某型混合動力越野車電池冷卻系統解決方案

【摘" 要】混合動力車由于新增電驅動相關零部件，對散熱系統提出新的要求，其中的動力電池更是工作溫度上限僅55℃，常規的散熱系統無法滿足其要求。介紹由電動壓縮機、電池冷卻器、冷凝器等零部件組成的電池冷卻系統。借鑒傳統空調系統開發的經驗及流程，完成電池冷卻系統的開發。在實車驗證過程中，發現系統設計的臺架測試工況、系統控制策略及熱負荷計算匹配等問題，針對問題進行改進，改進后的系統消除初始設計的各項問題，并且能夠滿足系統散熱的需求。本文的研究成果可對后續電池冷卻系統的開發提供指導。

【關鍵詞】電池冷卻；控制策略；負荷計算

中圖分類號：U463.633" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2023 ）11-0009-05

Solution for Battery Cooling System of a Certain Type of Hybrid Off-Road Vehicle

LI Yang，ZHOU Zhou

（Beijing Automotive Research Institute，Beijing 102200，China）

【Abstract】Due to the addition of electric drive related components，hybrid vehicles have put forward new requirements for the heat dissipation system. Among them，the upper limit of the operating temperature of the power battery is only 55 ℃，and conventional heat dissipation systems cannot meet its requirements. Introduce a battery cooling system composed of electric compressors，battery coolers，condensers，and other components. Drawing on the experience and process of traditional air conditioning system development，complete the development of battery cooling system. During the actual vehicle verification process，issues such as bench testing conditions，system control strategy，and heat load calculation matching in the system design were identified and improved. The improved system eliminated various issues in the initial design and was able to meet the heat dissipation requirements of the system. The research results can provide guidance for the development of subsequent battery cooling systems.

【Key words】battery cooling；control strategy；load calculation；hybrid off-road vehicle

1" 散熱需求及方案簡述

混合動力車型有散熱需求的系統除了發動機總成、增壓后的進氣、變速器等傳統部件，還有動力電池、驅動電機、發電機、DC/DC、充電機等電驅動部件。傳統部件（發動機、進氣、變速器）工作溫度較高，由傳統散熱系統（散熱器、中冷器、油冷器等）實現散熱。新增的驅動電機、發電機、DC/DC及充電器工作溫度比上述傳統部件稍低，如與之共用散熱器，系統將無法實現散熱，因此出現了一套低溫散熱系統對這類次高溫零部件進行散熱。然而動力電池工作溫度更低（不高于55℃），低溫散熱系統的溫度依然無法滿足其散熱要求，此刻車輛上唯一的制冷源“空調系統”承擔起了這項工作。對該車有散熱需求的零部件（后續簡稱發熱部件）進行了統計，見表1。

由于普通轎車通常更加關注于續航里程、燃油經濟性，而越野車型對動力性的需求使得越野車型的混動方案異于普通轎車。越野車型相對于普通轎車，需求更大的驅動功率，從而作為驅動電機工作能量源的動力電池就需要更大的放電能力，在效率沒有較大提升的情況下，動力電池熱損失，即產生的熱量將遠大于普通轎車，這樣就對電池冷卻系統提出了更高的要求，系統將面臨更大的挑戰。

電池冷卻系統按冷卻方式通常分為自然冷卻、通風冷卻、液冷冷卻及制冷劑直冷4類。普通轎車由于動力電池發熱量不大，通常采用自然冷卻或風冷就能滿足需求，制冷劑直冷方式雖然換熱效率最高，但由于設計匹配難度大，容易造成電芯間溫差過大，在國內尚無應用案例，國際上也鮮有成功案例，因此該車型采用了液冷的電池冷卻方式。為了減輕低溫散熱系統的壓力，電池冷卻系統將工作溫度較低的DC/DC與充電機及某控制器也納入到該系統中。

1.1" 散熱需求

結合整車各工況及自身工作特性，各發熱部件發熱量見表2，動力電池還提出了15L/min的流量及25℃的進口水溫要求。

1.2" 方案簡述

電池冷卻系統主要部件包括壓縮機、冷凝器、電池冷卻器（后簡稱Chiller）及被冷卻部件（動力電池、充電機、DC/DC及某控制器），組成制冷劑回路及電池冷卻回路，如圖1所示。制冷劑回路與傳統空調系統相似，僅將傳統空調的蒸發器更換為Chiller，由壓縮機將制冷劑壓縮成高溫高壓的氣體，進入冷凝器進行降溫冷凝成液體，經過膨脹閥降壓降溫后在Chiller中蒸發吸熱，再回到壓縮機重新壓縮，完成循環。考慮到被冷卻部件較多，全串聯的連接方式會導致流阻過大，結合各發熱部件的發熱功率，進行排序連接方式調整。電池冷卻回路相比傳統空調，相當于將鼓風機更換為水泵，換熱介質由空氣更換為冷卻液，由水泵將降溫后的冷卻液送至動力電池，之后再并聯分別通過充電機、DC/DC及某控制器，對各零部件完成散熱后回到Chiller進行再次降溫完成循環。電池加熱回路類似傳統空調的制熱回路，取發動機小循環冷卻液的余熱給動力電池加熱，原理相對簡單本文未做過多闡述。

