淺談動力電池熱管理
——東風富康ES500簡易版電池熱管理原理分析

張 晶

（武漢市交通學校，湖北 武漢 430205）

隨著當今社會的不斷發展，純電動汽車越來越多地出現在消費者的面前，電動車取代燃油車已成為必然。因此，電動汽車電池性能的增強和續駛里程的增加成為支撐整個行業持續發展，符合市場化需要的重要途徑和必然趨勢，對推進社會各行各業發展具有十分重要的意義。

東風富康ES500轎車是東風雪鐵龍、東風標致品牌母公司--神龍汽車有限公司自主生產的一款純電動汽車，該車于2018年11月正式上市，搭載了國產自主生產的三相永磁同步電機 （最大功率90 kW，峰值扭矩260 Nm）及兩級減速器。匹配的高壓動力電池是寧德時代公司生產的三元 （鎳鈷錳）鋰電池，該電池總體標稱電壓為350.4 V（共含有192個電壓為3.65 V的單體電池，連接方式是兩兩并聯后串聯），容量49 kWh，為車輛的動力驅動電機、空調壓縮機、電子暖風加熱器PTC等高壓部件供電。

東風富康ES500轎車，采用了簡易版電池熱管理系統。在充電過程中，根據動力電池的溫度狀況，系統控制電池的升溫或降溫，使電池在理想的溫度下進行充電，從而延長電池使用壽命，增加車輛續駛里程。下面介紹簡易版電池熱管理系統的部件作用及工作原理。

1 簡易版電池熱管理系統所涉及部件的位置與作用

東風富康ES500電動汽車簡易版電池熱管理系統所涉及的部件有：動力電池控制單元 （BMS）、電機控制單元（MCU）、電池溫度控制器 （BCU）、空調控制電腦 （AC）、空調壓縮機、電子暖風加熱器 （PTC）、電子暖風水泵 （PTC水泵）、驅動電機電動水泵 （EWP）、空調電磁閥、空調電磁膨脹閥、暖風三通閥、電池冷卻循環水泵、電池進水口溫度傳感器、冷凝器風扇和電池熱交換裝置，如圖1所示。它們在車上的具體位置如圖2所示。

簡易版電池熱管理中各部件的作用如下。

1）動力電池控制單元 （BMS）。BMS安裝在動力電池的內部，不可單獨更換。在電池熱管理系統中主要作用有：①確認動力電池的快／慢充電情況；②確認動力電池內部溫度信息；③電池降溫時，控制動力電池給空調壓縮機供電；④電池升溫時，控制動力電池給電子暖風加熱器 （PTC）供電。

2）電機控制器 （MCU）。MCU是車輛驅動電機的控制單元，也是全車車載網絡H-CAN（高壓系統網）和P-CAN（低壓系統網）的網關。其控制車輛驅動電機的充／放電，安裝在車載充電機下方，驅動電機上方，打開引機蓋即可看到。在電池熱管理系統中的主要作用是：①將BMS發出的電池升溫／降溫信息通過網絡傳遞給空調控制電腦 （AC）和電池溫度控制器 （BCU）；②命令驅動電機電動水泵 （EWP）給冷凝器風扇供電。

3）電池溫度控制器 （BCU）。BCU安裝在駕駛員座椅的下方。主要作用是：①接受BMS通過網絡傳遞的電池升溫／降溫的命令，控制空調電磁閥和電磁膨脹閥的開／關；②接收電池進水口溫度傳感器的信息；③命令電池冷卻循環水泵開啟／關閉。

4）空調控制單元 （AC）。AC安裝在空調面板后方。主要作用是：接受BMS通過網絡傳遞的電池升溫／降溫的命令，控制空調壓縮機或電子暖風加熱器 （PTC）及電子暖風水泵（PTC水泵）工作。

圖1 簡易版電池熱管理系統部件圖

圖2 簡易版電池熱管理系統部件位置圖

5）電子暖風加熱器 （PTC）和電子暖風水泵 （PTC水泵）。兩部件安裝在機艙左下部。在電池熱管理系統中的作用是：PTC水泵接收空調電腦 （AC）的命令，PTC接收動力電池的高壓電，加熱PTC冷卻液并使加熱后的PTC冷卻液循環。

