基于空調(diào)的有軌電車動(dòng)力電池?zé)峁芾砜刂?/h1>
2022-10-20 03:22:10呂艷宗王宏宇徐楊非
儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù) 2022年10期
呂艷宗，韓 冰，王宏宇，徐楊非，張 星
（1中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031；2重慶中車四方所科技有限公司，重慶 401133）
新能源有軌電車在弓網(wǎng)供電區(qū)和無網(wǎng)區(qū)運(yùn)行時(shí)，其動(dòng)力電池充放電變化較快，峰值電流大，會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，且具有間歇性的特點(diǎn)。熱量傳遞也具有其自身的特點(diǎn)：發(fā)熱源是電池芯體，而熱量由電池芯體向模組表面?zhèn)鬟f，再由模組表面向箱內(nèi)空氣傳遞都具有一定的時(shí)間延遲[1]。
電池溫度太高會(huì)引起安全問題，而且高溫或低溫環(huán)境也會(huì)造成電池性能、循環(huán)壽命的下降，因此需要設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)對(duì)電池溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證電池的安全和性能。常見的散熱方式有空冷(自然散熱、強(qiáng)迫風(fēng)冷)、液冷，以及熱管、相變換熱等新形式。其中自然散熱方式因應(yīng)用環(huán)境受限太大已逐漸淘汰，其他方式則各具優(yōu)點(diǎn)，仍被持續(xù)研究與應(yīng)用。如文獻(xiàn)[2]對(duì)電動(dòng)汽車電池的風(fēng)冷散熱控制策略進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[3]對(duì)電動(dòng)汽車電池不同排布、不同進(jìn)出風(fēng)方式及風(fēng)速下的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真、實(shí)驗(yàn)分析等；文獻(xiàn)[4]對(duì)大平板熱管加輔助風(fēng)冷的散熱方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真研究；文獻(xiàn)[5]提出電池與相變材料的成組結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)值模擬并分析研究結(jié)果；文獻(xiàn)[6]則研究電池單體不同排布形式對(duì)相變冷卻耦合空氣冷卻的散熱性能影響。
采用空調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電池?zé)峁芾硪彩且环N常見形式，其通過內(nèi)、外隔絕通風(fēng)循環(huán)及熱交換實(shí)現(xiàn)熱管理功能，具有較高效率，且易于實(shí)現(xiàn)IP67 防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)。本工作針對(duì)某新能源有軌電車動(dòng)力電池箱設(shè)計(jì)基于空調(diào)的熱管理系統(tǒng)，并根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)提出了一種基于多溫融合的溫區(qū)控制策略。
1 基于空調(diào)的電池箱熱管理系統(tǒng)
采用空調(diào)技術(shù)設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時(shí)需注意一個(gè)應(yīng)用特點(diǎn)：在冬季低溫環(huán)境時(shí)，只要列車運(yùn)行則動(dòng)力電池就會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這就需要空調(diào)具有超低溫制冷能力。而車輛在冬季冷車啟動(dòng)時(shí)，低溫環(huán)境也會(huì)影響電池性能，空調(diào)還應(yīng)具有制熱功能對(duì)電池進(jìn)行預(yù)加熱。
基于以上分析，采用變頻熱泵技術(shù)設(shè)計(jì)空調(diào)裝置為電池箱進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，可適應(yīng)熱負(fù)荷變化頻繁、峰值負(fù)荷大等特點(diǎn)[7]?？照{(diào)換熱系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 電池?zé)峁芾砜照{(diào)換熱系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schemic diagram of battery thermal management air conditioner heat exchange system
該有軌電車動(dòng)力電池箱的額定熱負(fù)荷為5.5 kW，空調(diào)換熱系統(tǒng)按照額定6.5 kW 進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證極端高溫天氣時(shí)仍具有快速降溫能力；而且多數(shù)時(shí)間為降額使用，提高了系統(tǒng)的可靠性。
針對(duì)超低溫制冷能力的需求，換熱系統(tǒng)在冷凝器兩端并聯(lián)設(shè)計(jì)兩級(jí)旁通閥，根據(jù)外部環(huán)境溫度(壓縮機(jī)啟動(dòng)初期)和冷凝器盤管溫度(壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí))進(jìn)行兩級(jí)旁通控制；同時(shí)采用雙變頻冷凝風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)提供大范圍可變冷凝風(fēng)量。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)可在-5 ℃環(huán)境溫度時(shí)正常制冷。
熱泵型換熱系統(tǒng)在冬季大多數(shù)環(huán)境溫度(＞-10 ℃)時(shí)可以較高能效比提供制熱功能。同時(shí)，為應(yīng)對(duì)極端低溫天氣，在空調(diào)中設(shè)計(jì)了具有較高安全性的PTC 電加熱裝置，為低溫冷車啟動(dòng)時(shí)的電池進(jìn)行預(yù)加熱。
受空間尺寸限制，將通風(fēng)機(jī)布置在空調(diào)內(nèi)部時(shí)風(fēng)道較難設(shè)計(jì)，造成風(fēng)阻增加，降低了通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率。為此將通風(fēng)機(jī)設(shè)置在相對(duì)于空調(diào)機(jī)組的電池箱內(nèi)遠(yuǎn)端位置，以此減小了箱內(nèi)空氣循環(huán)阻力、改善風(fēng)場(chǎng)分布、提高風(fēng)機(jī)效率[8]。通風(fēng)機(jī)、電池模組和空調(diào)位置示意及通風(fēng)循環(huán)如圖2所示。
圖2 通風(fēng)機(jī)、電池模組和空調(diào)位置示意及通風(fēng)循環(huán)示意圖Fig.2 Fan,battery module and air conditioner location,ventilation cycle schemic diagram
