基于氫動力系統的動力電池熱管理系統設計研究

李忠 李端凱 許東陽

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東省青島市 266000 2.株洲中車時代電氣股份有限公司 湖南省株洲市 412001）

目前，在軌道交通領域，動力電池主要有兩種應用場景，一是作為主動力源單獨或者配合其他新能源設備組成混合動力系統為列車提供牽引動力；二是作為輔助動力源為列車提供應急牽引。但面向更復雜工況、更高性能、更安全可靠的列車需求，既有儲能系統電壓平臺較低、輕量化程度略顯不足，需要進一步提升其功率密度、能量密度、散熱能力，不斷加強安全設計。同時，為適應既有成熟軌道交通車輛供電體系，動力電池額定輸出電壓需達到DC 1000V以上，才能滿足牽引系統高效率工作需求。而熱管理系統是動力電池提升電壓平臺、功率密度及能量密度的重要保障，保證在大倍率充放電過程中動力電池的應用安全。

氫燃料電池+動力電池組成的混合動力系統，動力電池需頻繁大功率充放電，因此，需要著重考慮以下方面：

（1）根據復雜的運行工況確定動力電池系統的平均功率或者發熱功率；

（2）進行熱平衡分析；

（3）匹配發熱功率的制冷系統，并驗證系統的溫升。

解決大功率動力電池的散熱問題是混合動力系統的穩定運行的前提條件，對動力電池熱平衡及熱管理系統的分析與研究對軌道交通車輛的儲能系統有重要意義。

1 混合動力系統介紹

氫燃料電池+動力電池混合動力系統電氣拓撲圖如圖1 所示，混合動力系統由氫燃料電池和動力電池、DC/DC 構成，相互配合為列車供電。

車輛的典型運行工況如圖2 所示。

（1）車輛啟動加速階段。僅依靠氫燃料電池輸出不能滿足整車需求功率，需動力電池同時放電，利用動力電池大倍率放電特性，補償牽引峰值功率，避免氫燃料電池載荷大幅度波動，使氫燃料電池工況相對穩定，減緩內部催化劑的衰減速度，有效延長氫燃料電池的使用壽命。

（2）車輛勻速行駛階段。整車功耗較低，氫燃料電池在最佳工作區過剩功率對動力電池進行充電，以此優化氫燃料電池工作條件，提高系統的效率；

（3）車輛制動減速階段。氫燃料電池降低至怠速功率，動力電池吸收再生制動能量，提升整車能量利用率。

圖1：整車電氣拓撲

圖2：整車運行過程中能量需求

圖3：主電路電氣拓撲圖

動力電池類型選用安全性最高的鈦酸鋰電池，主電路電氣拓撲如圖3 所示，動力電池系統主電路拓撲包括電池模組、手動維修開關（MSD）、熔斷器（FU1FU2）、總正接觸器(KM1)、總負接觸器(KM2)、總電壓傳感器(TV)、總電流傳感器(TA)等電氣件組成。動力電池系統設置總正/負接觸器與熔斷器實現對動力電池系統的主被動保護，并配置電流傳感器與電壓傳感器對系統運行狀態進行實時檢測。通過對動力電池系統的散熱功率需求進行分析及驗證，配置水冷系統對動力電池系統的溫度進調控，保證系統的安全與穩定運行，使動力電池系統可滿足整車供電功率及電量的需求。

動力電池額定工作電壓為1142V，電壓范圍972V~1312.2V，系統容量50Ah，總電量為57kWh，最大充放電電流可達到350A，最大充放電功率可達到399kW，系統冷卻采用水冷方案設計制冷量可達5kW，系統防護等級可滿足IP65，滿足全工況及惡劣環境下的使用要求。

圖4：水冷模組

圖5：水冷系統散熱原理

圖6：傳熱途徑

2 動力電池熱平衡分析

鋰離子電池的溫度過高會造成鋰電池的循環壽命下降，溫度上升得不到有效控制還有可能引起電池的熱失控。在大倍率充放電工況下，傳統的自然冷卻和強制風冷往往不能滿足散熱要求，而散熱效率更高的液冷是實現的途徑。該系統選用的25Ah 水冷模組滿足系統高峰值功率，配合水冷系統能夠達到更強的散熱能力，如圖4所示。

圖7：散熱能力不足時溫度變化

圖8：電池系統發熱分析

圖9：制冷過程中部件溫度變化

圖10：整車工況分析

如何選擇制冷系統方案除了考慮系統的發熱量和導熱性能，還需要考慮環境條件的要求，首先在夏季為了滿足電芯的使用工作溫度范圍比外界環境溫度更低，所以需要配置帶壓縮機的制冷系統，它可以將冷媒控制低于外界空氣溫度；另外為了使電池箱內部達到較高的防護等級，減少外部空氣中的水分和污垢的不利影響，采用的水冷機組利用熱交換裝置將外部環境空氣和電池箱內部進行隔離開，如圖5 所示。

圖11：電池系統能量損失分析

圖12：系統能量效率測試記錄數據

圖13：仿真熱模型及流道模型

鋰電池電芯在運行過程中的產熱是如何散發到外面的，需要經過多個導熱介質才能實現，如圖6 所示。而導熱介質的組合要具備導熱率高的特點，還需要滿足高絕緣耐壓的條件，以保證高壓動力電池不發生絕緣失效、擊穿等現象。

如果系統配置冷卻系統制冷量小于動力電池發熱量，那么在系統運行過程中，將無法達到熱平衡，導致動力電池溫度持續上升，工作過程中溫度上升過程系統散熱與溫度變化情況如圖7 所示。

