趙德華，張中卿，王博，胡義凱，靳曲

（華晨汽車(chē)工程研究院電器工程室，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

前言

新能源汽車(chē)作為國(guó)家大力推廣的一項(xiàng)節(jié)能減排措施，目前已經(jīng)在全國(guó)逐漸普及起來(lái)，2016年新能源汽車(chē)銷量已達(dá)到64.8萬(wàn)輛，而動(dòng)力電池作為核心部件對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)的性能和成本方面有著至關(guān)重要的影響。目前使用的動(dòng)力電池組主要為鋰電池，由于大部分鋰電池的工作環(huán)境溫度為 0--+40℃，其溫度特性直接影響整車(chē)的性能和耐久[1-2]。而電池的使用溫度要求與整車(chē)的實(shí)際使用環(huán)境溫度要求相差較大所以需要增加電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)用以保證電池使用的環(huán)境溫度。

而在近些年夏季高溫天氣中超過(guò)40℃的時(shí)間越來(lái)越多，加之車(chē)輛行駛工況復(fù)雜，更容易導(dǎo)致動(dòng)力電池電芯溫度過(guò)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(huì)對(duì)電池組的安全性和可靠性有較大影響。

1 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組空調(diào)系統(tǒng)描述

1.1 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)描述

純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同主要分為：

a、自然風(fēng)冷系統(tǒng)

b、散熱器水冷系統(tǒng)

c、空調(diào)風(fēng)冷系統(tǒng)

d、空調(diào)水冷系統(tǒng)

目前限于電池組成本、整車(chē)?yán)m(xù)航里程以及零部件體系等因素，國(guó)內(nèi)大部分300Km續(xù)航里程以下的純電動(dòng)車(chē)?yán)鋮s模式多選用自然風(fēng)冷，部分選用散熱器水冷或空調(diào)風(fēng)冷系統(tǒng)。而空調(diào)水冷電池組國(guó)內(nèi)基本上處于預(yù)研階段在未來(lái)1-3年內(nèi)會(huì)有車(chē)型陸續(xù)量產(chǎn)。另外熱管技術(shù)等新技術(shù)由于方案可行性差，整體成本過(guò)高，量產(chǎn)車(chē)型短期內(nèi)很難普及。

1.2 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組空調(diào)系統(tǒng)控制描述

純電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電池組空調(diào)系統(tǒng)是根據(jù)布置在電池組內(nèi)部的各溫度傳感器檢測(cè)個(gè)點(diǎn)溫度，通過(guò)電池管理系統(tǒng)（BMS）判斷后將信號(hào)反饋給整車(chē)空調(diào)系統(tǒng)控制器來(lái)確定各空調(diào)系統(tǒng)部件的運(yùn)行模式和工作狀態(tài)。通過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)電池組的溫度狀態(tài)以及電池充、放電模式需求，根據(jù)設(shè)定控制策略不斷進(jìn)行工作狀態(tài)的確認(rèn)和運(yùn)行模式的調(diào)整。

2 一種純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)

2.1 純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組制冷能力計(jì)算方法

在計(jì)算動(dòng)力電池組制冷能力時(shí)需要建立熱平衡方程：

Q為動(dòng)力電池組總熱負(fù)荷

Q1為動(dòng)力電池組內(nèi)部電芯發(fā)熱量

Q2為電池組箱體及隔熱層傳熱量

Q3為動(dòng)力電池內(nèi)風(fēng)機(jī)及電子器件的發(fā)熱量

Q4為通過(guò)泄露傳入動(dòng)力電池組熱量

其中u和I 的數(shù)據(jù)目前主要根據(jù)的是整車(chē)NEDC工況下測(cè)試出的數(shù)據(jù)。

K 為箱體及保溫層的熱傳導(dǎo)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(jù)廠家實(shí)際測(cè)試的發(fā)熱量做計(jì)算數(shù)值。

由于實(shí)際計(jì)算時(shí)數(shù)據(jù)量較大，計(jì)算時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況界定邊界條件以便簡(jiǎn)化計(jì)算，簡(jiǎn)化計(jì)算后根據(jù)簡(jiǎn)化的程度在最終決定制冷能力的時(shí)候做一定的冗余，通常不超過(guò)實(shí)際計(jì)算量的20%。

2.2 動(dòng)力電池組風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)實(shí)例

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 電池組HVAC系統(tǒng)蒸發(fā)器設(shè)計(jì)

蒸發(fā)器能力根據(jù)計(jì)算所得為1200±50W：

測(cè)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(guò)熱度：由膨脹閥給出

空氣入口溫度：40±1°C

相對(duì)濕度：50%±5

鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量最大

蒸發(fā)器制冷能力根據(jù)工況臺(tái)架測(cè)試結(jié)果為1180W。

圖2 電池組總體結(jié)構(gòu)

圖3 系統(tǒng)電池組內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖4 電池組HVAC結(jié)構(gòu)

2.2.2 蒸發(fā)器傳感器布置位置確認(rèn)

通過(guò)測(cè)試蒸發(fā)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(fā)器出風(fēng)溫度并保護(hù)蒸發(fā)器。

圖5 蒸發(fā)器溫度分布測(cè)試

2.2.3 鼓風(fēng)機(jī)選型

由于電池內(nèi)部風(fēng)阻非常大，最高高達(dá)1100mbar，所以對(duì)風(fēng)機(jī)的參數(shù)要求很高。因此選用軸流式雙風(fēng)扇增加風(fēng)機(jī)的阻抗。

