動力電池組風冷空調系統研究

趙德華，張中卿，王博，胡義凱，靳曲

（華晨汽車工程研究院電器工程室，遼寧 沈陽 110141）

前言

新能源汽車作為國家大力推廣的一項節能減排措施，目前已經在全國逐漸普及起來，2016年新能源汽車銷量已達到64.8萬輛，而動力電池作為核心部件對整個電動汽車的性能和成本方面有著至關重要的影響。目前使用的動力電池組主要為鋰電池，由于大部分鋰電池的工作環境溫度為 0--+40℃，其溫度特性直接影響整車的性能和耐久[1-2]。而電池的使用溫度要求與整車的實際使用環境溫度要求相差較大所以需要增加電池熱管理系統用以保證電池使用的環境溫度。

而在近些年夏季高溫天氣中超過40℃的時間越來越多，加之車輛行駛工況復雜，更容易導致動力電池電芯溫度過高以及溫度分布不均，影響電池的功率和能量性能，如果不能有效的控制溫度和溫差最終還會對電池組的安全性和可靠性有較大影響。

1 純電動汽車動力電池組空調系統描述

1.1 純電動汽車動力電池組空調系統結構描述

純電動汽車動力電池組空調系統根據結構形式的不同主要分為：

a、自然風冷系統

b、散熱器水冷系統

c、空調風冷系統

d、空調水冷系統

目前限于電池組成本、整車續航里程以及零部件體系等因素，國內大部分300Km續航里程以下的純電動車冷卻模式多選用自然風冷，部分選用散熱器水冷或空調風冷系統。而空調水冷電池組國內基本上處于預研階段在未來1-3年內會有車型陸續量產。另外熱管技術等新技術由于方案可行性差，整體成本過高，量產車型短期內很難普及。

1.2 純電動汽車動力電池組空調系統控制描述

純電動車動力電池組空調系統是根據布置在電池組內部的各溫度傳感器檢測個點溫度，通過電池管理系統（BMS）判斷后將信號反饋給整車空調系統控制器來確定各空調系統部件的運行模式和工作狀態。通過持續監測電池組的溫度狀態以及電池充、放電模式需求，根據設定控制策略不斷進行工作狀態的確認和運行模式的調整。

2 一種純電動汽車動力電池組風冷空調系統

2.1 純電動汽車動力電池組制冷能力計算方法

在計算動力電池組制冷能力時需要建立熱平衡方程：

Q為動力電池組總熱負荷

Q1為動力電池組內部電芯發熱量

Q2為電池組箱體及隔熱層傳熱量

Q3為動力電池內風機及電子器件的發熱量

Q4為通過泄露傳入動力電池組熱量

其中u和I 的數據目前主要根據的是整車NEDC工況下測試出的數據。

K 為箱體及保溫層的熱傳導率

δ為箱體及保溫層的厚度

S為箱體及保溫層的面積

Q3 和Q4可以根據廠家實際測試的發熱量做計算數值。

由于實際計算時數據量較大，計算時可以根據實際情況界定邊界條件以便簡化計算，簡化計算后根據簡化的程度在最終決定制冷能力的時候做一定的冗余，通常不超過實際計算量的20%。

2.2 動力電池組風冷空調系統實例

圖1 系統總體結構示意圖

2.2.1 電池組HVAC系統蒸發器設計

蒸發器能力根據計算所得為1200±50W：

測試工況為：

膨脹閥入口制冷劑壓力：15±0.5bar

膨脹閥入口制冷劑溫度：50±0.5°C

膨脹閥出口制冷劑壓力：3.0±0.02bar

過熱度：由膨脹閥給出

空氣入口溫度：40±1°C

相對濕度：50%±5

鼓風機風量最大

蒸發器制冷能力根據工況臺架測試結果為1180W。

圖2 電池組總體結構

圖3 系統電池組內部結構

圖4 電池組HVAC結構

2.2.2 蒸發器傳感器布置位置確認

通過測試蒸發器傳感器的布置位置確定在T2和T3之間，以便更好的控制蒸發器出風溫度并保護蒸發器。

圖5 蒸發器溫度分布測試

2.2.3 鼓風機選型

由于電池內部風阻非常大，最高高達1100mbar，所以對風機的參數要求很高。因此選用軸流式雙風扇增加風機的阻抗。

風量測試臺上風機最大風量在 1100mbar下可達到147m3/h，滿足設計需求。

2.3 電池組風冷空調系統控制策略實例

2.3.1 電動壓縮機控制

由 BMS（電池管理系統）采集電芯溫度后根據閾值確定是否開啟電動壓縮機為電池制冷。

在充電狀態下采用固定轉速輸出，保證制冷量輸出穩定；在放電狀態下采用綜合轉速輸出，R=R1+R2（R為輸出的壓縮機轉速命令，R1為CCU(空調控制器)輸入轉速，R2為BMS（電池管理系統）輸入轉速。