2" 系統方案

本章節結合制冷循環對系統運行進行理論計算，依據理論計算進行零部件的選型，然后進行零部件及系統臺架試驗驗證，根據各發熱部件及系統被控部件的電氣特性制定系統的控制策略，最后在實車上進行了整套方案的功性能驗證。圖2為系統數據布置俯視圖。

2.1" 控制策略

該電池冷卻系統的控制由混動控制器HCU實現，涉及的系統內被控元器件包含電動壓縮機、冷卻水泵、加熱/冷卻水閥，系統外被控元器件包含散熱風扇，系統內輸入信號包含壓力開關，系統外輸入信號包含發動機水溫、動力電池電芯溫度、充電機溫度、DC/DC溫度、某控制器溫度。HCU通過采集相關輸入信號控制各元器件動作，完成對發熱部件的降溫。電器框圖見圖3。

由選型可知壓縮機在3500r/min時滿足系統性能要求，因此采用壓縮機ON/OFF的控制邏輯，即開機就將轉速固定在3500r/min。借鑒傳統空調系統的壓縮機控制策略，根據各發熱部件的溫度控制壓縮機的開關。以發熱部件的允許液溫值上限作為壓縮機的開啟條件，由于任何一個發熱部件達到開啟條件，系統就必須響應，因此該條邏輯為“或”的關系。為了避免壓縮機出現頻繁吸合斷開的情況，將壓縮機的關閉溫度降低10℃形成滯回控制曲線（圖4），由于任何一個發熱部件未達到關閉的條件，系統就必須繼續工作為其降溫，因此該邏輯為“與”的關系。另壓縮機還有一個壓力控制條件，高低壓壓力開關信號斷開（壓力過高或者過低）后，切斷壓縮機。壓縮機控制邏輯見圖5。

2.2" 整車驗證

經過匹配驗證后的系統搭載到整車后進行簡單摸底試驗。

1）測試工況1：環境溫度27℃，增程器啟動以15kW功率為動力電池充電，充電機及某控制器均處于不工作狀態，電池SOC從20%升至80%，用時約35min。

如圖6所示，整個試驗過程可分為5個階段。①階段約14min：動力電池溫度達到27℃，水泵工作，動力電池及DC/DC發熱溫度逐漸升高，產生的部分熱量被冷卻液帶走。升溫的冷卻液經過充電機及某控制器時，發生熱交換導致其溫度輕微上升。②階段約1min：動力電池溫度達到壓縮機開啟溫度點35℃，壓縮機啟動。冷卻液經過Chiller迅速降溫至8℃，動力電池及DC/DC產生的熱量能夠完全被冷卻液帶走，溫度開始下降。充電機及某控制器也被低溫冷卻液經過時帶走熱量，溫度開始降低。③階段約15min：各部件熱量持續被低溫冷卻液帶走，溫度持續下降，直至動力電池溫度低于25℃達到壓縮機關閉條件。④階段約1min：壓縮機關閉后，冷卻液繼續從各部件吸熱，溫度迅速回升。⑤階段約4min：冷卻液已無法完全帶走動力電池及DC/DC產生的熱量，溫度開始回升。充電機及某控制器溫度低于冷卻液，從冷卻液中吸收熱量，溫度也開始回升。

2）測試工況2：環境溫度25℃，純電模式50km/h勻速行駛，充電機及某控制器不工作，SOC從90%降至20%，用時約10min。

由試驗數據曲線（圖7）可看出，放電工況分為3個階段，與充電工況前3個階段類似，由于動力電池發熱量變大，①階段時長變短，②、③階段動力電池降溫速率變小。

從摸底試驗可以看出，該電池冷卻系統能夠將動力電池溫度控制在25～35℃之間，遠低于動力電池的許用溫度上限55℃，因此可以判定在以上兩個工況滿足發熱部件對散熱的需求。但是，該系統在壓縮機啟動后將冷卻液溫度降低到10℃以下，在動力電池發熱功率較小的情況下甚至能降到5℃以下。經過對系統參數的分析，在chiller出口溫度如此低的情況下，chiller制冷劑出口過熱度較低，壓縮機存在液擊損壞的風險。

3" 改進優化

3.1" 問題描述及優化方案

通過對電池冷卻系統方案的臺架及實車驗證，發現設計過程中存在3項問題：Chiller零件amp;系統臺架試驗性能差異問題、壓縮機啟動后冷卻液溫度過低問題、電池冷卻系統性能富余量較大問題。針對這些問題進行分析并制定優化方案。

由于系統負荷在車輛實際運行過程中是實時變化的，而電池冷卻系統一直以最大能力工作勢必會造成系統問題的振蕩，負荷越小系統振蕩越嚴重。需要改進控制策略使系統制冷量能夠隨負荷進行動態調節，而不是簡單地啟動/關閉系統。因此擬通過對壓縮機的轉速進行調節來實現系統制冷量的調節。

