【熱管理設(shè)計(jì)】某車型電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

摘要：介紹電動(dòng)客車常見的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理，為電動(dòng)客車電池?zé)峁芾淼脑O(shè)計(jì)提供參考。

動(dòng)力電池性能對(duì)電動(dòng)客車的性能有著重要影響，而動(dòng)力電池的工作溫度與其性能密切相關(guān)，同時(shí)也影響著動(dòng)力電池的壽命和安全性。因此，動(dòng)力電池的熱管理系統(tǒng)也非常重要。

1 電池?zé)峁芾淼膸追N形式

動(dòng)力電池的熱管理包括高溫時(shí)對(duì)其冷卻和低溫時(shí)對(duì)其加熱。

1.1 電池冷卻方式

常見的動(dòng)力電池冷卻方式主要有自然風(fēng)冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷、液冷和冷媒直冷。其中強(qiáng)迫風(fēng)冷是直接將車內(nèi)的空調(diào)風(fēng)、自然風(fēng)或車外對(duì)流風(fēng)引入電池安裝艙對(duì)電池包進(jìn)行冷卻；液冷是用空調(diào)出風(fēng)或單獨(dú)制冷設(shè)備的冷媒降溫冷卻液冷卻后進(jìn)入電池包內(nèi)的熱交換器對(duì)其中的電芯進(jìn)行熱傳導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)電池降溫的目的；冷媒直冷是直接將單獨(dú)制冷設(shè)備的冷媒引入電池包內(nèi)的熱交換器，對(duì)其中的電芯進(jìn)行熱傳導(dǎo)來給電池降溫。不同冷卻方式的對(duì)比如下：

1)自然風(fēng)冷方式的冷卻性能取決于外界環(huán)境，不占用空間，無(wú)需控制，無(wú)能耗，系統(tǒng)成本低，容易實(shí)現(xiàn)，工藝可靠性最高，涉水風(fēng)險(xiǎn)低。

2)強(qiáng)迫風(fēng)冷方式的冷卻性能較差，系統(tǒng)體積最大，涉水風(fēng)險(xiǎn)高，但重量較輕，容易控制，能耗低，系統(tǒng)成本相對(duì)較低，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，工藝可靠性高。

3)液冷方式的冷卻性能較好，系統(tǒng)體積較小，控制原理成熟，難度中等相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，但該方式的系統(tǒng)重量較重，能耗高，系統(tǒng)成本最高，工藝可靠性一般，涉水風(fēng)險(xiǎn)較高。此為行業(yè)目前普遍采用的冷卻方式。

4)冷媒直冷方式的冷卻性能最好，系統(tǒng)體積較小，重量較輕，能耗較低，系統(tǒng)成本中等，但控制原理困難，實(shí)現(xiàn)難度高，工藝可靠性較高，涉水風(fēng)險(xiǎn)高。

目前冷媒直冷技術(shù)并不成熟，尚處于研究階段，未進(jìn)入工程實(shí)施階段。雖然冷媒直冷的換熱效率高，但是冷媒在電池包內(nèi)的蒸發(fā)通道中蒸發(fā)時(shí)各處溫度相差較大，電池溫度一致性較差，從而影響電池的充放電容量。另外客車電量大，電池包數(shù)量多，采用冷媒直冷的管路布置復(fù)雜且存在容易泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 電池加熱方式

常見的動(dòng)力電池加熱方式如下：

1)電池包內(nèi)部集成電加熱膜直接對(duì)電芯加熱。該加熱方式的效果取決于外界環(huán)境的溫度。環(huán)境溫度高于0 ℃時(shí)，采用電加熱膜加熱效果較好且不占用空間，無(wú)需控制，無(wú)能耗，系統(tǒng)成本低，容易實(shí)現(xiàn)；環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，電加熱膜加熱效果較差，一般不采用此加熱方式。

2)在電池?zé)峁芾硭费h(huán)系統(tǒng)中串接電液體式加熱器對(duì)防凍液進(jìn)行加熱。該方式加熱效果好，系統(tǒng)體積較小，僅需要占用一部分空間，成本相對(duì)較高，但是控制原理成熟，工藝可靠性較高，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，是目前最常用的電池加熱方式。