2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的控制
基于空調(diào)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的控制主要是對(duì)變頻空調(diào)的控制(包括電池箱內(nèi)的通風(fēng)機(jī))。
傳統(tǒng)方法一般以回風(fēng)溫度和目標(biāo)溫度的溫差進(jìn)行空調(diào)控制，當(dāng)回風(fēng)溫度高于目標(biāo)溫度時(shí)開啟制冷模式，低于目標(biāo)溫度時(shí)開啟制熱模式，最終將回風(fēng)溫度控制在目標(biāo)溫度點(diǎn)附近。變頻壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率Fca與溫差呈線性關(guān)系，F(xiàn)ca=Fra×|Tre-Tt|/p，其中：Fra為額定制冷頻率，Tre為回風(fēng)溫度，Tt為目標(biāo)溫度，p為計(jì)算系數(shù)。
鑒于電池芯體溫度傳遞到回風(fēng)溫度的滯后性較大，若僅以傳統(tǒng)空調(diào)控制方式為電池散熱，則空調(diào)響應(yīng)嚴(yán)重滯后，會(huì)導(dǎo)致電池芯體溫度波動(dòng)范圍加大、峰值更高，不利于電池的安全和壽命。此外，電池可工作于一定溫度區(qū)間，與傳統(tǒng)點(diǎn)式控溫方式也有區(qū)別。
針對(duì)動(dòng)力電池的熱負(fù)荷特性，在傳統(tǒng)變頻空調(diào)控制策略的基礎(chǔ)上進(jìn)行算法改進(jìn)，形成了一種適合電池箱溫度調(diào)控的基于多溫融合的溫區(qū)控制方法。
文中描述以制冷工況進(jìn)行說明，對(duì)于熱泵及PTC加熱，與傳統(tǒng)空調(diào)控制方式類似，在此不再詳述。
2.1 基于多溫融合的溫區(qū)控制方法概述
熱管理系統(tǒng)變頻空調(diào)對(duì)箱內(nèi)溫度的控制舍棄了僅依靠回風(fēng)溫度進(jìn)行壓縮機(jī)頻率計(jì)算的方法，同時(shí)也不再將回風(fēng)溫度控制到一個(gè)目標(biāo)溫度點(diǎn)。新的方法綜合考慮多個(gè)相關(guān)溫度參數(shù)進(jìn)行溫區(qū)控制，主要內(nèi)容包括：
（1）空調(diào)采集回風(fēng)溫度、電池溫度和環(huán)境溫度，對(duì)三個(gè)溫度進(jìn)行多溫度融合計(jì)算，綜合確定一個(gè)計(jì)算溫度，并以此參與壓縮機(jī)運(yùn)行頻率計(jì)算。
（2）根據(jù)實(shí)際應(yīng)用電池的允許工作溫度范圍，并結(jié)合回風(fēng)溫度的變化趨勢(shì)，對(duì)電池箱溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)區(qū)間式控制，并根據(jù)區(qū)間計(jì)算壓縮機(jī)頻率。
（3）在確定了壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的基礎(chǔ)上，對(duì)空調(diào)通風(fēng)機(jī)和冷凝風(fēng)機(jī)進(jìn)行變風(fēng)量控制，使空調(diào)換熱系統(tǒng)始終運(yùn)行在最佳狀態(tài)。
控制流程如圖3所示。
圖3 控制流程圖Fig.3 Control program flow chart
2.2 確定計(jì)算溫度
在變頻空調(diào)采集得到回風(fēng)溫度、環(huán)境溫度和電池模組溫度后，以回風(fēng)溫度為基本量，環(huán)境溫度和電池溫度為調(diào)整量，按以下步驟確定計(jì)算溫度。
（1）根據(jù)環(huán)境溫度將回風(fēng)溫度Tre調(diào)整為一次計(jì)算溫度Tca1
變頻空調(diào)制冷運(yùn)行時(shí)，隨著環(huán)境溫度的升高，能效比呈下降趨勢(shì)?？煽刂颇繕?biāo)回風(fēng)溫度隨環(huán)境溫度正向變化，間接降低壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，使變頻空調(diào)在不同工況時(shí)工作均有較高能效比，達(dá)到節(jié)能降耗的目的[9-10]。
根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]2.2.4、4.3 章節(jié)中環(huán)境溫度、設(shè)定溫度變化對(duì)空調(diào)器制冷量、能耗影響的研究，以及文獻(xiàn)[10]中室外環(huán)境溫度變化對(duì)空調(diào)功耗、能效比影響的試驗(yàn)研究分析，在電池箱變頻空調(diào)控制中將環(huán)境溫度引入計(jì)算過程，根據(jù)環(huán)境溫度把回風(fēng)溫度調(diào)整為一次計(jì)算溫度。實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度To，以空調(diào)額定工況中的環(huán)境溫度To0為基準(zhǔn)點(diǎn)，用To將回風(fēng)溫度Tre修正為一次計(jì)算溫度Tca1。經(jīng)過對(duì)所研空調(diào)具體的試驗(yàn)調(diào)試，形成計(jì)算公式如下：
其中，a為調(diào)整系數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)調(diào)試過程確定最優(yōu)數(shù)值，此處a=0.5；同時(shí)設(shè)置最大調(diào)整量限制-3 ℃≤ΔTo_adj≤3 ℃，ΔTo_adj=a×(To-To0)。
（2）根據(jù)電池溫度Tba調(diào)整一次計(jì)算溫度Tca1為二次計(jì)算溫度Tca2
根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]第2、3 章的研究等資料，電池溫度由芯體向表面呈遞減的溫度梯度，并且回風(fēng)溫度與電池表面溫度之間也存在滯后性。為及時(shí)響應(yīng)電池溫度的快速變化，消除電池溫度由芯體向表面?zhèn)鬟f、通風(fēng)循環(huán)溫度傳遞的時(shí)間延遲，提高變頻空調(diào)的響應(yīng)速度，將電池溫度引入變頻空調(diào)壓縮機(jī)頻率的計(jì)算中，當(dāng)電池溫度上升時(shí)即時(shí)調(diào)高壓縮機(jī)頻率，而不必等待回風(fēng)溫度上升。具體地，根據(jù)所用電池的推薦工作溫度范圍，設(shè)定一個(gè)電池溫度參與壓縮機(jī)頻率計(jì)算的閾值Tba_ca，根據(jù)電池溫度與閾值溫度的差值將一次計(jì)算溫度調(diào)整為二次計(jì)算溫度。當(dāng)電池溫度Tba≤Tba_ca時(shí)，Tca2=Tca1；當(dāng)電池溫度Tba＞Tba_ca時(shí)
其中，調(diào)整系數(shù)b根據(jù)所研電池箱電池的發(fā)熱特性和散熱空調(diào)的性能在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)階段確定，此處b=0.5。由電池溫度過高引起的計(jì)算溫度最大調(diào)整量不做限制，最終由壓縮機(jī)最大頻率Fmax限制。
2.3 基于溫區(qū)控制的壓縮機(jī)頻率計(jì)算
利用電池可工作于一定溫度區(qū)間的特點(diǎn)將箱內(nèi)溫度分區(qū)進(jìn)行控制，在滿足電池工作需求的同時(shí)減少空調(diào)制冷/制熱的工作時(shí)間，從而達(dá)到節(jié)能的效果。
以回風(fēng)溫度Tre(也可以以回風(fēng)溫度修正得到的計(jì)算溫度)為判斷條件，將溫度進(jìn)行分區(qū)如表1所示。
