纯电动客车热管理系统设计分析

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摘要:针对锂离子电池充放电时的温度特性，设计一种具有智能调温功能的动力电池热管理系统，解决动力电池的降温和加热问题。

关键词:纯电动客车;动力电池;热管理系统;智能调温

锂离子电池以其高工作电压平台、高能量密度、循环寿命长、自放电率低等优点，被广泛地运用于纯电动客车［1－2］。然而，锂离子电池在高温或低温下，其充放电性能均受到了制约。若强制放电或充电将会导致其寿命衰减，甚至引发安全性问题［3］。因此，无论是在南方高温地区，还是在北方高寒地区，纯电动客车都需考虑其动力电池的热管理系统设计，以解决电池的散热与加热问题，将电池温度维持在最佳的工作范围，提升整车的性能。动力电池热管理系统包含其冷却系统、加热系统及其外部电路和控制系统。

1动力电池的冷却与加热系统设计

1.1冷却方式。目前，动力电池主流的散热系统有风冷和液冷两种方式。风冷电池箱需要抽取空气与电池进行热对流，电池箱的防护等级无法达到IP67。当车辆涉水或淋雨时，电池箱存在进水而引发电池短路的隐患。因此，风冷的散热方式可靠性不高，逐渐被淘汰。液冷电池箱采用冷却液作为导热介质，通过热扩散对电池进行热量传输，电池箱的防护等级可以达到IP67以上。因此，动力电池采用液冷系统已成为纯电动客车的首选方案。液冷电池箱主要包含电池模组、水冷板、导热硅脂和电池箱体。电池模组通过导热硅脂与水冷板形成导热连接，液冷板上设有进、出水口并延伸到电池箱体外部，如图1所示。1.2常规的冷系统。锂离子电池的最佳工作温度范围是20℃～40℃，超出该温度范围将导致电池的性能严重下降甚至引发安全事故［4］。常规的液冷散热系统是采用散热器搭载风扇的方式，通过风扇抽取自然风对冷却液流经的散热器进行散热，达到冷却液降温的目的。这种方式的散热效果有限，而且受环境温度的影响特别大，尤其是在夏季，完全无法达到电池最佳工作所需的降温效果。为了满足电池的散热需求，需要设计一种几乎不受环境温度影响的冷却系统。1.3动力电池冷却系统设计。本文借用空调制冷的原理［5－7］，将空调制冷回路中的蒸发器替换成热交换器，然后搭载驱动水路循环的水泵，将空调对空气的制冷转换成对冷却液的制冷，从而达到了强制制冷的效果。该系统可根据冷却液的输入温度及输出温度需求，智能控制压缩机、风扇和水泵的功率，调节系统的制冷量，实现对输出水温的控制。1)系统组成。该冷却系统主要包含电动压缩机、冷凝器、风扇、膨胀阀、热交换器、水泵、管路、控制器和线束等，如图2所示。如图3所示，冷却系统工作时，电动压缩机将制冷剂(一般采用R134a)压缩成高温液体，流经冷凝器散热，通过膨胀阀后成为低温低压的湿蒸汽，随后进入热交换器的制冷剂通道吸收热量，从而使热交换器的温度降低，最后再回到电动压缩机中进行下一个制冷循环。同时，水泵抽取冷却液通过热交换器的液体流道，低温状态的热交换器吸收冷却液中的热量，从而达到降低冷却液温度的效果。图3冷却系统原理图3)结构布置。从整车的布置空间及安装的可靠性与便捷性考虑，将冷却系统的各个部件集成设计在一个箱体内部，组成一个系统部件，并在箱体上设计与外部电路连接的高低压接口和进出水口(见图2)。其优点是:集成度高，通用性强，可适用于多种纯电动客车车型，无需根据不同车型而改变系统内部零部件的布置及管路设计;在整车的布置与安装更简便，容易操作;维护便捷，也便于故障排查，售后成本更低。1.4动力电池加热系统设计。根据液冷电池箱的导热方式，可通过加热冷却液的方式对电池进行加热，从而让电池的温度上升。因此，电池加热系统采用在电池的冷却循环水路中串联一个水暖PTC电加热器的方案。当PTC工作时，冷却液流经PTC加热后再进入电池箱水冷板，将热量传递给电池，实现对电池的加热。机电原理如图4所示。车用级别的PTC加热器内部一般由控制模块、加热模块、液体流道和壳体组成。控制模块设有高压电开关电路和低压通讯控制电路，可与电池冷却系统的控制器进行信息交互。根据冷却液的输入温度及输出温度需求，智能控制PTC高压开关电路的开启或关闭，实现加热模块的启动或停止。

