勞中建，胡錦爐，鐘東文，許海峰，陳 程

（廣州通達(dá)汽車電氣股份有限公司，廣州 510700）

0 引言

電動(dòng)汽車是國(guó)家重要戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)［1］，純電動(dòng)公共交通車輛是電動(dòng)汽車領(lǐng)域優(yōu)先發(fā)展板塊，可有效解決城市環(huán)保問題，也是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要支持。純電動(dòng)公交車使用的動(dòng)力電池，對(duì)與溫度相關(guān)的電池安全性、性能穩(wěn)定性、電池壽命等要求越來越高，因此，提供溫度控制功能的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)尤為重要。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要作用為管理電池溫度，無論是在低溫還是在高溫環(huán)境下，都必須使電池始終處在適宜的溫度范圍內(nèi)工作［2］。電動(dòng)客車使用的動(dòng)力電池現(xiàn)在均為鋰電池，但是由于鋰電池的技術(shù)限制，溫度過低會(huì)影響鋰電池充放電和續(xù)航能力，溫度過高會(huì)導(dǎo)致電池單體衰減不平衡使壽命變短。研究表明，隨著溫度的升高，電池電壓下降速率增大，電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)越來越活潑，自放電越來越大［3］。為提高純電動(dòng)公交車?yán)m(xù)航里程和電池壽命，采用熱管理系統(tǒng)控制電池溫度處于最佳范圍內(nèi)，不僅有利于提高純電動(dòng)公交車的續(xù)航里程，還有利于提高動(dòng)力電池的使用壽命。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)具備散熱及加熱兩種溫度調(diào)節(jié)方式。動(dòng)力電池散熱目前主要可分為空冷散熱、相變材料散熱以及液冷散熱［4］。其中空冷散熱又分為強(qiáng)制風(fēng)冷散熱系統(tǒng)和自然對(duì)流散熱系統(tǒng)，液冷散熱又分為水冷系統(tǒng)和直冷系統(tǒng)。空冷散熱方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單［5］、成本低，但冷卻速度較慢、散熱效率不高，很難保證電池均溫性，僅適用于能量密度比較小的動(dòng)力電池散熱。相變材料通過恒溫可快速吸收潛熱，在一定工況范圍內(nèi)可起到調(diào)溫作用，但當(dāng)電池發(fā)熱功率太大時(shí)，仍需通過其他散熱方式把熱傳遞到外面，并且在車載環(huán)境下，振動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致材料分布不均，影響電池均溫性［6］。液體冷卻換熱效率高、散熱功率大、冷卻效果快、電池溫度分布相對(duì)較均勻、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。其中直冷系統(tǒng)由于采用單獨(dú)的制冷機(jī)組及制冷劑直接冷卻，雖然冷卻速度最快，但由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，既增加整車重量，又?jǐn)D占整車空間，也提高了整車制造成本。水冷系統(tǒng)不但冷卻效果顯著，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本也較低，便于采用智能控制技術(shù)，使電池的溫度控制在預(yù)期范圍內(nèi)，而且水冷系統(tǒng)由于水溶液熱容較大，溫度變化相對(duì)平緩，有利于控制電池溫度，減小波動(dòng)，提高電池溫度均勻性。動(dòng)力電池在低溫情況下使用會(huì)影響車輛里程或產(chǎn)生析鋰現(xiàn)象，造成電池?fù)p壞，所以在低溫情況下需要給電池預(yù)熱。電池加熱方式有電池自加熱和環(huán)境加熱，電池自加熱通過在電池正、負(fù)極上施加交流電對(duì)電池進(jìn)行加熱［7］；環(huán)境加熱主要有風(fēng)暖加熱及液體加熱。

本文設(shè)計(jì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)采用液體散熱及加熱方式，根據(jù)實(shí)時(shí)采集的進(jìn)水溫度，自動(dòng)切換冷卻、加熱回路，智能調(diào)整冷卻及加熱功率，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制電池的溫度，使電池始終工作于適宜溫度內(nèi)，可有效降低能耗、提高電池工作穩(wěn)定性及延長(zhǎng)壽命［8］。

1 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由熱管理控制模塊、顯示模塊、水循環(huán)模塊及制冷模塊組成，系統(tǒng)原理如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總原理

1.1 水循環(huán)模塊

水循環(huán)模塊是電池包直接冷卻及加熱模塊，通過管道把冷板、加熱器、板式換熱器及電子水泵連接起來，采用直流無刷電子水泵強(qiáng)制冷卻液進(jìn)行熱循環(huán)，在制冷時(shí)通過冷板把電芯熱量帶走，在加熱時(shí)可啟動(dòng)加熱器，通過冷板給電芯進(jìn)行加熱。冷卻液采用水和乙二醇混合溶液，具備熱容大且工作溫度范圍較廣的優(yōu)點(diǎn)。直流無刷電子水泵采用PWM 控制方式，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，提高系統(tǒng)可控性。加熱器采用PTC 加熱器，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，加熱速度快，并且在極低溫下也能正常啟動(dòng)。