表1 溫度分區(qū)Table 1 Temperature zoning
其中，T1＞T2＞T3；T1小于電池的安全工作溫度。
全功率制冷區(qū)壓縮機(jī)以最大頻率Fmax運(yùn)行以提供最大輸出制冷量，對(duì)壓縮機(jī)頻率的計(jì)算主要應(yīng)用于變頻制冷區(qū)。按照上述分區(qū)控制，變頻空調(diào)將控制對(duì)象-回風(fēng)溫度控制在一定區(qū)間范圍內(nèi)。以制冷工況為例，變頻制冷區(qū)的溫度區(qū)間范圍下限為T2，溫度上限為T1。以前述常用公式Fca=Fra×|Tre-Tt|/p為基礎(chǔ)，將溫度區(qū)間參數(shù)引入變頻壓縮機(jī)頻率的計(jì)算，計(jì)算公式如下
式(3)中，ΔT3是針對(duì)變頻制冷區(qū)的溫度范圍[T2，T1]作出的修正，將修正溫度區(qū)間[T2，(T1-ΔT3)]作為壓縮機(jī)頻率的控制目標(biāo)和計(jì)算條件。這樣就在規(guī)定的溫度上限處形成了一定的溫度區(qū)間間隔，以防止由于溫度調(diào)節(jié)固有的滯后慣性使箱內(nèi)溫度超出T1范圍。當(dāng)因?yàn)槟承┰蛟斐呻姵叵鋬?nèi)的溫度過高，Tca2高于(T1-ΔT3)時(shí)，按照公式(3)計(jì)算，壓縮機(jī)會(huì)以高于額定制冷頻率Fra的頻率運(yùn)行，可提供超額定制冷量對(duì)電池箱進(jìn)行快速降溫。而對(duì)于溫度區(qū)間下限范圍，由于其相鄰區(qū)間是適合電池工作的通風(fēng)區(qū)，因此不必進(jìn)行修正。
為避免因溫度波動(dòng)以及測(cè)量誤差造成的壓縮機(jī)頻繁啟停，對(duì)壓縮機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行和停止做出限定：當(dāng)壓縮機(jī)當(dāng)前狀態(tài)為運(yùn)行時(shí)，以公式(3)計(jì)算并輸出控制壓縮機(jī)運(yùn)行；當(dāng)壓縮機(jī)當(dāng)前狀態(tài)為停止時(shí)，限定只有當(dāng)Tca2＞(T2+ΔT4)時(shí)，計(jì)算頻率才能輸出并控制壓縮機(jī)啟動(dòng)，否則保持停止。
2.4 溫度區(qū)間的動(dòng)態(tài)調(diào)整
在實(shí)際應(yīng)用中，由于電池充放電時(shí)間不確定(熱負(fù)荷不確定)，以及外界環(huán)境溫度的不可預(yù)知性，以固定的溫度分界點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)回風(fēng)溫度控制超限的情況。如在極端高溫工況頻繁充放電時(shí)，以固定分區(qū)計(jì)算出的壓縮機(jī)頻率輸出的制冷量可能不足，導(dǎo)致回風(fēng)溫度逐漸升高，不利于電池工作。因此在表1基本分區(qū)的基礎(chǔ)上，將回風(fēng)溫度的變化趨勢(shì)引入分區(qū)控制，對(duì)各溫度分界點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)[11]。
以回風(fēng)溫度上升為例進(jìn)行說明：當(dāng)回風(fēng)溫度處于變頻制冷區(qū)時(shí)，監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)滾動(dòng)時(shí)間窗內(nèi)的回風(fēng)溫度上升斜率為k，k=(Tre_n-Tre_l)/(tn-tl)。當(dāng)k超過設(shè)定限值kt時(shí)，說明在當(dāng)前的運(yùn)行環(huán)境下(包括環(huán)境溫度和電池充放電情況)按基本分區(qū)進(jìn)行壓縮機(jī)頻率計(jì)算已不能滿足控溫需求。這時(shí)需要將分區(qū)向下動(dòng)態(tài)調(diào)整以增大壓縮機(jī)的計(jì)算頻率。分區(qū)溫度的調(diào)整計(jì)算方法如下：
其中，f(k)對(duì)k進(jìn)行歸一化處理，使其最大值等于1[如5 s上升1 ℃時(shí)，f(k)=1]。
調(diào)整后的變頻制冷區(qū)溫度范圍為[T2-ΔTadj，T1-ΔTadj]，壓縮機(jī)頻率計(jì)算公式調(diào)整為
通過把回風(fēng)溫度的變化趨勢(shì)引入到對(duì)溫區(qū)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)時(shí)調(diào)整壓縮機(jī)的頻率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)回風(fēng)溫度變壞趨勢(shì)的遏制。
2.5 具體計(jì)算
前述車載動(dòng)力電池箱變頻空調(diào)的基本溫度分區(qū)如表2所示。
表2 溫度分區(qū)Table 2 Temperature zoning
根據(jù)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)確定的額定制冷壓縮機(jī)頻率Fra=55 Hz，額定工況環(huán)境溫度To0=40 ℃，電池溫度閾值Tba_ca=35 ℃，計(jì)算系數(shù)a=0.5、b=0.5，T2=20 ℃，T1=30 ℃，ΔT3=2 ℃，ΔT4=3 ℃，Ts=3 ℃。幾種典型工況的計(jì)算如表3所示。
表3 典型工況計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of typical working conditions
工況1 中，因Tca2＜(T2+ΔT4)=23 ℃，如果當(dāng)前壓縮機(jī)正在運(yùn)行，其調(diào)頻至14 Hz繼續(xù)運(yùn)行，否則保持停止。工況2、3因?yàn)門ca2＞23 ℃，無論壓縮機(jī)當(dāng)前是停止或運(yùn)行狀態(tài)，壓縮機(jī)會(huì)分別調(diào)整至34 Hz、48 Hz 運(yùn)行。工況2、4 對(duì)比，較高的環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)較高的回風(fēng)溫度，計(jì)算出的壓縮機(jī)頻率相等。工況4、5對(duì)比，當(dāng)環(huán)境溫度、回風(fēng)溫度都一樣時(shí)，若電池溫度未超溫，壓縮機(jī)的頻率為34 Hz；而一旦電池溫度超溫，則不必等到回風(fēng)溫度上升，壓縮機(jī)頻率立即增大到48 Hz增大制冷量，以更快的速度散熱，降低電池峰值溫度。工況5、6 對(duì)比，當(dāng)考慮了回風(fēng)溫度上升速率時(shí)，則計(jì)算頻率由48 Hz進(jìn)一步提升到了55 Hz。
2.6 通風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)的變頻控制
為及時(shí)獲取電池箱內(nèi)的溫度，通風(fēng)機(jī)需始終保持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并主要根據(jù)回風(fēng)溫度進(jìn)行調(diào)速控制。制冷工況時(shí)，通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與回風(fēng)溫度成正比關(guān)系，回風(fēng)溫度高時(shí)提高轉(zhuǎn)速增大循環(huán)風(fēng)量，溫度較低時(shí)則降低轉(zhuǎn)速減小循環(huán)風(fēng)量。制熱工況主要用于預(yù)熱，同時(shí)還要兼顧電加熱的安全性，因此采用了固定風(fēng)速控制方式。