2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

不管是冬天還是夏天，電池的正常工作溫度都是25 ℃±5 ℃,冬天需要通過電池?zé)峁芾碓O(shè)備加熱，加熱的目標(biāo)水溫為25 ℃±5 ℃；夏天需要通過電池?zé)峁芾碓O(shè)備降溫，降溫的目標(biāo)水溫也為25 ℃±5 ℃。下面介紹3種客車常用的液冷(熱)式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，這3種電池?zé)峁芾砭鶎儆诩訜崂鋮s一體式系統(tǒng)，根據(jù)純電客車使用及環(huán)境溫度要求，當(dāng)系統(tǒng)需要冷卻時(shí)，直接通過電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的換熱器對(duì)防凍液進(jìn)行降溫;當(dāng)系統(tǒng)需要加熱時(shí)，電池?zé)峁芾硭费h(huán)系統(tǒng)中串接的PTC電液體式加熱器對(duì)防凍液進(jìn)行加熱。

2.1 簡(jiǎn)易機(jī)組形式

簡(jiǎn)易機(jī)組包括板式換熱器、水泵、風(fēng)機(jī)、PTC電液體加熱器，其原理如圖1所示，其組成如圖2所示。

圖1 簡(jiǎn)易機(jī)組系統(tǒng)原理圖

1-板式換熱器；2、5-電磁閥；3、4-水溫傳感器；6-PTC；7-風(fēng)機(jī)；8-控制器；9-水泵

圖2 簡(jiǎn)易機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)簡(jiǎn)易機(jī)組系統(tǒng)收到制冷信號(hào)時(shí)，電磁閥2打開，電磁閥5關(guān)閉，風(fēng)機(jī)和水泵開始工作，通過引風(fēng)管從空調(diào)風(fēng)道內(nèi)抽取冷空氣，冷空氣通過機(jī)組內(nèi)的板式換熱器與系統(tǒng)里的防凍液完成熱交換，然后通過水泵將防凍液送入電池內(nèi)部的換熱器中，從而達(dá)到降低電池溫度的目的。當(dāng)收到制熱信號(hào)后，電磁閥2關(guān)閉，電磁閥5打開，機(jī)組內(nèi)部的PTC電液體式加熱器和水泵開始工作，給系統(tǒng)里面的防凍液加熱，同制冷循環(huán)原理一樣，通過防凍液與電池內(nèi)部換熱板的熱交換達(dá)到使電池升溫的目的。

除了加熱和冷卻外，水冷機(jī)組一般還具有自循環(huán)功能，主要是為了解決電池內(nèi)部溫差過大的問題。當(dāng)收到BMS的自循環(huán)指令后，PTC電液體式加熱器和風(fēng)機(jī)均停止工作，水泵正常運(yùn)行，防凍液通道打開，水路自循環(huán)運(yùn)行，避免電池內(nèi)部溫差過大。

簡(jiǎn)易機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)低廉。但由于沒有獨(dú)立的制冷系統(tǒng)，需要從車廂抽取冷空氣來降低防凍液溫度，導(dǎo)致制冷量較小。另外，簡(jiǎn)易機(jī)組也受到空調(diào)系統(tǒng)工作狀態(tài)的影響，使用具有局限性。

簡(jiǎn)易機(jī)組的制冷能力較差，制冷功率較小(一般小于2 kW)，適用于采用電池充放電倍率較低的慢充電池的混合動(dòng)力客車。

2.2 非獨(dú)立機(jī)組形式

圖3為典型的非獨(dú)立機(jī)組的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)組成圖。其中：蒸發(fā)器1為空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)器，用于給車廂空氣降溫；蒸發(fā)器2為水冷機(jī)組蒸發(fā)器，冷卻水與制冷劑在此完成熱交換，通過降低防凍液的溫度來給電池降溫。兩個(gè)蒸發(fā)器總成處于并聯(lián)狀態(tài)，二者共用一套壓縮機(jī)、冷凝器、干燥瓶等部件，通過電磁閥1和電磁閥2分別控制兩路制冷劑的流通，同時(shí)利用膨脹閥1和膨脹閥2分別調(diào)節(jié)兩路制冷劑的流量大小。當(dāng)電池需要升溫時(shí)，電磁閥2關(guān)閉，水泵和PTC電液體式加熱器開始工作，防凍液被PTC加熱后送入電池內(nèi)部換熱器，給電池加熱。自循環(huán)模式時(shí)，電磁閥2關(guān)閉，PTC電液體式加熱器停止工作，水泵運(yùn)行，水路自循環(huán)運(yùn)行，避免電池內(nèi)部溫差過大。