風(fēng)量測(cè)試臺(tái)上風(fēng)機(jī)最大風(fēng)量在 1100mbar下可達(dá)到147m3/h，滿足設(shè)計(jì)需求。

2.3 電池組風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)控制策略實(shí)例

2.3.1 電動(dòng)壓縮機(jī)控制

由 BMS（電池管理系統(tǒng)）采集電芯溫度后根據(jù)閾值確定是否開(kāi)啟電動(dòng)壓縮機(jī)為電池制冷。

在充電狀態(tài)下采用固定轉(zhuǎn)速輸出，保證制冷量輸出穩(wěn)定；在放電狀態(tài)下采用綜合轉(zhuǎn)速輸出，R=R1+R2（R為輸出的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速命令，R1為CCU(空調(diào)控制器)輸入轉(zhuǎn)速，R2為BMS（電池管理系統(tǒng)）輸入轉(zhuǎn)速。

2.3.2 散熱風(fēng)扇控制

由BMS根據(jù)車(chē)速以及電池組的電芯溫差來(lái)控制風(fēng)扇PMW控制信號(hào)的占空比，來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇控制。

風(fēng)扇根據(jù)電池最高溫度值來(lái)確認(rèn)開(kāi)啟風(fēng)扇的溫度

風(fēng)扇開(kāi)啟后PMW占空比=KP+ 20%*Delta T

當(dāng)車(chē)速小于3km/h時(shí)，KP為0；

當(dāng)車(chē)速大于3km/h時(shí)，KP為50%；

Delta T 為電芯最高溫度和最低溫度的溫差；

2.3.3 動(dòng)力電池蒸發(fā)器電磁閥控制

電磁閥采用PMW控制，10min為一個(gè)控制循環(huán)。

電磁閥開(kāi)啟后PWM占空比按KP表格查表設(shè)定

電池放電時(shí)KP值【0 30 50 70 90100】

對(duì)應(yīng)電芯最高溫度【35 37 39 41 43】

電池充電時(shí)KP值【0 50 80 100】

對(duì)應(yīng)電芯最高溫度【39 41 43】

電池組風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)控制策略，主要是在實(shí)時(shí)監(jiān)控電池組內(nèi)部溫度傳感器的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)電池的溫度變化通過(guò)不斷的改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及電池蒸發(fā)器電磁閥占空比來(lái)保證電池內(nèi)部溫度更加均衡，電芯溫度的一致性有顯著地提高。

3 動(dòng)力電池組風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)仿真

3.1 仿真模型建立

根據(jù)電池組內(nèi)部結(jié)構(gòu)，建立一維仿真模型，電池每個(gè)模組的4個(gè)溫度測(cè)試點(diǎn)簡(jiǎn)化為一個(gè)平均溫度測(cè)試點(diǎn)。

圖6

3.2 充電工況

系統(tǒng)仿真的主要參數(shù)如下表所示：

環(huán)境溫度：40±2℃

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速：按照充電時(shí)電池制冷所需最大轉(zhuǎn)速設(shè)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(shù)據(jù)顯示此系統(tǒng)16A充電工況下，測(cè)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(nèi)，滿足電池充電時(shí)對(duì)溫度和溫差的使用需求。

3.3 放電工況

系統(tǒng)仿真的主要參數(shù)如下表所示：

環(huán)境溫度：40±2℃

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速：按照充電時(shí)電池制冷所需最大轉(zhuǎn)速設(shè)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(shù)據(jù)顯示此系統(tǒng)在 Artemis Urban/road 工況下，測(cè)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(nèi)，也滿足電池充電時(shí)對(duì)溫度和溫差的使用需求。

4 動(dòng)力電池組風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

4.1 測(cè)試條件

4.1.1 環(huán)境溫度：40±2℃

4.1.2 所需測(cè)試設(shè)備

電池模擬器、低壓測(cè)試電源、高壓測(cè)試電源,動(dòng)力電池、16A充電機(jī)。

4.1.3 試驗(yàn)期間的控制策略由BMS自動(dòng)控制

根據(jù)模擬整車(chē)循環(huán)測(cè)試的功率譜開(kāi)始試驗(yàn)，模擬整車(chē)循環(huán)測(cè)試的功率譜共包含 4個(gè) Artemis urban循環(huán)和 6個(gè)Artemis road循環(huán)，每個(gè)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(huán)境下，動(dòng)力電池包以模擬整車(chē)循環(huán)測(cè)試功率譜進(jìn)行放電，直到BMS計(jì)算的SOC值≤15%時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。BMS計(jì)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(kāi)始放電時(shí)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(jié)束后，動(dòng)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(yàn)結(jié)束時(shí)，電池單體間的最大溫差為5℃。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果接近，證明此系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)真實(shí)有效，完全滿足電池使用需求。

圖13 為電池溫度情況

5 結(jié)論

我們通過(guò)某純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)的仿真和實(shí)驗(yàn)研究，掌握了該車(chē)型在高溫環(huán)境中通過(guò)風(fēng)冷的空調(diào)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)模組和電芯始終維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工作溫度環(huán)境，大大提高了動(dòng)力電池在高溫環(huán)境中的放電能力和壽命由于此車(chē)型在純電動(dòng)汽車(chē)中均有典型的代表性，會(huì)對(duì)這類車(chē)型在設(shè)計(jì)方案提供大量有益的方案借鑒。

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