上述熱管理系統(tǒng)的通風(fēng)機(jī)以回風(fēng)溫度為主，結(jié)合電池溫度進(jìn)行控制。在回風(fēng)溫度為Tre0(30 ℃)時(shí)，控制通風(fēng)機(jī)為額定轉(zhuǎn)速n0(計(jì)為100%)；在回風(fēng)溫度為Tre1(20 ℃)時(shí)，控制通風(fēng)機(jī)為70%轉(zhuǎn)速；當(dāng)電池溫度超過Tba_ca=35 ℃時(shí)，則在計(jì)算基礎(chǔ)上增加10%；采用插值法計(jì)算中間數(shù)值。
但需要注意，在某些情況下單純提高風(fēng)速并不會(huì)持續(xù)提高散熱能力，也可能會(huì)引起電池單體間的溫差變大[1,12]。因此需要在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)調(diào)試過程中，結(jié)合壓縮機(jī)運(yùn)行頻率、電池箱內(nèi)通風(fēng)道溫度梯度情況確定通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，以提供合適的風(fēng)速和送風(fēng)溫度[3,8,13-14]。
冷凝風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制分兩個(gè)階段：壓縮機(jī)啟動(dòng)2 分鐘之內(nèi)以環(huán)境溫度Tο為控制參量進(jìn)行分段控制；2分鐘后以冷凝器盤管溫度Top為控制參量，以額定工況制冷運(yùn)行外盤管溫度Top0和冷凝風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速n0為基準(zhǔn)點(diǎn)，整體呈正比線性關(guān)系，最高為n3=n0×110%；隨著冷凝器盤管溫度的下降，在Top1切換至單風(fēng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行，直至Top2以下時(shí)兩個(gè)冷凝風(fēng)機(jī)都停止運(yùn)行。
通風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)調(diào)速示意如圖4所示。
圖4 通風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)調(diào)速控制示意圖Fig.4 Schemic diagram of speed regulation control of fan and condensing fan
3 仿真與試驗(yàn)
采用Flotherm軟件對(duì)電池箱的散熱通風(fēng)循環(huán)進(jìn)行建模和熱仿真計(jì)算。以電池額定充放電工況為例，電池發(fā)熱量5.5 kW，通風(fēng)機(jī)固定為額定送風(fēng)量1300 m3/h，進(jìn)風(fēng)溫度為12 ℃。取高度方向上中間截面溫度場(chǎng)計(jì)算，模組最高表面溫度出現(xiàn)在距通風(fēng)機(jī)最近模組位置，約29 ℃，仿真結(jié)果見圖5。
圖5 幾何建模及熱仿真溫度場(chǎng)云圖Fig.5 Modeling and thermal simulation temperature field nephogram
在空調(diào)焓差實(shí)驗(yàn)室對(duì)熱管理系統(tǒng)變頻空調(diào)進(jìn)行了性能測(cè)試，最大制冷能力可達(dá)8 kW，額定制冷量(6.5 kW)時(shí)能效比為2.6，運(yùn)行全工況范圍內(nèi)最高能效比可達(dá)3.0，達(dá)到了設(shè)計(jì)性能指標(biāo)目標(biāo)。
電池箱組裝完成并進(jìn)行散熱系統(tǒng)性能調(diào)試后，在45 ℃環(huán)境溫度下進(jìn)行了額定載荷充放電試驗(yàn)，驗(yàn)證熱管理系統(tǒng)的冷卻散熱能力，并測(cè)試空調(diào)的功耗情況。在電池箱內(nèi)每?jī)蓚€(gè)電池模組之間的風(fēng)道上、中、下三個(gè)位置布置熱電偶(圖6)，同時(shí)監(jiān)控各電池模組的內(nèi)部溫度。試驗(yàn)中，送風(fēng)溫度處于10～13 ℃之間，箱內(nèi)空氣最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在靠近通風(fēng)機(jī)的底部測(cè)點(diǎn)，為28.8 ℃；與仿真對(duì)應(yīng)的中間截面溫度場(chǎng)最高測(cè)點(diǎn)溫度為28.6 ℃。由于溫度測(cè)點(diǎn)并非緊貼模組表面，從熱量的傳遞路徑可推斷測(cè)點(diǎn)溫度比模組表面溫度應(yīng)略低，因此可以認(rèn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本吻合。試驗(yàn)中還監(jiān)測(cè)到電池模組內(nèi)部溫度最高為36.1 ℃，體現(xiàn)出由內(nèi)部到表面的溫度梯度及溫度傳遞的滯后性。
圖6 溫度測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.6 Schemic diagram of layout of temperature measuring points
本工作還進(jìn)行了空調(diào)壓縮機(jī)頻率計(jì)算方式對(duì)比試驗(yàn)：當(dāng)控制策略中不考慮電池溫度的上升，僅用一次計(jì)算溫度Tca1計(jì)算壓縮機(jī)頻率時(shí)，試驗(yàn)中電池模組溫度最高測(cè)到了37.8 ℃，比利用本文所述方法時(shí)高1.7 ℃。
針對(duì)熱管理系統(tǒng)空調(diào)的運(yùn)行能耗，通過以下方式進(jìn)行對(duì)比：不考慮環(huán)境溫度變化對(duì)控制的影響，只用回風(fēng)溫度和電池溫度計(jì)算壓縮機(jī)頻率。試驗(yàn)方法：在2 h內(nèi)，環(huán)境溫度從45 ℃→25 ℃→45 ℃變化兩個(gè)周期，期間循環(huán)進(jìn)行電池額定載荷充放電過程；用電能表統(tǒng)計(jì)耗電量。試驗(yàn)結(jié)果：采用對(duì)比控制方式時(shí)耗電3.76 kWh，而采用本文論述的方法時(shí)耗電3.61 kWh，降低能耗約4%。
4 結(jié) 論
本文介紹了基于變頻空調(diào)的新能源有軌電車動(dòng)力電池?zé)峁芾砜刂蒲芯?，提出了一種多溫融合計(jì)算空調(diào)壓縮機(jī)頻率，配合通風(fēng)機(jī)和冷凝風(fēng)機(jī)的調(diào)速控制，將電池箱溫度控制于動(dòng)態(tài)溫度區(qū)間內(nèi)的方法。
（1）通過將環(huán)境溫度引入計(jì)算提高空調(diào)的運(yùn)行效率，同時(shí)采取溫度區(qū)間控制法降低空調(diào)制冷/制熱運(yùn)行時(shí)間，可有效降低空調(diào)的運(yùn)行能耗。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，與不考慮環(huán)境溫度因素方法相比可降低約4%的能耗。
（2）通過將電池溫度引入計(jì)算過程，并以回風(fēng)溫度的變化趨勢(shì)動(dòng)態(tài)調(diào)整控溫區(qū)間，提高了熱管理系統(tǒng)空調(diào)在熱負(fù)荷增加時(shí)的響應(yīng)速度。對(duì)比試驗(yàn)中降低電池最高溫度近2 ℃，有效降低了電池?zé)崾Э氐奈ｋU(xiǎn)、優(yōu)化電池工況。