6）驅動電機電動水泵 （EWP）。EWP安裝在機艙左下部。在電池熱管理系統中，主要作用是：接受MCU通過HCAN網絡傳遞的命令，控制冷凝器風扇運轉。

7）電池循環水泵。安裝在車輛底盤上，前托架后方上部，動力電池前部。主要作用是：接受電池溫度控制器（BCU）的控制命令，使電池冷卻液循環。

8）熱交換裝置。安裝在驅動電機后部。主要作用是：在電池升溫／降溫時，利用熱傳遞原理，通過空調制冷劑（R134a）和PTC冷卻液在該裝置內對電池冷卻液進行降溫／升溫，使動力電池在理想溫度下充電。

9）空調電磁閥和空調電磁膨脹閥。前者安裝在空調高壓管路上，后者安裝在熱交換裝置前部。在動力電池降溫時，電池溫度控制器 （BCU）命令空調電磁閥關閉，電磁膨脹閥開啟，這樣，制冷劑 （R134a）將進入熱交換裝置而不進入蒸發器。此時，在電池充電狀態下優先保證電池降溫，由于制冷劑無法經過蒸發器，所以座艙內無空調制冷。

10）暖風三通閥。安裝在兩級減速器后部，驅動電機左后部。在驅動電池升溫時，電池溫度控制器 （BCU）命令暖風三通閥變換位置，使原來流經暖風水箱的PTC冷卻液轉而流經熱交換裝置。此時，在電池充電狀態下優先保證電池升溫，由于PTC冷卻液無法經過暖風水箱，所以座艙內無空調暖風。

11）電池進水口溫度傳感器。安裝在電池冷卻液進水管上，驅動電機后方。在熱管理系統中的主要作用是：反饋電池冷卻液進水口溫度信息給電池溫度控制器 （BCU），BCU根據此信息并結合電池內部溫度信息控制電池升溫／降溫的開啟與關閉。

12）空調壓縮機。安裝在機艙右下部。在電池熱管理系統中，主要作用是：在驅動電池降溫時，接受空調控制單元（AC）的啟動命令，使制冷劑R134a在空調系統內進行循環，并在熱交換裝置內部對電池冷卻液進行熱傳遞，使之降溫。

2 簡易版電池熱管理系統的工作原理

2.1 系統結構簡圖

簡易版電池熱管理系統的結構簡圖如圖3所示。

圖3 簡易版電池熱管理系統結構簡圖

在該系統結構圖中共存在3個循環：①動力電池冷卻液循環，見圖3中綠色箭頭；②PTC冷卻液循環，見圖3中紅色箭頭；③R134a空調制冷劑循環，見圖3中藍色箭頭。

2.2 動力電池升溫工作原理

動力電池升溫電路原理如圖4所示，圖示說明見表1。

圖4 動力電池升溫電路原理簡圖

表1 動力電池升溫電路原理簡圖圖示說明

1）當動力電池最低溫度低于15℃且平均溫度低于17℃（快充時），或動力電池最低溫度低于0℃且平均溫度低于2℃（慢充時），系統控制動力電池開始升溫。

2）電池溫度控制器 （BCU）接收從動力電池控制單元（BMS）通過網絡傳遞過來的制熱請求信息，并將此信息傳遞給空調控制單元 （AC）。收到制熱信息之后，BCU控制暖風三通閥關閉暖風水箱通道，打開熱交換裝置通道，并命令電池循環水泵開啟工作；AC控制PTC水泵啟動，并且發出要求電子暖風加熱器 （PTC）啟動的命令，動力電池組提供350.4 V高壓電給PTC，PTC啟動并加熱PTC冷卻液。同時，BCU還要通過電池進水口溫度傳感器監控電池進水口溫度信息，防止電池升溫過度。

