電動客車電池熱管理系統能耗優化設計

【摘" 要】根據鋰電池產熱原理，研究當前電動客車電池熱管理系統的結構和控制策略，針對電池充電時電池熱管理系統存在能耗高、效率低的問題，對結構和控制策略進行優化方案設計和試驗測試，在電池最佳工作溫度區間內降低系統充電能耗。

【關鍵詞】電池熱管理系統;能耗;結構;控制策略

中圖分類號：U463.633" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）12-0018-03

Energy Consumption Optimization Design of Battery Thermal Management System for Electric Bus*

【Abstract】According to the principle of lithium battery thermogenesis，studies the current electric passenger car battery thermal management system structure and control strategy，for the battery when the battery thermal management system，the problem of low efficiency，high energy consumption of the existence of its structure and control strategy of optimization design and test，the best working temperature range battery charging system energy consumption.

【Key words】battery thermal management system;energy consumption;structure;control policy

新能源車輛政策補貼緩慢退坡，市場對車輛的需求由簡單的功能需求逐漸過渡到整車性能的全方位追求，其中經濟性是整車能效水平的表現，越來越受到行業的重點關注。電池是電動客車唯一動力源，其性能、續駛里程和安全性與電池溫度有關。因此，根據鋰電池的最佳工作溫度區間25～40℃，研究電動客車電池熱管理系統技術和降低其能耗具有重要意義。

1" 鋰電池的產熱原理

在對鋰電池進行充放電時，鋰離子不停地在正負極穿梭，發生一系列化學反應，伴隨著熱量的產生。熱量QT主要分4個方面：氧化還原反應產生的反應熱Qr、電解液產生的副反應熱Qs、電池內阻產生的焦耳熱QJ、極化反應熱QP[1]。即：

式中：n——電池單體的數量;m——電極的質量，g;M——電池的摩爾質量，g/mol;Q——化學反應中的反應熱，J/mol;I——電池充放電時的電流，A;F——法拉第常數;RP——電池的極化內阻，Ω;RJ——電池的歐姆內阻，Ω。

在電池工作過程中伴隨副反應的發生，副反應也會釋放一定的熱量，但與極化熱、歐姆熱和反應熱相比，其值較小，可忽略不計。根據上式可以看出電池產生的熱量與充放電電流相關，充放電電流越大，產生的熱量越高。

2" 電池熱管理系統結構和控制策略

2.1" 系統結構

因為電動客車動力電池目前采取內置加熱膜加熱，所以電池熱管理系統主要功能是采用液體對電池冷卻，液冷熱管理系統主要包括冷凝器、壓縮機、水泵、熱交換器部件。冷卻液流經熱交換器與低溫制冷劑進行熱交換，然后利用熱傳導原理，低溫冷卻液經過電池系統內部冷卻流道與電芯熱交換后，將電池產生的熱量帶出電池系統[2]。按結構形式，系統可分為獨立式和空調集成式，二者主要差別在于空調集成式因集成設計，壓縮機、風機和冷凝器等部件和空調共用，但二者原理一致，如圖1所示[3]。

2.2" 控制策略

電池BMS根據各電池單體溫度和檢測到的電池箱水冷板進水口水溫，發送制冷、關機和自循環3種指令。電池熱管理系統執行BMS指令，實現BMS對電池溫度的控制，保證電池在最佳工作溫度區間工作。制冷模式下壓縮機工作制冷劑給冷卻液降溫，同時水泵工作，保證電池箱水冷板冷卻液流動;自循環模式下壓縮機停機，僅水泵工作，保證冷卻液流動;關機模式下壓縮機和水泵都停機[4]。

電池熱管理系統3個工作模式中，制冷模式能耗是最高的，且壓縮機控制在其中扮演著極為重要的角色，對電池系統的溫控起著關鍵的調節作用。對于壓縮機的控制實際上是對壓縮機內部電機轉速的控制，制冷劑在進入壓縮機后，內部電機啟動，同時帶動活塞，降低容腔壓縮制冷劑蒸汽，根據出水溫度與目標溫度之間的差值ΔT，按表1在壓縮機初始轉速COM基礎上變頻控制壓縮機[5]。通過壓力的改變，使壓縮機產生制冷量平衡電池系統所產生的熱負荷，達到降溫的目標，直至ΔT≤-3℃時停止工作。