所述控制方法兼顧系統(tǒng)快速響應(yīng)與降低能耗，計(jì)算過程簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，在有軌電車動(dòng)力電池?zé)峁芾碇腥〉昧溯^好的控制效果。研制的產(chǎn)品已在所述新能源有軌電車上裝車并完成了整車調(diào)試及試運(yùn)行，熱管理系統(tǒng)滿足了動(dòng)力電池箱的實(shí)際運(yùn)用需求。
呂艷宗，韓 冰，王宏宇，徐楊非，張 星
（1中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031；2重慶中車四方所科技有限公司，重慶 401133）
新能源有軌電車在弓網(wǎng)供電區(qū)和無網(wǎng)區(qū)運(yùn)行時(shí)，其動(dòng)力電池充放電變化較快，峰值電流大，會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，且具有間歇性的特點(diǎn)。熱量傳遞也具有其自身的特點(diǎn)：發(fā)熱源是電池芯體，而熱量由電池芯體向模組表面?zhèn)鬟f，再由模組表面向箱內(nèi)空氣傳遞都具有一定的時(shí)間延遲[1]。
電池溫度太高會(huì)引起安全問題，而且高溫或低溫環(huán)境也會(huì)造成電池性能、循環(huán)壽命的下降，因此需要設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)對(duì)電池溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證電池的安全和性能。常見的散熱方式有空冷(自然散熱、強(qiáng)迫風(fēng)冷)、液冷，以及熱管、相變換熱等新形式。其中自然散熱方式因應(yīng)用環(huán)境受限太大已逐漸淘汰，其他方式則各具優(yōu)點(diǎn)，仍被持續(xù)研究與應(yīng)用。如文獻(xiàn)[2]對(duì)電動(dòng)汽車電池的風(fēng)冷散熱控制策略進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[3]對(duì)電動(dòng)汽車電池不同排布、不同進(jìn)出風(fēng)方式及風(fēng)速下的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真、實(shí)驗(yàn)分析等；文獻(xiàn)[4]對(duì)大平板熱管加輔助風(fēng)冷的散熱方式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真研究；文獻(xiàn)[5]提出電池與相變材料的成組結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)值模擬并分析研究結(jié)果；文獻(xiàn)[6]則研究電池單體不同排布形式對(duì)相變冷卻耦合空氣冷卻的散熱性能影響。
采用空調(diào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電池?zé)峁芾硪彩且环N常見形式，其通過內(nèi)、外隔絕通風(fēng)循環(huán)及熱交換實(shí)現(xiàn)熱管理功能，具有較高效率，且易于實(shí)現(xiàn)IP67 防護(hù)等級(jí)設(shè)計(jì)。本工作針對(duì)某新能源有軌電車動(dòng)力電池箱設(shè)計(jì)基于空調(diào)的熱管理系統(tǒng)，并根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)提出了一種基于多溫融合的溫區(qū)控制策略。
1 基于空調(diào)的電池箱熱管理系統(tǒng)
采用空調(diào)技術(shù)設(shè)計(jì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時(shí)需注意一個(gè)應(yīng)用特點(diǎn)：在冬季低溫環(huán)境時(shí)，只要列車運(yùn)行則動(dòng)力電池就會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這就需要空調(diào)具有超低溫制冷能力。而車輛在冬季冷車啟動(dòng)時(shí)，低溫環(huán)境也會(huì)影響電池性能，空調(diào)還應(yīng)具有制熱功能對(duì)電池進(jìn)行預(yù)加熱。
基于以上分析，采用變頻熱泵技術(shù)設(shè)計(jì)空調(diào)裝置為電池箱進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，可適應(yīng)熱負(fù)荷變化頻繁、峰值負(fù)荷大等特點(diǎn)[7]?？照{(diào)換熱系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 電池?zé)峁芾砜照{(diào)換熱系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schemic diagram of battery thermal management air conditioner heat exchange system
該有軌電車動(dòng)力電池箱的額定熱負(fù)荷為5.5 kW，空調(diào)換熱系統(tǒng)按照額定6.5 kW 進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證極端高溫天氣時(shí)仍具有快速降溫能力；而且多數(shù)時(shí)間為降額使用，提高了系統(tǒng)的可靠性。
針對(duì)超低溫制冷能力的需求，換熱系統(tǒng)在冷凝器兩端并聯(lián)設(shè)計(jì)兩級(jí)旁通閥，根據(jù)外部環(huán)境溫度(壓縮機(jī)啟動(dòng)初期)和冷凝器盤管溫度(壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí))進(jìn)行兩級(jí)旁通控制；同時(shí)采用雙變頻冷凝風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)提供大范圍可變冷凝風(fēng)量。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)可在-5 ℃環(huán)境溫度時(shí)正常制冷。
熱泵型換熱系統(tǒng)在冬季大多數(shù)環(huán)境溫度(＞-10 ℃)時(shí)可以較高能效比提供制熱功能。同時(shí)，為應(yīng)對(duì)極端低溫天氣，在空調(diào)中設(shè)計(jì)了具有較高安全性的PTC 電加熱裝置，為低溫冷車啟動(dòng)時(shí)的電池進(jìn)行預(yù)加熱。
受空間尺寸限制，將通風(fēng)機(jī)布置在空調(diào)內(nèi)部時(shí)風(fēng)道較難設(shè)計(jì)，造成風(fēng)阻增加，降低了通風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率。為此將通風(fēng)機(jī)設(shè)置在相對(duì)于空調(diào)機(jī)組的電池箱內(nèi)遠(yuǎn)端位置，以此減小了箱內(nèi)空氣循環(huán)阻力、改善風(fēng)場(chǎng)分布、提高風(fēng)機(jī)效率[8]。通風(fēng)機(jī)、電池模組和空調(diào)位置示意及通風(fēng)循環(huán)如圖2所示。
圖2 通風(fēng)機(jī)、電池模組和空調(diào)位置示意及通風(fēng)循環(huán)示意圖Fig.2 Fan,battery module and air conditioner location,ventilation cycle schemic diagram
