【摘" 要】根據(jù)鋰電池產(chǎn)熱原理，研究當(dāng)前電動客車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制策略，針對電池充電時電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)存在能耗高、效率低的問題，對結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行優(yōu)化方案設(shè)計和試驗測試，在電池最佳工作溫度區(qū)間內(nèi)降低系統(tǒng)充電能耗。

【關(guān)鍵詞】電池?zé)峁芾硐到y(tǒng);能耗;結(jié)構(gòu);控制策略

中圖分類號：U463.633" " 文獻(xiàn)標(biāo)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(bǔ)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(jīng)濟(jì)性是整車能效水平的表現(xiàn)，越來越受到行業(yè)的重點關(guān)注。電池是電動客車唯一動力源，其性能、續(xù)駛里程和安全性與電池溫度有關(guān)。因此，根據(jù)鋰電池的最佳工作溫度區(qū)間25～40℃，研究電動客車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)技術(shù)和降低其能耗具有重要意義。

1" 鋰電池的產(chǎn)熱原理

在對鋰電池進(jìn)行充放電時，鋰離子不停地在正負(fù)極穿梭，發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，伴隨著熱量的產(chǎn)生。熱量QT主要分4個方面：氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的反應(yīng)熱Qr、電解液產(chǎn)生的副反應(yīng)熱Qs、電池內(nèi)阻產(chǎn)生的焦耳熱QJ、極化反應(yīng)熱QP[1]。即：

式中：n——電池單體的數(shù)量;m——電極的質(zhì)量，g;M——電池的摩爾質(zhì)量，g/mol;Q——化學(xué)反應(yīng)中的反應(yīng)熱，J/mol;I——電池充放電時的電流，A;F——法拉第常數(shù);RP——電池的極化內(nèi)阻，Ω;RJ——電池的歐姆內(nèi)阻，Ω。

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

2" 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略

2.1" 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

因為電動客車動力電池目前采取內(nèi)置加熱膜加熱，所以電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要功能是采用液體對電池冷卻，液冷熱管理系統(tǒng)主要包括冷凝器、壓縮機(jī)、水泵、熱交換器部件。冷卻液流經(jīng)熱交換器與低溫制冷劑進(jìn)行熱交換，然后利用熱傳導(dǎo)原理，低溫冷卻液經(jīng)過電池系統(tǒng)內(nèi)部冷卻流道與電芯熱交換后，將電池產(chǎn)生的熱量帶出電池系統(tǒng)[2]。按結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)可分為獨立式和空調(diào)集成式，二者主要差別在于空調(diào)集成式因集成設(shè)計，壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)和冷凝器等部件和空調(diào)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(jù)各電池單體溫度和檢測到的電池箱水冷板進(jìn)水口水溫，發(fā)送制冷、關(guān)機(jī)和自循環(huán)3種指令。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)執(zhí)行BMS指令，實現(xiàn)BMS對電池溫度的控制，保證電池在最佳工作溫度區(qū)間工作。制冷模式下壓縮機(jī)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(huán)模式下壓縮機(jī)停機(jī)，僅水泵工作，保證冷卻液流動;關(guān)機(jī)模式下壓縮機(jī)和水泵都停機(jī)[4]。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)3個工作模式中，制冷模式能耗是最高的，且壓縮機(jī)控制在其中扮演著極為重要的角色，對電池系統(tǒng)的溫控起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。對于壓縮機(jī)的控制實際上是對壓縮機(jī)內(nèi)部電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，制冷劑在進(jìn)入壓縮機(jī)后，內(nèi)部電機(jī)啟動，同時帶動活塞，降低容腔壓縮制冷劑蒸汽，根據(jù)出水溫度與目標(biāo)溫度之間的差值ΔT，按表1在壓縮機(jī)初始轉(zhuǎn)速COM基礎(chǔ)上變頻控制壓縮機(jī)[5]。通過壓力的改變，使壓縮機(jī)產(chǎn)生制冷量平衡電池系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱負(fù)荷，達(dá)到降溫的目標(biāo)，直至ΔT≤-3℃時停止工作。

2.3" 能耗分析

當(dāng)前系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式在自循環(huán)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(jīng)熱交換器與低溫制冷劑進(jìn)行熱交換，熱交換效率低。尤其環(huán)境溫度不高，大電流充電時，自循環(huán)模式下由于冷卻液經(jīng)熱交換后溫度逐漸升高，自動切換到制冷模式，自循環(huán)模式和制冷模式交替工作，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗偏高[6]。

當(dāng)前系統(tǒng)控制策略在制冷模式下，當(dāng)出水口水溫達(dá)到目標(biāo)溫度時，對壓縮機(jī)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(chǎn)生的熱量并沒有減少，特別在夏天高溫環(huán)境下電池大電流充電過程中，由于ΔT長時間降不到-3℃，系統(tǒng)長時間或一直工作在制冷模式下，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗偏高。

3" 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1" 優(yōu)化方案

針對環(huán)境溫度不高時系統(tǒng)自循環(huán)模式下，熱交換效率低而導(dǎo)致能耗高的問題，參考驅(qū)動電機(jī)ATS冷卻系統(tǒng)設(shè)計思路，在系統(tǒng)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(fēng)扇，則電池冷卻系統(tǒng)形成兩個支路：水冷散熱器支路與制冷系統(tǒng)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(tǒng)支路，制冷源仍由壓縮機(jī)的制冷劑提供，自循環(huán)模式下，在環(huán)境溫度低于或等于目標(biāo)溫度時，冷卻液通過熱交換給電池降溫，同時低溫空氣經(jīng)冷凝風(fēng)扇流通空氣散熱器熱交換后給冷卻液降溫，提高系統(tǒng)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(tǒng)的能耗。其中出水口目標(biāo)溫度為10℃，環(huán)境倉溫度分別設(shè)定為5℃、10℃。結(jié)構(gòu)能耗優(yōu)化方案試驗結(jié)果見表2。

從表2可知，在10℃、5℃環(huán)境溫度下充電時，系統(tǒng)能耗分別降低了12.3%、29.8%。

4" 控制策略優(yōu)化

4.1" 優(yōu)化方案

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

4.2" 驗證

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

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

從表3可知，策略優(yōu)化后，在32℃環(huán)境溫度下充電時，系統(tǒng)能耗降低了29.4%，且電池溫度在最佳工作溫度區(qū)間內(nèi)。

5" 結(jié)束語

電動客車動力電池冷卻系統(tǒng)關(guān)系到車輛的安全性和續(xù)航里程，本文對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)和策略的能耗優(yōu)化方案進(jìn)行理論分析和試驗驗證，在電池最佳工作溫度區(qū)間內(nèi)降低了系統(tǒng)充電能耗。

參考文獻(xiàn)：

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