軌道交通電池系統(tǒng)外置水冷方案設(shè)計(jì)*

張楷翼 ， 曠利平 ， 黃藝娜

（湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421002）

0 引言

城市軌道交通新能源車(chē)用動(dòng)力電池系統(tǒng)在行車(chē)、充電模式下，會(huì)由于電池自身化學(xué)效應(yīng)而產(chǎn)生熱量，這會(huì)影響行車(chē)和充電效率，甚至可能引發(fā)安全事故。另外，市場(chǎng)終端客戶(hù)對(duì)電池容量衰減、充電倍率的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的動(dòng)力電池系統(tǒng)均采用自然散熱，無(wú)法滿足行車(chē)及充電效率、電池容量衰減等要求。電池溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛動(dòng)力性能下降、充電時(shí)間延長(zhǎng)、電池衰減加速，影響客戶(hù)體驗(yàn)，因此電池冷卻尤為重要[1]。

為解決此問(wèn)題，課題組設(shè)計(jì)了一種電池系統(tǒng)外置水冷方案。該方案為電池系統(tǒng)配置外置液冷板，由BMS根據(jù)當(dāng)前電池系統(tǒng)的最高溫度與平均溫度控制水冷機(jī)組的開(kāi)啟和關(guān)閉，水冷機(jī)組提供制冷及維持水路循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池在行車(chē)、充電及高溫環(huán)境等狀況下均能保持良好的工作環(huán)境溫度，滿足市場(chǎng)終端客戶(hù)對(duì)電池容量衰減及充電效率的要求[2]。

1 電池系統(tǒng)外置水冷方案設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水冷Pack主要由Pack本體、液冷板及托架系統(tǒng)組成。三者通過(guò)連接緊固件連接成一個(gè)整體，其中液冷板依靠托架系統(tǒng)和Pack本體夾持保持與Pack本體底部的貼合；液冷板與Pack本體底部接觸部分通過(guò)導(dǎo)熱墊保證緊密貼合并起到導(dǎo)熱作用[3-4]。

水冷的冷卻模式共分為兩種：行車(chē)?yán)鋮s、充電冷卻。

行車(chē)?yán)鋮s：行車(chē)時(shí)，若BMS檢測(cè)到電池溫度高于冷卻開(kāi)啟閾值，則控制高壓盒中的水冷繼電器吸合。電池系統(tǒng)中的電能通過(guò)水冷高壓回路給到整車(chē)水冷機(jī)組，水冷機(jī)組中各零部件進(jìn)入工作狀態(tài)，開(kāi)始制冷模式，直至電池溫度降至允許值，BMS控制繼電器斷開(kāi)，停止制冷。

充電冷卻：充電時(shí)，若BMS檢測(cè)到電池溫度高于冷卻開(kāi)啟閾值，則控制高壓盒中的水冷繼電器吸合。充電樁中的電能通過(guò)水冷高壓回路給到整車(chē)水冷機(jī)組，水冷機(jī)組中各零部件進(jìn)入工作狀態(tài)，開(kāi)啟制冷模式，直至電池溫度降至允許值，BMS控制繼電器斷開(kāi)，停止制冷。

外置液冷板電箱如圖1所示，外置水冷系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖1 外置液冷板電箱

圖2 外置水冷系統(tǒng)示意圖

1.2 水冷策略設(shè)計(jì)

BMS與TMS通過(guò)CAN報(bào)文進(jìn)行交互[5-6]，TMS將自身工作狀態(tài)與水冷機(jī)組狀態(tài)反饋給BMS，由BMS根據(jù)當(dāng)前水溫及水冷機(jī)組狀態(tài)下發(fā)工作模式（制冷、自循環(huán)、關(guān)機(jī)）。電池系統(tǒng)充電與行車(chē)時(shí)水冷開(kāi)啟與關(guān)閉條件如表1所示，BMS與TMS上、下高壓流程圖如圖3和圖4所示[7-8]。

圖3 BMS與TMS上高壓邏輯圖

圖4 BMS與TMS下高壓邏輯圖

表1 水冷開(kāi)啟與關(guān)閉閾值

2 方案測(cè)試

手動(dòng)發(fā)送絕緣檢測(cè)開(kāi)啟指令：ID=0x1833D0F3第一個(gè)字節(jié)bit1bit2發(fā)01，絕緣檢測(cè)開(kāi)啟；在高壓正極與地之間接入電阻值為200 kΩ的電阻，在絕緣電阻測(cè)試處于開(kāi)啟狀態(tài)查看采集板上報(bào)絕緣電阻值為199 kΩ；手動(dòng)發(fā)送絕緣檢測(cè)關(guān)閉指令：ID=0x1833D0F3第一個(gè)字節(jié)bit1bit2發(fā)00；查看采集板上位機(jī)顯示絕緣電阻為5 000 kΩ，絕緣檢測(cè)功能的檢測(cè)結(jié)果均為合格，根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，搭建臺(tái)架測(cè)試如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖

3 方案驗(yàn)證

選取某公司8 m商用車(chē)為測(cè)試對(duì)象，當(dāng)天氣溫為31 ℃，以行車(chē)過(guò)程和充電過(guò)程為例，進(jìn)行電池水冷效果測(cè)試。

1）行車(chē)測(cè)試。行車(chē)時(shí)間為10：26：13至11：06：17，電池初始SOC為78%，整車(chē)行車(chē)過(guò)程單體電池初始最高溫度為25 ℃，最低溫度為24 ℃，溫差1 ℃；行車(chē)結(jié)束后，單體電池最高溫度為27 ℃，最低溫度為26 ℃，溫差1 ℃；單體最高溫度與最低溫度均上升2 ℃，水冷機(jī)組未工作。

2）充電測(cè)試。充電初始，電池SOC為73%，單體最高溫度29 ℃，最低溫度28 ℃，直至充滿，充電時(shí)間為14：23：46至15：05：42，充電電流基本維持在120 A左右，直到充電末端才進(jìn)入降流階段。充電初始單體最高電壓與最低電壓在3.35 V左右，充電末端單體最高電壓為3.71 V，單體最低電壓為3.502 V，壓差208 mV。充電過(guò)程中，單體初始最高溫度為29 ℃，最低溫度為28 ℃，溫差 1℃；充電結(jié)束后，單體最高溫度上升到32 ℃，最低溫度上升到31 ℃，溫升1 ℃。單體最高溫度上升3 ℃，水冷效果較好。

4 總結(jié)

課題組從電池系統(tǒng)外置水冷方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣構(gòu)架和軟件策略三個(gè)方面設(shè)計(jì)了軌道交通電池系統(tǒng)外置水冷功能[9-10]，經(jīng)過(guò)裝車(chē)測(cè)試驗(yàn)證了該方案水冷效果的優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力電池在行車(chē)、充電及高溫環(huán)境等狀況下均能處于良好的工作環(huán)境溫度，滿足市場(chǎng)終端客戶(hù)對(duì)電池容量衰減及充電效率等的要求，提升了電池系統(tǒng)產(chǎn)品的適用性與競(jìng)爭(zhēng)力。