2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的控制
基于空調(diào)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的控制主要是對(duì)變頻空調(diào)的控制(包括電池箱內(nèi)的通風(fēng)機(jī))。
傳統(tǒng)方法一般以回風(fēng)溫度和目標(biāo)溫度的溫差進(jìn)行空調(diào)控制，當(dāng)回風(fēng)溫度高于目標(biāo)溫度時(shí)開啟制冷模式，低于目標(biāo)溫度時(shí)開啟制熱模式，最終將回風(fēng)溫度控制在目標(biāo)溫度點(diǎn)附近。變頻壓縮機(jī)的運(yùn)行頻率Fca與溫差呈線性關(guān)系，F(xiàn)ca=Fra×|Tre-Tt|/p，其中：Fra為額定制冷頻率，Tre為回風(fēng)溫度，Tt為目標(biāo)溫度，p為計(jì)算系數(shù)。
鑒于電池芯體溫度傳遞到回風(fēng)溫度的滯后性較大，若僅以傳統(tǒng)空調(diào)控制方式為電池散熱，則空調(diào)響應(yīng)嚴(yán)重滯后，會(huì)導(dǎo)致電池芯體溫度波動(dòng)范圍加大、峰值更高，不利于電池的安全和壽命。此外，電池可工作于一定溫度區(qū)間，與傳統(tǒng)點(diǎn)式控溫方式也有區(qū)別。
針對(duì)動(dòng)力電池的熱負(fù)荷特性，在傳統(tǒng)變頻空調(diào)控制策略的基礎(chǔ)上進(jìn)行算法改進(jìn)，形成了一種適合電池箱溫度調(diào)控的基于多溫融合的溫區(qū)控制方法。
文中描述以制冷工況進(jìn)行說明，對(duì)于熱泵及PTC加熱，與傳統(tǒng)空調(diào)控制方式類似，在此不再詳述。
2.1 基于多溫融合的溫區(qū)控制方法概述
熱管理系統(tǒng)變頻空調(diào)對(duì)箱內(nèi)溫度的控制舍棄了僅依靠回風(fēng)溫度進(jìn)行壓縮機(jī)頻率計(jì)算的方法，同時(shí)也不再將回風(fēng)溫度控制到一個(gè)目標(biāo)溫度點(diǎn)。新的方法綜合考慮多個(gè)相關(guān)溫度參數(shù)進(jìn)行溫區(qū)控制，主要內(nèi)容包括：
（1）空調(diào)采集回風(fēng)溫度、電池溫度和環(huán)境溫度，對(duì)三個(gè)溫度進(jìn)行多溫度融合計(jì)算，綜合確定一個(gè)計(jì)算溫度，并以此參與壓縮機(jī)運(yùn)行頻率計(jì)算。
（2）根據(jù)實(shí)際應(yīng)用電池的允許工作溫度范圍，并結(jié)合回風(fēng)溫度的變化趨勢(shì)，對(duì)電池箱溫度進(jìn)行動(dòng)態(tài)區(qū)間式控制，并根據(jù)區(qū)間計(jì)算壓縮機(jī)頻率。
（3）在確定了壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的基礎(chǔ)上，對(duì)空調(diào)通風(fēng)機(jī)和冷凝風(fēng)機(jī)進(jìn)行變風(fēng)量控制，使空調(diào)換熱系統(tǒng)始終運(yùn)行在最佳狀態(tài)。
控制流程如圖3所示。
圖3 控制流程圖Fig.3 Control program flow chart
2.2 確定計(jì)算溫度
在變頻空調(diào)采集得到回風(fēng)溫度、環(huán)境溫度和電池模組溫度后，以回風(fēng)溫度為基本量，環(huán)境溫度和電池溫度為調(diào)整量，按以下步驟確定計(jì)算溫度。
（1）根據(jù)環(huán)境溫度將回風(fēng)溫度Tre調(diào)整為一次計(jì)算溫度Tca1
變頻空調(diào)制冷運(yùn)行時(shí)，隨著環(huán)境溫度的升高，能效比呈下降趨勢(shì)?？煽刂颇繕?biāo)回風(fēng)溫度隨環(huán)境溫度正向變化，間接降低壓縮機(jī)運(yùn)行頻率，使變頻空調(diào)在不同工況時(shí)工作均有較高能效比，達(dá)到節(jié)能降耗的目的[9-10]。
根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]2.2.4、4.3 章節(jié)中環(huán)境溫度、設(shè)定溫度變化對(duì)空調(diào)器制冷量、能耗影響的研究，以及文獻(xiàn)[10]中室外環(huán)境溫度變化對(duì)空調(diào)功耗、能效比影響的試驗(yàn)研究分析，在電池箱變頻空調(diào)控制中將環(huán)境溫度引入計(jì)算過程，根據(jù)環(huán)境溫度把回風(fēng)溫度調(diào)整為一次計(jì)算溫度。實(shí)時(shí)采集環(huán)境溫度To，以空調(diào)額定工況中的環(huán)境溫度To0為基準(zhǔn)點(diǎn)，用To將回風(fēng)溫度Tre修正為一次計(jì)算溫度Tca1。經(jīng)過對(duì)所研空調(diào)具體的試驗(yàn)調(diào)試，形成計(jì)算公式如下：
其中，a為調(diào)整系數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)調(diào)試過程確定最優(yōu)數(shù)值，此處a=0.5；同時(shí)設(shè)置最大調(diào)整量限制-3 ℃≤ΔTo_adj≤3 ℃，ΔTo_adj=a×(To-To0)。
（2）根據(jù)電池溫度Tba調(diào)整一次計(jì)算溫度Tca1為二次計(jì)算溫度Tca2
根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]第2、3 章的研究等資料，電池溫度由芯體向表面呈遞減的溫度梯度，并且回風(fēng)溫度與電池表面溫度之間也存在滯后性。為及時(shí)響應(yīng)電池溫度的快速變化，消除電池溫度由芯體向表面?zhèn)鬟f、通風(fēng)循環(huán)溫度傳遞的時(shí)間延遲，提高變頻空調(diào)的響應(yīng)速度，將電池溫度引入變頻空調(diào)壓縮機(jī)頻率的計(jì)算中，當(dāng)電池溫度上升時(shí)即時(shí)調(diào)高壓縮機(jī)頻率，而不必等待回風(fēng)溫度上升。具體地，根據(jù)所用電池的推薦工作溫度范圍，設(shè)定一個(gè)電池溫度參與壓縮機(jī)頻率計(jì)算的閾值Tba_ca，根據(jù)電池溫度與閾值溫度的差值將一次計(jì)算溫度調(diào)整為二次計(jì)算溫度。當(dāng)電池溫度Tba≤Tba_ca時(shí)，Tca2=Tca1；當(dāng)電池溫度Tba＞Tba_ca時(shí)
其中，調(diào)整系數(shù)b根據(jù)所研電池箱電池的發(fā)熱特性和散熱空調(diào)的性能在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)階段確定，此處b=0.5。由電池溫度過高引起的計(jì)算溫度最大調(diào)整量不做限制，最終由壓縮機(jī)最大頻率Fmax限制。
2.3 基于溫區(qū)控制的壓縮機(jī)頻率計(jì)算
利用電池可工作于一定溫度區(qū)間的特點(diǎn)將箱內(nèi)溫度分區(qū)進(jìn)行控制，在滿足電池工作需求的同時(shí)減少空調(diào)制冷/制熱的工作時(shí)間，從而達(dá)到節(jié)能的效果。
以回風(fēng)溫度Tre(也可以以回風(fēng)溫度修正得到的計(jì)算溫度)為判斷條件，將溫度進(jìn)行分區(qū)如表1所示。
表1 溫度分區(qū)Table 1 Temperature zoning
其中，T1＞T2＞T3；T1小于電池的安全工作溫度。
