)崾Э鼗螂姵仄鸹鸬臅r(shí)間，從而增加乘客的逃生時(shí)間， 保護(hù)乘客安全。針對(duì)純電動(dòng)客車動(dòng)力電池的溫度適應(yīng)性問題，本 文通過研究動(dòng)力電池的特性和空調(diào)的原理，設(shè)計(jì)了可強(qiáng)制制冷和加熱功能的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。在動(dòng)力電池降溫和加熱方面作出了比較全面的解決方案，可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)，并已在純電動(dòng)客車規(guī)模化推廣應(yīng)用，在新車型開發(fā)時(shí)具有指導(dǎo)意義。
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