1.2 制冷模塊

制冷模塊是一套空調(diào)系統(tǒng)，通過板式換熱器與水循環(huán)模塊進(jìn)行熱交換。因?yàn)殡姵毓ぷ鳒囟纫蟊容^嚴(yán)格，當(dāng)環(huán)境溫度高于電池最佳工作溫度時(shí)，單靠風(fēng)冷式散熱無法達(dá)到很好的散熱效果，而空調(diào)系統(tǒng)則可以提供低于環(huán)境溫度的制冷能力。制冷模塊包括壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥整套空調(diào)冷卻系統(tǒng)，利用空調(diào)系統(tǒng)對(duì)冷卻液進(jìn)行降溫，再通過降溫后的制冷劑與板式換熱器內(nèi)冷卻液進(jìn)行熱交換，最后通過冷卻液對(duì)電池包進(jìn)行冷卻［9］。采用高電壓的渦旋式壓縮機(jī)和環(huán)保型制冷制，環(huán)保節(jié)能且靜音效果好，具備過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、缺相保護(hù)、過載保護(hù)、過熱保護(hù)等功能，同時(shí)帶有CAN 總線功能，可通過CAN總線控制啟停及調(diào)速，發(fā)生故障時(shí)也能及時(shí)反饋故障信息給系統(tǒng)。冷凝器是空調(diào)系統(tǒng)的散熱機(jī)件，通過把氣體或蒸氣轉(zhuǎn)換為液體形成放熱，并由其上的直流無刷電子風(fēng)扇把管內(nèi)熱量散發(fā)到空氣中。

1.3 控制模塊

控制模塊具備溫度采樣及控制輸出功能，可控制系統(tǒng)在常溫散熱、高溫冷卻及低溫加熱模式下正常工作?？刂颇K通過在電池包進(jìn)水及出水口分別增加溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度信息采集，然后通過智能溫度控制程序，自動(dòng)選擇常溫散熱、高溫制冷或者低溫加熱模式進(jìn)行控制。在常溫散式模式下，可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行散熱；在高溫制冷模式下，可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)機(jī)率和冷凝器風(fēng)扇功率，達(dá)到控制制冷模塊冷卻輸出效果；在低溫加熱模式下，只需要調(diào)節(jié)加熱器即可控制加熱輸出。

1.4 顯示模塊

顯示模塊是系統(tǒng)參數(shù)顯示及設(shè)置模塊，帶有2.4 寸LCD 觸摸屏，主要用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。不同類型的鋰電池，對(duì)工作溫度的要求是不一樣的，所以需要提供參數(shù)設(shè)置或選擇功能。顯示模塊具備參數(shù)設(shè)置及系統(tǒng)監(jiān)控功能，可對(duì)系統(tǒng)部件工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警，并可對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過智能控制制冷及加熱功率的輸出，可保證動(dòng)力電池工作在合理的溫度區(qū)間。

2 控制模塊硬件設(shè)計(jì)

控制模塊是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的核心，由數(shù)據(jù)采集單元、電源單元、存儲(chǔ)單元、執(zhí)行單元、通信單元及主控制器組成，模塊工作原理如圖2 所示。

圖2 控制模塊原理

（1）數(shù)據(jù)采集單元。數(shù)據(jù)采集單元包括進(jìn)水溫度傳感器、出水溫度傳感器、水流量傳感器及AD 轉(zhuǎn)換器，主要用于采集控制所需參數(shù)。

（2）電源單元。電源單元主要把車內(nèi)24 V 電壓轉(zhuǎn)換為MCU工作所需電壓，并提供過壓、過流等保護(hù)功能。

（3）存儲(chǔ)單元。存儲(chǔ)單元用于存儲(chǔ)設(shè)置參數(shù)及過程運(yùn)行數(shù)據(jù)，以供算法使用。

（4）執(zhí)行單元。執(zhí)行單元包括循環(huán)水泵、冷凝器風(fēng)扇、壓縮機(jī)及加熱器，通過控制其輸出以達(dá)到精確控溫的效果。

（5）通信單元。通信單元具備CAN總線通信功能，具有兩路總線，其中一路用于跟整車通訊并采集BMS 電池電芯溫度，另外一路則與壓縮機(jī)進(jìn)行通訊，控制啟停及調(diào)速并接收反饋信息。