動力電池配置的制冷系統滿足散熱需求，以此對動力電池工作過程中，電池發熱、冷卻系統工作及散熱狀態分三個階段進行分析（整個過程系統各部件溫度變化情況如圖9 所示）。

第一階段：動力電池系統啟動運行，水冷機組未達到閥值還未啟動，在該階段動力電池啟動后系統發熱量只有小部分通過熱傳導與輻射排出系統。大部分熱量留在系統內部，導致電池模組溫度及制冷液溫度逐步升高（如圖9 所示）。

第二階段：動力電池持續工作，冷卻系統達到啟動條件并開始工作。在該階段冷卻液在水冷系統開始循環后，溫度逐步降低，因此動力電池與冷卻液溫差逐步增加，從而電池系統有更多的熱量通過水冷系統散發到周圍空氣中。

第三階段：動力電池及水冷系統持續工作，動力電池溫度逐步趨于穩定。在該階段動力電池與制冷液溫差逐步穩定，單位時間內系統散熱到空氣中的熱量與動力電池發熱量達到平衡，從而將動力電池溫度控制在最佳工作溫度區間內（如圖8 所示）。

3 動力電池熱管理系統設計

3.1 車輛工況需求分析

動力電池系統需配合氫燃料電池功率輸出，補充列車功率需求不足的部分，最終滿足牽引系統的功率要求。熱管理系統將電池控制在適宜的工作溫度范圍內，同時BMS 將電池控制合理的工作SOC 區間內可有利于延長電池的使用壽命。

電池充電控制：BMS 根據電池實時的電荷狀態將“允許充電電流值”發至整車能量管理控制器，能量管理控制器控制車載DC/DC 按照“允許充電電流值”輸出電流恒流對電池進行充電。

仿真分析：短時7C 充放電、模擬線路及負載進行牽引、制動工況分析，結果如圖10 所示。

由仿真曲線可知，電池SOC 工作區間約為45-80%在合理范圍內，電池工作電壓范圍在1040V-1240V 之間。從熱等效原理分析，利用均方根來模擬全過程的電流有效值約為3C。

3.2 動力電池熱損耗及制冷量需求分析

根據熱力學第二定律，動力電池系統和所有能量轉化裝置一樣，電能轉化為化學能與化學能轉化為電能的過程中必然會發生部分能量損失，此部分損失的能量將直接反映為系統產生的熱量，動力電池系統通過電能與熱能的形式與外界進行能量交換。將動力電池系統作為一個開口能量系統進行分析，進入系統的為充電過程中電能，離開系統的為放電過程中釋放的電能及系統的發熱量。

如圖11 所示，在該過程中，動力電池系統充電過程充電量為Q1，放電過程放電量為Q2，動力電池系統充放電過程中電池充電和放電總電量Q1=Q2，充電過程中系統充電能量E1=∫UIt1，放電過程系統放電總能量E2=∫UIt2，系統能量損耗E損耗=E2-E1，由此可知系統的發熱功率P損耗=E損耗/（t1+t2）。該功率決定了動力電池的制冷系統的配置需求。需要滿足P制冷≥P損耗才能把動力電池產熱完全排出。

對動力電池系統進行3C 循環充放電試驗，在測試時間內，取動力電池總充電能量E1，總放電能量E2，據此計算動力電池系統能量效率η=（E2/E1）*100%=95.2%（系統測試數據如圖12 所示）。

該動力電池系統電量為57kwh，按3C 工況進行分析，系統制冷功率需求為：(57kw*3*(1-95.2%))/2=4.1kw。因此，動力電池系統需配置制冷系統的額定功率為5kw，才能滿足系統制冷功率。

4 試驗驗證

4.1 熱仿真及溫升測試驗證

電池柜三維模型建立熱仿真等效熱模型，包括電池模組、導熱硅膠墊、水冷板、流道等，如圖13 所示。

為了驗證熱管理水冷系統的散熱效果，對動力電池系統進行溫升試驗，試驗工況為3C 充放電循環，電池初始溫度為20℃，按照3C 對動力電池系統進行循環充放電，制冷系統啟動工作，最終電池溫度有效控制在35℃，制冷系統出水口溫度為15℃，電池組溫升為20K。電池系統電流及溫度變化曲線如圖14 所示。

4.2 混合動力系統驗證

為了進一步驗證動力電池系統配合氫燃料電池工作的效果，采用模擬負載的方式，對動力電池和氫燃料電池的啟動運行及穩態運行工況進行地面聯調測試，模擬整車負載350kW，如圖15 所示。氫燃料電池啟動階段，動力電池發揮響應速度快的優勢，迅速提升至300kW 輸出，作為主要功率源為負載供電。隨著氫燃料電池功率逐步提高，動力電池逐步降低輸出功率，氫燃料電池達到穩態運行階段滿功率330kW 輸出后，此時氫燃料電池作為主要功率源為負載提供電能，動力電池轉為輔助動力源，以小功率20kW 輸出。經驗證，動力電池系統能很好的配合氫燃料電池工作，并滿足車輛運行時的功率需求，其中，動力電池熱管理系統起到了關鍵保障作用。

圖14：電池系統溫升測試

圖15：地面聯調測試氫燃料電池和動力電池狀態轉換

5 結論

本文針對氫燃料混合動力軌道交通車輛的應用場景，進行了動力電池熱平衡研究，并通過分析整車需求工況及動力電池散熱需求，設計了一套熱管理水冷系統，以滿足動力電池高電壓平臺，高功率充放電，可長時間穩定運行的嚴苛需求。通過熱仿真分析及熱管理溫升試驗表明，開發的熱管理系統能很好的控制動力電池溫升（≤25K），關鍵性能指標領先國內外同行產品，為氫燃料電池+動力電池混動系統穩定運行提供保障。