圖3 非獨(dú)立機(jī)組系統(tǒng)原理圖

非獨(dú)立機(jī)組不需要單獨(dú)的制冷系統(tǒng)，可以降低熱管理設(shè)備的成本。但由于非獨(dú)立機(jī)組需要從空調(diào)系統(tǒng)分流一部分制冷劑，必然會(huì)對(duì)乘客區(qū)的制冷效果產(chǎn)生一定影響，同時(shí)也增大了空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷；另外，從空調(diào)系統(tǒng)到電池水冷機(jī)組之間過長(zhǎng)的空調(diào)高低壓管路也不利于提高空調(diào)系統(tǒng)的能效比；最后，客車空調(diào)的冷凝器、蒸發(fā)器總成一般布置在車頂，這樣就限制了電池?zé)峁芾碓O(shè)備的安裝位置，例如，當(dāng)電池底置時(shí)，電池水冷機(jī)組和空調(diào)系統(tǒng)之間的高低壓管路連接會(huì)比較困難。

實(shí)際上，對(duì)于客車企業(yè)而言，每個(gè)車型的空調(diào)廠家和型號(hào)并不固定，導(dǎo)致水冷機(jī)組和空調(diào)的匹配比較困難，這也是限制非獨(dú)立機(jī)組使用的一個(gè)重要因素。此外，非獨(dú)立機(jī)組的制冷功率較大，一般適用于6 kW以上的場(chǎng)合。由于裝備非獨(dú)立機(jī)組電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的客車存在和整車制冷的需求沖突，導(dǎo)致控制邏輯較為復(fù)雜，適用于采用電池充放電倍率較高的快充電池的純電動(dòng)客車。

2.3 獨(dú)立機(jī)組形式

獨(dú)立機(jī)組相當(dāng)于一個(gè)小型的純電動(dòng)空調(diào)，具有一套獨(dú)立完整的制冷系統(tǒng)，圖4為獨(dú)立機(jī)組的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)原理圖。

圖4 獨(dú)立機(jī)組系統(tǒng)原理圖

電池?zé)峁芾愍?dú)立機(jī)組與普通空調(diào)的一個(gè)較大的差別在于蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)不同。普通空調(diào)蒸發(fā)器用于空調(diào)冷媒與空氣間的熱交換，但是獨(dú)立機(jī)組內(nèi)部蒸發(fā)器用于空調(diào)冷媒與防凍液之間的熱交換。這種特殊的熱交換器一般采用套管式結(jié)構(gòu)，換熱管道分為兩層，冷媒在內(nèi)層管道，冷卻水在外層管道，兩層管道之間分布一些翅片以增加換熱面積。獨(dú)立機(jī)組的蒸發(fā)器和冷凝器有一體式設(shè)計(jì)和分體式設(shè)計(jì)兩種形式。

獨(dú)立機(jī)組需要單獨(dú)的制冷系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)收到制冷信號(hào)時(shí)，風(fēng)機(jī)和水泵開始工作，制冷劑通過機(jī)組內(nèi)的板式換熱器與系統(tǒng)里的防凍液完成熱交換，然后通過水泵將防凍液送入電池內(nèi)部的換熱器中，從而達(dá)到降低電池溫度的目的。當(dāng)收到制熱信號(hào)后，機(jī)組內(nèi)部的PTC電液體式加熱器和水泵開始工作，給系統(tǒng)里面的防凍液加熱，同制冷循環(huán)原理一樣，通過防凍液與電池內(nèi)部換熱板的熱交換達(dá)到使電池升溫的目的。

獨(dú)立機(jī)組可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)不同的功率，匹配相應(yīng)功率的壓縮機(jī)、蒸發(fā)器等部件，因此可以滿足不同制冷功率的需求，使用范圍更加廣泛。相較于非獨(dú)立機(jī)組，獨(dú)立機(jī)組對(duì)電池內(nèi)部溫度變化的響應(yīng)更迅速，不用考慮乘客區(qū)對(duì)空調(diào)制冷性能的要求，布置也相對(duì)靈活。

與非獨(dú)立機(jī)組系統(tǒng)相比，獨(dú)立機(jī)組多了一套單獨(dú)制冷用的壓縮機(jī)和冷凝器，成本較高。但因其為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，控制邏輯相比非獨(dú)立機(jī)組較為簡(jiǎn)單。獨(dú)立機(jī)組系統(tǒng)的制冷能力可根據(jù)需要進(jìn)行選擇，一般在2 kW以上，適用于采用電池充放電倍率較高的快充電池的混合動(dòng)力客車和純電動(dòng)客車。

3 結(jié)束語(yǔ)

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)作為電動(dòng)客車的重要組成部分，有效地保證了動(dòng)力電池的使用性能、安全性和壽命。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，充分了解電池?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理非常重要。

作者：梁輝耀，馮還紅

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