2.3" 能耗分析

當前系統結構形式在自循環模式下，主要依靠冷卻液與電芯熱交換后給電池降溫，不像制冷模式下冷卻液流經熱交換器與低溫制冷劑進行熱交換，熱交換效率低。尤其環境溫度不高，大電流充電時，自循環模式下由于冷卻液經熱交換后溫度逐漸升高，自動切換到制冷模式，自循環模式和制冷模式交替工作，導致系統能耗偏高[6]。

當前系統控制策略在制冷模式下，當出水口水溫達到目標溫度時，對壓縮機采取降頻控制，制冷量逐漸減少，且換熱器存在液-液熱交換效率問題，但電池在大電流或1C充電時產生的熱量并沒有減少，特別在夏天高溫環境下電池大電流充電過程中，由于ΔT長時間降不到-3℃，系統長時間或一直工作在制冷模式下，導致系統能耗偏高。

3" 結構優化

3.1" 優化方案

針對環境溫度不高時系統自循環模式下，熱交換效率低而導致能耗高的問題，參考驅動電機ATS冷卻系統設計思路，在系統冷卻液回路中增加一個空氣散熱器，如圖2所示。于冷凝器上下或前后布置，共用冷凝風扇，則電池冷卻系統形成兩個支路：水冷散熱器支路與制冷系統支路，兩支路主要通過策略控制三通閥的通斷來切換。對于制冷系統支路，制冷源仍由壓縮機的制冷劑提供，自循環模式下，在環境溫度低于或等于目標溫度時，冷卻液通過熱交換給電池降溫，同時低溫空氣經冷凝風扇流通空氣散熱器熱交換后給冷卻液降溫，提高系統熱交換效率。

3.2" 驗證

使用電池充放電試驗臺架對531.3V/228AH/121.1kW·h電池1C充電，電量SOC從40%開始充電直至充滿，測試系統的能耗。其中出水口目標溫度為10℃，環境倉溫度分別設定為5℃、10℃。結構能耗優化方案試驗結果見表2。

從表2可知，在10℃、5℃環境溫度下充電時，系統能耗分別降低了12.3%、29.8%。

4" 控制策略優化

4.1" 優化方案

針對夏天高溫環境系統制冷模式下，壓縮機采取降頻控制導致長時間工作產生能耗高的問題，由于壓縮機工作頻率降至30%時的制冷量已經無法滿足電池冷卻的需求，故將控制策略中壓縮機的停機溫差ΔT從之前ΔT≤-3℃的優化為ΔT≤-1℃。

4.2" 驗證

在環境溫度32℃時，對10.5m電動客車的608.5V/346AH/210.5kW·h電池進行150A電流充電，電量SOC從40%開始充電直至充滿，測試系統的能耗。其中出水口目標溫度為10℃，測試過程中控制策略優化前后系統的功率與出水口水溫如圖3、圖4所示，策略能耗優化方案試驗結果見表3。

從圖3可知，控制策略優化前ΔT最低為-2℃，壓縮機長時間工作;從圖4可知，控制策略優化后ΔT最低為-1℃，壓縮機周期性工作。

從表3可知，策略優化后，在32℃環境溫度下充電時，系統能耗降低了29.4%，且電池溫度在最佳工作溫度區間內。

5" 結束語

電動客車動力電池冷卻系統關系到車輛的安全性和續航里程，本文對電池熱管理系統的結構和策略的能耗優化方案進行理論分析和試驗驗證，在電池最佳工作溫度區間內降低了系統充電能耗。

參考文獻：

[1] 趙衛兵. 電動車鋰電池熱管理系統研究[D]. 長春：吉林大學，2014.

[2] 鄭昕斌. 純電動客車電池熱管理的探討與研究[J]. 南方農機，2017，48（14）：152.

[3] 吳澤民，潘香英，馮超. 純電動汽車電池組熱管理系統設計[J]. 汽車電器，2013（1）：10-12.

[4] 王秋霞. 鋰動力電池管理系統熱管理策略研究[J]. 機電工程技術，2016，45（9）：65-67，127.

[5] 呂明，陳晨，陳子瀟，等. 對磷酸鐵鋰動力電池組優化水冷系統的研究[J]. 汽車電器，2017（3）：5-8.

[6] 沈姍姍，章宜明. 水泵驅動的動力電池組高效液冷及熱管理技術研究[J]. 輕工機械，2020，38（4）：79-83.