電動客車電池熱管理系統設計

勞中建，胡錦爐，鐘東文，許海峰，陳 程

（廣州通達汽車電氣股份有限公司，廣州 510700）

0 引言

電動汽車是國家重要戰略新興產業［1］，純電動公共交通車輛是電動汽車領域優先發展板塊，可有效解決城市環保問題，也是實現碳達峰、碳中和目標的重要支持。純電動公交車使用的動力電池，對與溫度相關的電池安全性、性能穩定性、電池壽命等要求越來越高，因此，提供溫度控制功能的電池熱管理系統尤為重要。電池熱管理系統主要作用為管理電池溫度，無論是在低溫還是在高溫環境下，都必須使電池始終處在適宜的溫度范圍內工作［2］。電動客車使用的動力電池現在均為鋰電池，但是由于鋰電池的技術限制，溫度過低會影響鋰電池充放電和續航能力，溫度過高會導致電池單體衰減不平衡使壽命變短。研究表明，隨著溫度的升高，電池電壓下降速率增大，電池內部化學反應越來越活潑，自放電越來越大［3］。為提高純電動公交車續航里程和電池壽命，采用熱管理系統控制電池溫度處于最佳范圍內，不僅有利于提高純電動公交車的續航里程，還有利于提高動力電池的使用壽命。

電池熱管理系統具備散熱及加熱兩種溫度調節方式。動力電池散熱目前主要可分為空冷散熱、相變材料散熱以及液冷散熱［4］。其中空冷散熱又分為強制風冷散熱系統和自然對流散熱系統，液冷散熱又分為水冷系統和直冷系統。空冷散熱方式結構簡單［5］、成本低，但冷卻速度較慢、散熱效率不高，很難保證電池均溫性，僅適用于能量密度比較小的動力電池散熱。相變材料通過恒溫可快速吸收潛熱，在一定工況范圍內可起到調溫作用，但當電池發熱功率太大時，仍需通過其他散熱方式把熱傳遞到外面，并且在車載環境下，振動可能會導致材料分布不均，影響電池均溫性［6］。液體冷卻換熱效率高、散熱功率大、冷卻效果快、電池溫度分布相對較均勻、結構相對簡單。其中直冷系統由于采用單獨的制冷機組及制冷劑直接冷卻，雖然冷卻速度最快，但由于結構較復雜，既增加整車重量，又擠占整車空間，也提高了整車制造成本。水冷系統不但冷卻效果顯著，結構相對簡單，成本也較低，便于采用智能控制技術，使電池的溫度控制在預期范圍內，而且水冷系統由于水溶液熱容較大，溫度變化相對平緩，有利于控制電池溫度，減小波動，提高電池溫度均勻性。動力電池在低溫情況下使用會影響車輛里程或產生析鋰現象，造成電池損壞，所以在低溫情況下需要給電池預熱。電池加熱方式有電池自加熱和環境加熱，電池自加熱通過在電池正、負極上施加交流電對電池進行加熱［7］；環境加熱主要有風暖加熱及液體加熱。

本文設計的電池熱管理系統采用液體散熱及加熱方式，根據實時采集的進水溫度，自動切換冷卻、加熱回路，智能調整冷卻及加熱功率，實現精準控制電池的溫度，使電池始終工作于適宜溫度內，可有效降低能耗、提高電池工作穩定性及延長壽命［8］。

1 電池熱管理系統設計

本系統主要由熱管理控制模塊、顯示模塊、水循環模塊及制冷模塊組成，系統原理如圖1 所示。

圖1 系統總原理

1.1 水循環模塊

水循環模塊是電池包直接冷卻及加熱模塊，通過管道把冷板、加熱器、板式換熱器及電子水泵連接起來，采用直流無刷電子水泵強制冷卻液進行熱循環，在制冷時通過冷板把電芯熱量帶走，在加熱時可啟動加熱器，通過冷板給電芯進行加熱。冷卻液采用水和乙二醇混合溶液，具備熱容大且工作溫度范圍較廣的優點。直流無刷電子水泵采用PWM 控制方式，可實現無級調速，提高系統可控性。加熱器采用PTC 加熱器，結構相對簡單，加熱速度快，并且在極低溫下也能正常啟動。

1.2 制冷模塊

制冷模塊是一套空調系統，通過板式換熱器與水循環模塊進行熱交換。因為電池工作溫度要求比較嚴格，當環境溫度高于電池最佳工作溫度時，單靠風冷式散熱無法達到很好的散熱效果，而空調系統則可以提供低于環境溫度的制冷能力。制冷模塊包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥整套空調冷卻系統，利用空調系統對冷卻液進行降溫，再通過降溫后的制冷劑與板式換熱器內冷卻液進行熱交換，最后通過冷卻液對電池包進行冷卻［9］。采用高電壓的渦旋式壓縮機和環保型制冷制，環保節能且靜音效果好，具備過壓保護、欠壓保護、短路保護、缺相保護、過載保護、過熱保護等功能，同時帶有CAN 總線功能，可通過CAN總線控制啟停及調速，發生故障時也能及時反饋故障信息給系統。冷凝器是空調系統的散熱機件，通過把氣體或蒸氣轉換為液體形成放熱，并由其上的直流無刷電子風扇把管內熱量散發到空氣中。

1.3 控制模塊

控制模塊具備溫度采樣及控制輸出功能，可控制系統在常溫散熱、高溫冷卻及低溫加熱模式下正常工作。控制模塊通過在電池包進水及出水口分別增加溫度傳感器進行實時溫度信息采集，然后通過智能溫度控制程序，自動選擇常溫散熱、高溫制冷或者低溫加熱模式進行控制。在常溫散式模式下，可動態調節水泵轉速進行散熱；在高溫制冷模式下，可動態調節壓縮機機率和冷凝器風扇功率，達到控制制冷模塊冷卻輸出效果；在低溫加熱模式下，只需要調節加熱器即可控制加熱輸出。