全功率制冷區(qū)壓縮機(jī)以最大頻率Fmax運(yùn)行以提供最大輸出制冷量，對(duì)壓縮機(jī)頻率的計(jì)算主要應(yīng)用于變頻制冷區(qū)。按照上述分區(qū)控制，變頻空調(diào)將控制對(duì)象-回風(fēng)溫度控制在一定區(qū)間范圍內(nèi)。以制冷工況為例，變頻制冷區(qū)的溫度區(qū)間范圍下限為T2，溫度上限為T1。以前述常用公式Fca=Fra×|Tre-Tt|/p為基礎(chǔ)，將溫度區(qū)間參數(shù)引入變頻壓縮機(jī)頻率的計(jì)算，計(jì)算公式如下
式(3)中，ΔT3是針對(duì)變頻制冷區(qū)的溫度范圍[T2，T1]作出的修正，將修正溫度區(qū)間[T2，(T1-ΔT3)]作為壓縮機(jī)頻率的控制目標(biāo)和計(jì)算條件。這樣就在規(guī)定的溫度上限處形成了一定的溫度區(qū)間間隔，以防止由于溫度調(diào)節(jié)固有的滯后慣性使箱內(nèi)溫度超出T1范圍。當(dāng)因?yàn)槟承┰蛟斐呻姵叵鋬?nèi)的溫度過高，Tca2高于(T1-ΔT3)時(shí)，按照公式(3)計(jì)算，壓縮機(jī)會(huì)以高于額定制冷頻率Fra的頻率運(yùn)行，可提供超額定制冷量對(duì)電池箱進(jìn)行快速降溫。而對(duì)于溫度區(qū)間下限范圍，由于其相鄰區(qū)間是適合電池工作的通風(fēng)區(qū)，因此不必進(jìn)行修正。
為避免因溫度波動(dòng)以及測(cè)量誤差造成的壓縮機(jī)頻繁啟停，對(duì)壓縮機(jī)的啟動(dòng)運(yùn)行和停止做出限定：當(dāng)壓縮機(jī)當(dāng)前狀態(tài)為運(yùn)行時(shí)，以公式(3)計(jì)算并輸出控制壓縮機(jī)運(yùn)行；當(dāng)壓縮機(jī)當(dāng)前狀態(tài)為停止時(shí)，限定只有當(dāng)Tca2＞(T2+ΔT4)時(shí)，計(jì)算頻率才能輸出并控制壓縮機(jī)啟動(dòng)，否則保持停止。
2.4 溫度區(qū)間的動(dòng)態(tài)調(diào)整
在實(shí)際應(yīng)用中，由于電池充放電時(shí)間不確定(熱負(fù)荷不確定)，以及外界環(huán)境溫度的不可預(yù)知性，以固定的溫度分界點(diǎn)進(jìn)行分區(qū)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)回風(fēng)溫度控制超限的情況。如在極端高溫工況頻繁充放電時(shí)，以固定分區(qū)計(jì)算出的壓縮機(jī)頻率輸出的制冷量可能不足，導(dǎo)致回風(fēng)溫度逐漸升高，不利于電池工作。因此在表1基本分區(qū)的基礎(chǔ)上，將回風(fēng)溫度的變化趨勢(shì)引入分區(qū)控制，對(duì)各溫度分界點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)[11]。
以回風(fēng)溫度上升為例進(jìn)行說明：當(dāng)回風(fēng)溫度處于變頻制冷區(qū)時(shí)，監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)滾動(dòng)時(shí)間窗內(nèi)的回風(fēng)溫度上升斜率為k，k=(Tre_n-Tre_l)/(tn-tl)。當(dāng)k超過設(shè)定限值kt時(shí)，說明在當(dāng)前的運(yùn)行環(huán)境下(包括環(huán)境溫度和電池充放電情況)按基本分區(qū)進(jìn)行壓縮機(jī)頻率計(jì)算已不能滿足控溫需求。這時(shí)需要將分區(qū)向下動(dòng)態(tài)調(diào)整以增大壓縮機(jī)的計(jì)算頻率。分區(qū)溫度的調(diào)整計(jì)算方法如下：
其中，f(k)對(duì)k進(jìn)行歸一化處理，使其最大值等于1[如5 s上升1 ℃時(shí)，f(k)=1]。
調(diào)整后的變頻制冷區(qū)溫度范圍為[T2-ΔTadj，T1-ΔTadj]，壓縮機(jī)頻率計(jì)算公式調(diào)整為
通過把回風(fēng)溫度的變化趨勢(shì)引入到對(duì)溫區(qū)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)時(shí)調(diào)整壓縮機(jī)的頻率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)回風(fēng)溫度變壞趨勢(shì)的遏制。
2.5 具體計(jì)算
前述車載動(dòng)力電池箱變頻空調(diào)的基本溫度分區(qū)如表2所示。
表2 溫度分區(qū)Table 2 Temperature zoning
根據(jù)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)確定的額定制冷壓縮機(jī)頻率Fra=55 Hz，額定工況環(huán)境溫度To0=40 ℃，電池溫度閾值Tba_ca=35 ℃，計(jì)算系數(shù)a=0.5、b=0.5，T2=20 ℃，T1=30 ℃，ΔT3=2 ℃，ΔT4=3 ℃，Ts=3 ℃。幾種典型工況的計(jì)算如表3所示。
表3 典型工況計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of typical working conditions
工況1 中，因Tca2＜(T2+ΔT4)=23 ℃，如果當(dāng)前壓縮機(jī)正在運(yùn)行，其調(diào)頻至14 Hz繼續(xù)運(yùn)行，否則保持停止。工況2、3因?yàn)門ca2＞23 ℃，無論壓縮機(jī)當(dāng)前是停止或運(yùn)行狀態(tài)，壓縮機(jī)會(huì)分別調(diào)整至34 Hz、48 Hz 運(yùn)行。工況2、4 對(duì)比，較高的環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)較高的回風(fēng)溫度，計(jì)算出的壓縮機(jī)頻率相等。工況4、5對(duì)比，當(dāng)環(huán)境溫度、回風(fēng)溫度都一樣時(shí)，若電池溫度未超溫，壓縮機(jī)的頻率為34 Hz；而一旦電池溫度超溫，則不必等到回風(fēng)溫度上升，壓縮機(jī)頻率立即增大到48 Hz增大制冷量，以更快的速度散熱，降低電池峰值溫度。工況5、6 對(duì)比，當(dāng)考慮了回風(fēng)溫度上升速率時(shí)，則計(jì)算頻率由48 Hz進(jìn)一步提升到了55 Hz。
2.6 通風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)的變頻控制
為及時(shí)獲取電池箱內(nèi)的溫度，通風(fēng)機(jī)需始終保持運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，并主要根據(jù)回風(fēng)溫度進(jìn)行調(diào)速控制。制冷工況時(shí)，通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與回風(fēng)溫度成正比關(guān)系，回風(fēng)溫度高時(shí)提高轉(zhuǎn)速增大循環(huán)風(fēng)量，溫度較低時(shí)則降低轉(zhuǎn)速減小循環(huán)風(fēng)量。制熱工況主要用于預(yù)熱，同時(shí)還要兼顧電加熱的安全性，因此采用了固定風(fēng)速控制方式。
上述熱管理系統(tǒng)的通風(fēng)機(jī)以回風(fēng)溫度為主，結(jié)合電池溫度進(jìn)行控制。在回風(fēng)溫度為Tre0(30 ℃)時(shí)，控制通風(fēng)機(jī)為額定轉(zhuǎn)速n0(計(jì)為100%)；在回風(fēng)溫度為Tre1(20 ℃)時(shí)，控制通風(fēng)機(jī)為70%轉(zhuǎn)速；當(dāng)電池溫度超過Tba_ca=35 ℃時(shí)，則在計(jì)算基礎(chǔ)上增加10%；采用插值法計(jì)算中間數(shù)值。
