軌道交通電池系統(tǒng)外置水冷方案設計*

張楷翼 ， 曠利平 ， 黃藝娜

（湖南高速鐵路職業(yè)技術學院，湖南 衡陽 421002）

0 引言

城市軌道交通新能源車用動力電池系統(tǒng)在行車、充電模式下，會由于電池自身化學效應而產(chǎn)生熱量，這會影響行車和充電效率，甚至可能引發(fā)安全事故。另外，市場終端客戶對電池容量衰減、充電倍率的要求越來越高，傳統(tǒng)的動力電池系統(tǒng)均采用自然散熱，無法滿足行車及充電效率、電池容量衰減等要求。電池溫度過高會導致車輛動力性能下降、充電時間延長、電池衰減加速，影響客戶體驗，因此電池冷卻尤為重要[1]。

為解決此問題，課題組設計了一種電池系統(tǒng)外置水冷方案。該方案為電池系統(tǒng)配置外置液冷板，由BMS根據(jù)當前電池系統(tǒng)的最高溫度與平均溫度控制水冷機組的開啟和關閉，水冷機組提供制冷及維持水路循環(huán)，從而實現(xiàn)動力電池在行車、充電及高溫環(huán)境等狀況下均能保持良好的工作環(huán)境溫度，滿足市場終端客戶對電池容量衰減及充電效率的要求[2]。

1 電池系統(tǒng)外置水冷方案設計

1.1 結構設計

水冷Pack主要由Pack本體、液冷板及托架系統(tǒng)組成。三者通過連接緊固件連接成一個整體，其中液冷板依靠托架系統(tǒng)和Pack本體夾持保持與Pack本體底部的貼合；液冷板與Pack本體底部接觸部分通過導熱墊保證緊密貼合并起到導熱作用[3-4]。

水冷的冷卻模式共分為兩種：行車冷卻、充電冷卻。

行車冷卻：行車時，若BMS檢測到電池溫度高于冷卻開啟閾值，則控制高壓盒中的水冷繼電器吸合。電池系統(tǒng)中的電能通過水冷高壓回路給到整車水冷機組，水冷機組中各零部件進入工作狀態(tài)，開始制冷模式，直至電池溫度降至允許值，BMS控制繼電器斷開，停止制冷。

充電冷卻：充電時，若BMS檢測到電池溫度高于冷卻開啟閾值，則控制高壓盒中的水冷繼電器吸合。充電樁中的電能通過水冷高壓回路給到整車水冷機組，水冷機組中各零部件進入工作狀態(tài)，開啟制冷模式，直至電池溫度降至允許值，BMS控制繼電器斷開，停止制冷。

外置液冷板電箱如圖1所示，外置水冷系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖1 外置液冷板電箱

圖2 外置水冷系統(tǒng)示意圖

1.2 水冷策略設計

BMS與TMS通過CAN報文進行交互[5-6]，TMS將自身工作狀態(tài)與水冷機組狀態(tài)反饋給BMS，由BMS根據(jù)當前水溫及水冷機組狀態(tài)下發(fā)工作模式（制冷、自循環(huán)、關機）。電池系統(tǒng)充電與行車時水冷開啟與關閉條件如表1所示，BMS與TMS上、下高壓流程圖如圖3和圖4所示[7-8]。

圖3 BMS與TMS上高壓邏輯圖

圖4 BMS與TMS下高壓邏輯圖

表1 水冷開啟與關閉閾值

2 方案測試

手動發(fā)送絕緣檢測開啟指令：ID=0x1833D0F3第一個字節(jié)bit1bit2發(fā)01，絕緣檢測開啟；在高壓正極與地之間接入電阻值為200 kΩ的電阻，在絕緣電阻測試處于開啟狀態(tài)查看采集板上報絕緣電阻值為199 kΩ；手動發(fā)送絕緣檢測關閉指令：ID=0x1833D0F3第一個字節(jié)bit1bit2發(fā)00；查看采集板上位機顯示絕緣電阻為5 000 kΩ，絕緣檢測功能的檢測結果均為合格，根據(jù)實驗原理，搭建臺架測試如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場測試圖

3 方案驗證

選取某公司8 m商用車為測試對象，當天氣溫為31 ℃，以行車過程和充電過程為例，進行電池水冷效果測試。

1）行車測試。行車時間為10：26：13至11：06：17，電池初始SOC為78%，整車行車過程單體電池初始最高溫度為25 ℃，最低溫度為24 ℃，溫差1 ℃；行車結束后，單體電池最高溫度為27 ℃，最低溫度為26 ℃，溫差1 ℃；單體最高溫度與最低溫度均上升2 ℃，水冷機組未工作。

2）充電測試。充電初始，電池SOC為73%，單體最高溫度29 ℃，最低溫度28 ℃，直至充滿，充電時間為14：23：46至15：05：42，充電電流基本維持在120 A左右，直到充電末端才進入降流階段。充電初始單體最高電壓與最低電壓在3.35 V左右，充電末端單體最高電壓為3.71 V，單體最低電壓為3.502 V，壓差208 mV。充電過程中，單體初始最高溫度為29 ℃，最低溫度為28 ℃，溫差 1℃；充電結束后，單體最高溫度上升到32 ℃，最低溫度上升到31 ℃，溫升1 ℃。單體最高溫度上升3 ℃，水冷效果較好。

4 總結

課題組從電池系統(tǒng)外置水冷方案的結構設計、電氣構架和軟件策略三個方面設計了軌道交通電池系統(tǒng)外置水冷功能[9-10]，經(jīng)過裝車測試驗證了該方案水冷效果的優(yōu)越性，實現(xiàn)了動力電池在行車、充電及高溫環(huán)境等狀況下均能處于良好的工作環(huán)境溫度，滿足市場終端客戶對電池容量衰減及充電效率等的要求，提升了電池系統(tǒng)產(chǎn)品的適用性與競爭力。