2外部电路及控制模式设计

完成了热管理系统的冷却系统和加热系统的设计后，还需要进行其外部高压和低压电路的设计，并根据车辆的使用工况制定相应的控制模式，从而实现智能控制电池温度的效果。2.1外部电路设计。动力电池热管理系统工作时，需要直流高压、直流低压供电，并通过与BMS建立通讯连接，由BMS控制其热管理系统的工作模式。因此，动力电池热管理系统需设计相应的电源接口和通讯接口，通过线束分别与电池和控制系统连接，从而控制热管理系统的运行。电路连接原理图如图5所示。电池热管理系统中的高压电用于电动压缩机或PTC加热器的供电，低压电用于风扇、水泵、控制器的供电。2.2控制模式。通过上述设计，电池热管理系统可以实现充电加热/制冷、行车加热/制冷、驻车加热/制冷、故障诊断与保护、电池系统热失控保护等功能。1)充电加热或制冷。当车辆充电时，若BMS检测到电池的温度是高于5℃且低于30℃，电池进入充电模式，关闭动力电池热管理系统;若检测到的电池温度低于5℃，则开启动力电池加热系统，电池进入加热模式;当电池加热到5℃时，电池进入充电模式;当电池加热到10℃时，关闭动力电池加热系统，电池保持充电模式;若检测到的电池温度高于30℃，则电池进入充电模式，同时开启动力电池冷却系统给电池降温;当电池温度低于26℃时，关闭动力电池冷却系统。2)行车加热或制冷。车辆运行时，BMS检测到电池的温度低于5℃时，则开启动力电池加热系统给电池升温;当电池加热到10℃时，关闭动力电池加热系统;当检测到电池的温度高于30℃时，开启动力电池冷却系统给电池降温;当电池温度低于26℃时，关闭动力电池冷却系统。3)驻车加热或制冷。车辆启动前，BMS检测到电池的温度低于5℃时，则开启动力电池加热系统给电池升温;当电池加热到10℃时，关闭动力电池加热系统，车辆进入可以启动状态;当电池的温度高于30℃时，车辆进入可以启动状态，启动后开启动力电池冷却系统给电池降温，当电池温度低于26℃时，关闭动力电池冷却系统。4)故障诊断与保护。动力电池冷却系统的控制器实时监控着系统的状态，系统发生故障时，能及时关闭动力电池热管理系统并向BMS发出警报，由BMS断开动力电池热管理系统高压电。例如:当充电输入电压高于或低于设定值时，向BMS发送过压或欠压报警;当制冷剂回路压力高于或低于设定值时，关闭冷却系统，并向BMS发送高压力或低压力的故障报警，BMS收到故障信息5s后，断开液冷继电器，从而断开热管理系统的高压电;当压缩机出现空载、过载、温度过高或通讯故障时，关闭冷却系统，并向BMS发送压缩机故障，BMS收到故障信息5s后，断开液冷继电器，从而断开热管理系统的高压电;当水泵或风扇故障时，关闭冷却系统，并向BMS发送水泵或风扇故障;当加热系统故障或通讯故障时，向BMS发送加热系统故障;当系统出液温度低于5℃或高于65℃，且制冷或加热功能无法正常工作时，向BMS发送热管理系统失控故障，BMS收到故障信息后断开液冷继电器，从而断开热管理系统的高压电。5)电池系统热失控保护。当电池系统出现故障温度急剧上升时，BMS向整车发送电池故障报警，同时控制液冷继电器闭合并向热管理系统发送全功率制冷指令，冷却系统开启全负荷工作模式，压缩机、水泵和风扇均以最大功率运转。当电池温度持续上升到设定值时，BMS向热管理系统发送下高压电并保持水泵开启的指令，热管理系统关闭高压电回路，并控制水泵以最大的功率进行运转，确保冷却液以最大的流速进行循环流转。在压缩机不工作的情况下，最大限度地为电池降温，减缓电池的温升速度，延迟电池热失控或电池起火的时间，从而增加乘客的逃生时间，保护乘客安全。

3结束语

针对纯电动客车动力电池的温度适应性问题，本文通过研究动力电池的特性和空调的原理，设计了可强制制冷和加热功能的电池热管理系统。在动力电池降温和加热方面作出了比较全面的解决方案，可靠性高、实用性强，并已在纯电动客车规模化推广应用，在新车型开发时具有指导意义。

参考文献:

［1］李兴虎．电动汽车概论［M］．北京:北京理工大学出版社，2005:93．

［2］周毅鹏．插电混合动力客车锂离子电池布置与防火设计［J］．机电技术，2017，30(2):81－84．

［3］李想哲，苏芳，林道勇．电动汽车动力电源系统［M］．北京:化学工业出版社，2011:9．

［4］王迪．电动汽车锂电池温度场研究及优化设计［D］．南京:南京航空航天大学，2015．

［5］曹中义．电动汽车电动空调系统分析研究［D］．武汉:武汉理工大学，2008．

［6］曹中义．电动汽车空调系统解决方案［J］．汽车电器，2008(3):5－8．

［7］陈飞．纯电动汽车空调系统仿真及控制算法优化［D］．太原:中北大学，2015．

作者:周毅鹏 单位:厦门金龙旅行车有限公司