2.3.2 散熱風扇控制

由BMS根據車速以及電池組的電芯溫差來控制風扇PMW控制信號的占空比，來實現風扇控制。

風扇根據電池最高溫度值來確認開啟風扇的溫度

風扇開啟后PMW占空比=KP+ 20%*Delta T

當車速小于3km/h時，KP為0；

當車速大于3km/h時，KP為50%；

Delta T 為電芯最高溫度和最低溫度的溫差；

2.3.3 動力電池蒸發器電磁閥控制

電磁閥采用PMW控制，10min為一個控制循環。

電磁閥開啟后PWM占空比按KP表格查表設定

電池放電時KP值【0 30 50 70 90100】

對應電芯最高溫度【35 37 39 41 43】

電池充電時KP值【0 50 80 100】

對應電芯最高溫度【39 41 43】

電池組風冷空調系統控制策略，主要是在實時監控電池組內部溫度傳感器的數據的基礎上，根據電池的溫度變化通過不斷的改變壓縮機轉速、風機的轉速以及電池蒸發器電磁閥占空比來保證電池內部溫度更加均衡，電芯溫度的一致性有顯著地提高。

3 動力電池組風冷空調系統仿真

3.1 仿真模型建立

根據電池組內部結構，建立一維仿真模型，電池每個模組的4個溫度測試點簡化為一個平均溫度測試點。

圖6

3.2 充電工況

系統仿真的主要參數如下表所示：

環境溫度：40±2℃

壓縮機轉速：按照充電時電池制冷所需最大轉速設定

電池仿真工況：16A直流慢充

圖7 為電芯的最大最小溫度曲線

仿真數據顯示此系統16A充電工況下，測試電池最高溫度控制在38—40℃，而電芯間的溫差最大控制在5℃以內，滿足電池充電時對溫度和溫差的使用需求。

3.3 放電工況

系統仿真的主要參數如下表所示：

環境溫度：40±2℃

壓縮機轉速：按照充電時電池制冷所需最大轉速設定

電池仿真工況：Artemis Urban/road

圖8 為工況電流曲線

圖9 為電芯的最大最小溫度曲線

仿真數據顯示此系統在 Artemis Urban/road 工況下，測試電池最高溫度控制在37—39℃，而電芯間的溫差最大控制在5℃以內，也滿足電池充電時對溫度和溫差的使用需求。

4 動力電池組風冷空調系統實驗測試

4.1 測試條件

4.1.1 環境溫度：40±2℃

4.1.2 所需測試設備

電池模擬器、低壓測試電源、高壓測試電源,動力電池、16A充電機。

4.1.3 試驗期間的控制策略由BMS自動控制

根據模擬整車循環測試的功率譜開始試驗，模擬整車循環測試的功率譜共包含 4個 Artemis urban循環和 6個Artemis road循環，每個工況之間等待7分鐘。

圖10 為充放電功率譜

4.2 放電情況

圖11 放出電量情況

在40 ±2℃的環境下，動力電池包以模擬整車循環測試功率譜進行放電，直到BMS計算的SOC值≤15%時，試驗結束。BMS計算的SOC值從91.0%下降到15%。

4.3 單體電壓情況

圖12 為單體電壓情況

開始放電時的總電壓、電池單體最高電壓和電池單體最低電壓分別為：386.5V386.5V、4.034V和4.014V，放電結束后，動力電池包的總電壓、電池單體最高電壓和電池單體最低電壓分別為：335.5V、3.516V和3.476V。

4.4 電池溫度情況

在充放電期間，電池單體最高溫度下降了4℃，單體最低溫度下降了7℃；試驗結束時，電池單體間的最大溫差為5℃。試驗結果與仿真結果接近，證明此系統設計開發真實有效，完全滿足電池使用需求。

圖13 為電池溫度情況

5 結論

我們通過某純電動汽車動力電池組風冷空調系統的仿真和實驗研究，掌握了該車型在高溫環境中通過風冷的空調系統來實現模組和電芯始終維持在一個相對穩定的工作溫度環境，大大提高了動力電池在高溫環境中的放電能力和壽命由于此車型在純電動汽車中均有典型的代表性，會對這類車型在設計方案提供大量有益的方案借鑒。

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