1.4 顯示模塊

顯示模塊是系統參數顯示及設置模塊，帶有2.4 寸LCD 觸摸屏，主要用于實現人機交互。不同類型的鋰電池，對工作溫度的要求是不一樣的，所以需要提供參數設置或選擇功能。顯示模塊具備參數設置及系統監控功能，可對系統部件工作狀態進行監控和預警，并可對運行參數進行調整，通過智能控制制冷及加熱功率的輸出，可保證動力電池工作在合理的溫度區間。

2 控制模塊硬件設計

控制模塊是電池熱管理系統的核心，由數據采集單元、電源單元、存儲單元、執行單元、通信單元及主控制器組成，模塊工作原理如圖2 所示。

圖2 控制模塊原理

（1）數據采集單元。數據采集單元包括進水溫度傳感器、出水溫度傳感器、水流量傳感器及AD 轉換器，主要用于采集控制所需參數。

（2）電源單元。電源單元主要把車內24 V 電壓轉換為MCU工作所需電壓，并提供過壓、過流等保護功能。

（3）存儲單元。存儲單元用于存儲設置參數及過程運行數據，以供算法使用。

（4）執行單元。執行單元包括循環水泵、冷凝器風扇、壓縮機及加熱器，通過控制其輸出以達到精確控溫的效果。

（5）通信單元。通信單元具備CAN總線通信功能，具有兩路總線，其中一路用于跟整車通訊并采集BMS 電池電芯溫度，另外一路則與壓縮機進行通訊，控制啟停及調速并接收反饋信息。

（6）主控制器。主控制器采用MCU 作為控制算法運行載體，根據采集到的進出水溫度、循環水流量進行控制，并在水泵開啟而水流量過低時會進行預警和保護。主控制器通過傳感器對電池包電芯、進水溫度及出水溫度進行監測，并且根據設定溫度控制輸出，最后通過PWM 輸出單元控制水泵及風扇的運轉速度，通過CAN總線控制壓縮機及加熱器的輸出功率。

3 溫度控制算法設計

電池熱管理系統溫度控制目標是使動力電池工作溫度處在限定溫度范圍，通過研究電芯溫度及進水溫度、出水溫度的關系，最終選取電池包的出水溫度作為系統的輸入溫度（Tin），其他溫度作為輔助決策條件［10］，根據溫度進行自動控制。根據系統輸入溫度，自動控制電池熱管理系統在常溫散熱模式、高溫冷卻模式、低溫加熱模式之間進行切換，使電池始終工作于限定溫度范圍內。當設定系統輸入溫度控制范圍為－ 20 ～35 ℃時，算法描述如下。

3.1 在常溫散熱模式下（5 ℃＜Tin ＜22 ℃）

系統只開啟循環水泵，并根據系統輸入溫度調節水泵的運行轉速來小范圍調節散熱功率，使系統處于設定溫度范圍內。但此種模式散熱功能有限，一般作為過渡階段存在，隨著溫度升高，很快會轉入高溫冷卻模式。

3.2 高溫冷卻模式（Tin≥22 ℃時）

控制流程如圖3 所示，設定最高、最低溫度，并分成4 個范圍，采用限制型模糊控制算法進行控制。首先設定最高及最低溫度范圍，在最高溫度時必須全功率工作，在最低溫度范圍內必須以最低功率工作，低于最低溫度則退出高溫冷卻模式。其次在最高及最低溫度中間的較高溫度范圍內（28 ℃≤Tin＜30 ℃），當相鄰兩次采樣的溫度上升或者停止時，才增大壓縮機和風扇轉速。最后在最高及最低溫度中間的較低溫度范圍內（22 ℃≤Tin＜28 ℃），當相鄰兩次采樣溫度上升超過0.5 ℃時增大壓縮機和風扇轉速；當溫度下降超過0.5℃時降低壓縮機和風扇轉速。

圖3 高溫冷卻模式控制流程

3.3 低溫加熱模式（Tin≤5 ℃時）

控制流程如圖4 所示，設定最高、最低溫度，并分成4 個范圍，采用限制型模糊控制算法進行控制。首先設定最高及最低溫度范圍，在最低溫度時必須全功率工作，在最高溫度范圍內必須以最低功率工作，高于最高溫度則退出低溫加熱模式。其次在最高及最低溫度中間的較低溫度范圍內（－ 20 ℃≤Tin＜－ 10 ℃），當相鄰兩次采樣的溫度下降或者停止時，增加PTC功率輸出。最后在最高及最低溫度中間的較高溫度范圍內（－10 ℃≤Tin＜0 ℃），當相鄰兩次采樣溫度下降超過0.5 ℃時增大PTC功率輸出；當溫度上升超過0.5 ℃時降低壓PTC功率輸出。

圖4 低溫加熱模式控制流程

4 結束語

在國家碳達峰及碳中和目標的驅動下，純電動客車應用越來越廣泛，安全及性能問題也越來越受到重視，同時電池熱管理系統也隨之發展得越來越快。本文提出的電池熱管理系統已在純電動客車上批量應用，通過在整車多種極端工況下測試及驗證，動力電池溫度均能穩定在最佳工作溫度范圍內。實驗結果表明，該電池熱管理系統設計方案安全有效，通過智能模糊溫度控制算法，能很好地滿足系統預期設計效果。該電池熱管理系統結構緊湊、溫度控制性能好、成本較低，能有效提升動力電池系統的性能和安全性，并延長動力電池使用壽命。