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纯电动客车动力电池热管理系统设计

  厦门金龙旅行车有限公司   2021-04-30 次浏览

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。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。

纯电动客车动力电池热管理系统设计

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。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,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。

纯电动客车动力电池热管理系统设计

2)工作原理。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。

纯电动客车动力电池热管理系统设计

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。

纯电动客车动力电池热管理系统设计

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。

纯电动客车动力电池热管理系统设计

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。

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