但需要注意，在某些情況下單純提高風(fēng)速并不會(huì)持續(xù)提高散熱能力，也可能會(huì)引起電池單體間的溫差變大[1,12]。因此需要在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)調(diào)試過程中，結(jié)合壓縮機(jī)運(yùn)行頻率、電池箱內(nèi)通風(fēng)道溫度梯度情況確定通風(fēng)機(jī)的運(yùn)行頻率，以提供合適的風(fēng)速和送風(fēng)溫度[3,8,13-14]。
冷凝風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制分兩個(gè)階段：壓縮機(jī)啟動(dòng)2 分鐘之內(nèi)以環(huán)境溫度Tο為控制參量進(jìn)行分段控制；2分鐘后以冷凝器盤管溫度Top為控制參量，以額定工況制冷運(yùn)行外盤管溫度Top0和冷凝風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速n0為基準(zhǔn)點(diǎn)，整體呈正比線性關(guān)系，最高為n3=n0×110%；隨著冷凝器盤管溫度的下降，在Top1切換至單風(fēng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行，直至Top2以下時(shí)兩個(gè)冷凝風(fēng)機(jī)都停止運(yùn)行。
通風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)調(diào)速示意如圖4所示。
圖4 通風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)調(diào)速控制示意圖Fig.4 Schemic diagram of speed regulation control of fan and condensing fan
3 仿真與試驗(yàn)
采用Flotherm軟件對(duì)電池箱的散熱通風(fēng)循環(huán)進(jìn)行建模和熱仿真計(jì)算。以電池額定充放電工況為例，電池發(fā)熱量5.5 kW，通風(fēng)機(jī)固定為額定送風(fēng)量1300 m3/h，進(jìn)風(fēng)溫度為12 ℃。取高度方向上中間截面溫度場(chǎng)計(jì)算，模組最高表面溫度出現(xiàn)在距通風(fēng)機(jī)最近模組位置，約29 ℃，仿真結(jié)果見圖5。
圖5 幾何建模及熱仿真溫度場(chǎng)云圖Fig.5 Modeling and thermal simulation temperature field nephogram
在空調(diào)焓差實(shí)驗(yàn)室對(duì)熱管理系統(tǒng)變頻空調(diào)進(jìn)行了性能測(cè)試，最大制冷能力可達(dá)8 kW，額定制冷量(6.5 kW)時(shí)能效比為2.6，運(yùn)行全工況范圍內(nèi)最高能效比可達(dá)3.0，達(dá)到了設(shè)計(jì)性能指標(biāo)目標(biāo)。
電池箱組裝完成并進(jìn)行散熱系統(tǒng)性能調(diào)試后，在45 ℃環(huán)境溫度下進(jìn)行了額定載荷充放電試驗(yàn)，驗(yàn)證熱管理系統(tǒng)的冷卻散熱能力，并測(cè)試空調(diào)的功耗情況。在電池箱內(nèi)每?jī)蓚€(gè)電池模組之間的風(fēng)道上、中、下三個(gè)位置布置熱電偶(圖6)，同時(shí)監(jiān)控各電池模組的內(nèi)部溫度。試驗(yàn)中，送風(fēng)溫度處于10～13 ℃之間，箱內(nèi)空氣最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在靠近通風(fēng)機(jī)的底部測(cè)點(diǎn)，為28.8 ℃；與仿真對(duì)應(yīng)的中間截面溫度場(chǎng)最高測(cè)點(diǎn)溫度為28.6 ℃。由于溫度測(cè)點(diǎn)并非緊貼模組表面，從熱量的傳遞路徑可推斷測(cè)點(diǎn)溫度比模組表面溫度應(yīng)略低，因此可以認(rèn)為試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本吻合。試驗(yàn)中還監(jiān)測(cè)到電池模組內(nèi)部溫度最高為36.1 ℃，體現(xiàn)出由內(nèi)部到表面的溫度梯度及溫度傳遞的滯后性。
圖6 溫度測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.6 Schemic diagram of layout of temperature measuring points
本工作還進(jìn)行了空調(diào)壓縮機(jī)頻率計(jì)算方式對(duì)比試驗(yàn)：當(dāng)控制策略中不考慮電池溫度的上升，僅用一次計(jì)算溫度Tca1計(jì)算壓縮機(jī)頻率時(shí)，試驗(yàn)中電池模組溫度最高測(cè)到了37.8 ℃，比利用本文所述方法時(shí)高1.7 ℃。
針對(duì)熱管理系統(tǒng)空調(diào)的運(yùn)行能耗，通過以下方式進(jìn)行對(duì)比：不考慮環(huán)境溫度變化對(duì)控制的影響，只用回風(fēng)溫度和電池溫度計(jì)算壓縮機(jī)頻率。試驗(yàn)方法：在2 h內(nèi)，環(huán)境溫度從45 ℃→25 ℃→45 ℃變化兩個(gè)周期，期間循環(huán)進(jìn)行電池額定載荷充放電過程；用電能表統(tǒng)計(jì)耗電量。試驗(yàn)結(jié)果：采用對(duì)比控制方式時(shí)耗電3.76 kWh，而采用本文論述的方法時(shí)耗電3.61 kWh，降低能耗約4%。
4 結(jié) 論
本文介紹了基于變頻空調(diào)的新能源有軌電車動(dòng)力電池?zé)峁芾砜刂蒲芯?，提出了一種多溫融合計(jì)算空調(diào)壓縮機(jī)頻率，配合通風(fēng)機(jī)和冷凝風(fēng)機(jī)的調(diào)速控制，將電池箱溫度控制于動(dòng)態(tài)溫度區(qū)間內(nèi)的方法。
（1）通過將環(huán)境溫度引入計(jì)算提高空調(diào)的運(yùn)行效率，同時(shí)采取溫度區(qū)間控制法降低空調(diào)制冷/制熱運(yùn)行時(shí)間，可有效降低空調(diào)的運(yùn)行能耗。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，與不考慮環(huán)境溫度因素方法相比可降低約4%的能耗。
（2）通過將電池溫度引入計(jì)算過程，并以回風(fēng)溫度的變化趨勢(shì)動(dòng)態(tài)調(diào)整控溫區(qū)間，提高了熱管理系統(tǒng)空調(diào)在熱負(fù)荷增加時(shí)的響應(yīng)速度。對(duì)比試驗(yàn)中降低電池最高溫度近2 ℃，有效降低了電池?zé)崾Э氐奈ｋU(xiǎn)、優(yōu)化電池工況。
所述控制方法兼顧系統(tǒng)快速響應(yīng)與降低能耗，計(jì)算過程簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，在有軌電車動(dòng)力電池?zé)峁芾碇腥〉昧溯^好的控制效果。研制的產(chǎn)品已在所述新能源有軌電車上裝車并完成了整車調(diào)試及試運(yùn)行，熱管理系統(tǒng)滿足了動(dòng)力電池箱的實(shí)際運(yùn)用需求。