（6）主控制器。主控制器采用MCU 作為控制算法運(yùn)行載體，根據(jù)采集到的進(jìn)出水溫度、循環(huán)水流量進(jìn)行控制，并在水泵開啟而水流量過低時(shí)會(huì)進(jìn)行預(yù)警和保護(hù)。主控制器通過傳感器對(duì)電池包電芯、進(jìn)水溫度及出水溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且根據(jù)設(shè)定溫度控制輸出，最后通過PWM 輸出單元控制水泵及風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，通過CAN總線控制壓縮機(jī)及加熱器的輸出功率。

3 溫度控制算法設(shè)計(jì)

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)溫度控制目標(biāo)是使動(dòng)力電池工作溫度處在限定溫度范圍，通過研究電芯溫度及進(jìn)水溫度、出水溫度的關(guān)系，最終選取電池包的出水溫度作為系統(tǒng)的輸入溫度（Tin），其他溫度作為輔助決策條件［10］，根據(jù)溫度進(jìn)行自動(dòng)控制。根據(jù)系統(tǒng)輸入溫度，自動(dòng)控制電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在常溫散熱模式、高溫冷卻模式、低溫加熱模式之間進(jìn)行切換，使電池始終工作于限定溫度范圍內(nèi)。當(dāng)設(shè)定系統(tǒng)輸入溫度控制范圍為－ 20 ～35 ℃時(shí)，算法描述如下。

3.1 在常溫散熱模式下（5 ℃＜Tin ＜22 ℃）

系統(tǒng)只開啟循環(huán)水泵，并根據(jù)系統(tǒng)輸入溫度調(diào)節(jié)水泵的運(yùn)行轉(zhuǎn)速來小范圍調(diào)節(jié)散熱功率，使系統(tǒng)處于設(shè)定溫度范圍內(nèi)。但此種模式散熱功能有限，一般作為過渡階段存在，隨著溫度升高，很快會(huì)轉(zhuǎn)入高溫冷卻模式。

3.2 高溫冷卻模式（Tin≥22 ℃時(shí)）

控制流程如圖3 所示，設(shè)定最高、最低溫度，并分成4 個(gè)范圍，采用限制型模糊控制算法進(jìn)行控制。首先設(shè)定最高及最低溫度范圍，在最高溫度時(shí)必須全功率工作，在最低溫度范圍內(nèi)必須以最低功率工作，低于最低溫度則退出高溫冷卻模式。其次在最高及最低溫度中間的較高溫度范圍內(nèi)（28 ℃≤Tin＜30 ℃），當(dāng)相鄰兩次采樣的溫度上升或者停止時(shí)，才增大壓縮機(jī)和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。最后在最高及最低溫度中間的較低溫度范圍內(nèi)（22 ℃≤Tin＜28 ℃），當(dāng)相鄰兩次采樣溫度上升超過0.5 ℃時(shí)增大壓縮機(jī)和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；當(dāng)溫度下降超過0.5℃時(shí)降低壓縮機(jī)和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

圖3 高溫冷卻模式控制流程

3.3 低溫加熱模式（Tin≤5 ℃時(shí)）

控制流程如圖4 所示，設(shè)定最高、最低溫度，并分成4 個(gè)范圍，采用限制型模糊控制算法進(jìn)行控制。首先設(shè)定最高及最低溫度范圍，在最低溫度時(shí)必須全功率工作，在最高溫度范圍內(nèi)必須以最低功率工作，高于最高溫度則退出低溫加熱模式。其次在最高及最低溫度中間的較低溫度范圍內(nèi)（－ 20 ℃≤Tin＜－ 10 ℃），當(dāng)相鄰兩次采樣的溫度下降或者停止時(shí)，增加PTC功率輸出。最后在最高及最低溫度中間的較高溫度范圍內(nèi)（－10 ℃≤Tin＜0 ℃），當(dāng)相鄰兩次采樣溫度下降超過0.5 ℃時(shí)增大PTC功率輸出；當(dāng)溫度上升超過0.5 ℃時(shí)降低壓PTC功率輸出。

圖4 低溫加熱模式控制流程

4 結(jié)束語

在國(guó)家碳達(dá)峰及碳中和目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，純電動(dòng)客車應(yīng)用越來越廣泛，安全及性能問題也越來越受到重視，同時(shí)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)也隨之發(fā)展得越來越快。本文提出的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)已在純電動(dòng)客車上批量應(yīng)用，通過在整車多種極端工況下測(cè)試及驗(yàn)證，動(dòng)力電池溫度均能穩(wěn)定在最佳工作溫度范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)方案安全有效，通過智能模糊溫度控制算法，能很好地滿足系統(tǒng)預(yù)期設(shè)計(jì)效果。該電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、溫度控制性能好、成本較低，能有效提升動(dòng)力電池系統(tǒng)的性能和安全性，并延長(zhǎng)動(dòng)力電池使用壽命。