3）電池升溫時的PTC冷卻液循環為：PTC水泵→熱交換裝置→三通閥→電子暖風加熱器 （PTC）→PTC水泵；電池冷卻液循環為：電池循環水泵→動力電池組 （動力電池控制單元）→熱交換裝置→電池循環水泵。在熱交換裝置內，溫度高的PTC冷卻液與電池冷卻液進行熱傳遞，對溫度較低的電池冷卻液進行升溫。PTC冷卻液水壺和電池冷卻液水壺分別儲存冷卻液，并在循環過程中為系統提供充足的冷卻液。PTC冷卻液水壺和電池冷卻液水壺如圖5所示。

4）當電池進水口溫度高于50℃，動力電池升溫停止。電池溫度控制器 （BCU）控制三通閥復位 （打開暖風水箱通道）。BCU將動力電池升溫停止信息通過網絡傳遞給空調控制單元 （AC）和電池控制單元 （BMS），AC收到信息后將發出關閉電子暖風加熱器 （PTC）指令并關閉PTC冷卻液泵，BMS停止給PTC輸出高壓電，加熱停止。

圖5 機艙各冷卻液水壺位置圖

5）當動力電池最低溫度高于20℃且平均溫度高于22℃（快充時），或動力電池最低溫度高于5℃且平均溫度高于7℃（慢充時），電池溫度控制器 （BCU）命令電池冷卻液泵停止工作，電池冷卻液停止循環。

2.3 動力電池降溫工作原理

動力電池降溫電路原理如圖6所示，圖示說明見表2。

圖6 動力電池降溫電路原理簡圖

表2 動力電池降溫電路原理簡圖圖示說明

1）當動力電池最低溫度高于32℃且平均溫度高于30℃（快充時），或動力電池最低溫度高于35℃且平均溫度高于33℃ （慢充時），系統控制動力電池開始降溫。

2）電池溫度控制器 （BCU）接收從動力電池控制單元（BMS）通過網絡傳遞過來的制冷請求信息，并將此信息傳遞給空調控制單元 （AC）。收到制冷信息之后，BCU控制空調電磁閥關閉、電磁膨脹閥打開，此時蒸發器通道關閉，熱交換裝置通道打開，并且BCU還命令電池循環水泵開啟工作；AC發出要求空調壓縮機啟動的命令，動力電池組提供350.4 V高壓電給空調壓縮機，壓縮機啟動，同時電機控制器 （MCU）還要命令驅動電機電動水泵 （EWP）給冷凝器風扇供電。此外，BCU還要通過電池進水口溫度傳感器監控電池進水口溫度信息，防止電池降溫過度。

3）電池降溫時的R134a制冷劑循環為：空調壓縮機→冷凝器→電磁膨脹閥→熱交換裝置→空調壓縮機；電池冷卻液循環為：電池循環水泵→動力電池組 （動力電池控制單元）→熱交換裝置→電池循環水泵。在熱交換裝置內，低溫的制冷劑R134a與電池冷卻液進行熱傳遞，帶走電池冷卻液的熱量對其進行降溫。電池冷卻液水壺儲存電池冷卻液，在循環過程中為系統提供充足的冷卻液。

4）當電池進水口溫度低于15℃，動力電池降溫停止。電池溫度控制器 （BCU）控制空調電磁閥打開、電磁膨脹閥關閉，此時蒸發器通道打開，熱交換裝置通道關閉。BCU將動力電池降溫停止信息通過網絡傳遞給空調控制單元 （AC）和電池控制單元 （BMS），AC收到信息后將發出關閉空調壓縮機指令，BMS停止給壓縮機輸出高壓電，同時電機控制器（MCU）命令驅動電機電動水泵 （EWP）不再給冷凝器風扇供電。降溫停止。

5）當動力電池最高溫度低于28℃且平均溫度低于26℃，電池溫度控制器 （BCU）命令電池冷卻液泵停止工作，電池冷卻液停止循環。

3 結束語

簡易版電池熱管理系統只有在純充電情況下才能對動力電池進行升／降溫，在車輛正常行駛過程中，電池不進行熱管理。電池溫度控制器 （BCU）根據條件要求空調壓縮機和電子暖風加熱器 （PTC）自動工作，讓電池在合適的溫度下進行充電。充電時，駕駛艙內暫時不允許空調系統進行制冷或制熱，BCU優先考慮充電時動力電池的升／降溫。