圖8為優化后的控制邏輯圖。當水溫高于開啟溫度T0（根據系統）后，依據圖9中黃線啟動壓縮機，之后以水溫20℃為目標，T1動態調節壓縮機轉速，當計算出的轉速低于ωmin后關閉壓縮機。

3.2" 改進效果

為驗證改進后系統的冷卻效果，利用MATLAB軟件的simulation模塊進行仿真分析。依據牛頓冷卻定律q=h（T1-T2）進行各零部件的換熱模型搭建，并根據壓縮機調速邏輯進行控制模型搭建，最后形成完整的控制仿真模型（圖10）。

結合零部件及整車試驗數據，對模型進行修正校驗。然后設置初始溫度為46℃，水溫控制目標溫度為20℃，仿真分析見圖11，具體分析結果如下。

1）慢充工況：以0.25C為動力電池充電，時長240min。由于總體負荷較低，系統工作時水溫在13℃附近，壓縮機啟動18次，除首次啟動約14min，后續每次啟動約2min，間隔時長約11min，隨負荷減少間隔逐漸加大。動力電池溫度控制在22～24℃；DC/DC溫度控制在31～34℃，充電機隨著充電功率逐漸降低，溫度最后降至23℃。

2）增程器充電工況：增程器以2C為動力電池充電，時長30 min。系統啟動后迅速將水溫降低至20℃，之后緩慢下降至13～15℃，壓縮機調速邏輯控制壓縮機轉速逐步降低，直至低于最低轉速時切斷壓縮機，動力電池及DC/DC溫度最后下降至29℃附近。

3）純電勻速行駛工況：動力電池以4C進行放電，時長15 min。水溫下降至15℃后緩慢回升至18℃，壓縮機轉速逐步降低至2700r/min。動力電池溫度持續下降至40℃，DC/DC溫度持續下降至34℃。

4）純電急加速工況：動力電池以8C進行放電，時長7.5 min。水溫下降至17℃后緩慢回升至18℃，壓縮機轉速逐步降低至4300r/min。由于動力電池發熱量較大，其溫度呈上升趨勢至52℃，DC/DC溫度緩慢下降至44℃。

5）純電HX勻速工況：動力電池以2C進行放電，某控制器以額定功率放電，時長30min。水溫穩定控制在20℃，壓縮機轉速逐步降低至3600r/min。動力電池及DC/DC溫度持續下降至32℃，某控制器溫度緩慢上升至50℃。

6）純電HX急加速工況：動力電池以4C進行放電，某控制器以峰值功率進行放電，時長15min。壓縮機啟動后水溫迅速降至20℃，之后呈緩慢上升趨勢至26℃，壓縮機一直處于最高轉速運行。動力電池及DC/DC能穩定在46℃，某控制器持續上升至83℃。

由仿真結果可以看到，在兩個急加速工況末了，動力電池達到52℃（限值55℃），某控制器溫度83℃（限值85℃）。但是在車輛實際使用過程中不會出現全程極限工況，短時出現后隨著發熱量的下降溫度就會降低。因此判定改進后的零部件選型及控制策略是有效的，能夠將發熱部件溫度控制在安全范圍。

4" 總結

對電池冷卻系統的開發進行了研究，從分析系統需求到零部件選型形成了初版技術方案，再經過整車試驗結果分析系統存在的問題，從而對電池冷卻系統進行有針對性的整改。發現了Chiller測試工況的問題：動力電池換熱性能的不足以及壓縮機控制策略的不合理。經過對系統的優化形成了新的系統方案，再通過MATLAB軟件進行改進后的控制策略及發熱部件的溫度控制效果進行仿真分析，結果顯示改進方案能夠有效地解決原系統的問題，優化了壓縮機控制策略，由原始的ON/OFF控制邏輯調整為隨負荷進行動態調速，由以動力電池溫度作為控制目標調整為以冷卻液水溫作為目標，并申報了發明專利。新的控制邏輯能夠有效避免低負荷工況壓縮機頻繁啟停，避免冷卻液溫度持續過低，提高了壓縮機的可靠性，降低結霜風險。

參考文獻：

[1] [日]圓山重直. 傳熱學[M]. 王世學，張信榮，等，譯. 北京：北京大學出版社，2011：8-9.

[2] 闕雄才，陳江平. 汽車空調實用技術[M]. 北京：機械工業出版社，2003.

[3] 陽斌，趙久志，吳睿龍，等. 電動汽車交流充電效率影響要素分析[J]. 汽車實用技術，2017（13）：164-165.

[4] 許楨賢，譚淳洲，羅玲. 動力電池充放電效率測試方法及特性研究[J]. 新能源汽車，2019（16）：7-9.

[5] 馬源. 車載移相全橋DC/DC充電電源的研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱理工大學，2019.

（編輯" 楊凱麟）

作者簡介

李楊（1984—），男，高級工程師，主要從事汽車空調系統開發研究及軍用車輛上裝設備研究開發；周舟（1983-），男，高級工程師，主要從事特種車輛智能化開發管理工作。