動(dòng)力電池組風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)研究

趙德華，張中卿，王博，胡義凱，靳曲

（華晨汽車工程研究院電器工程室，遼寧 沈陽 110141）

前言

新能源汽車作為國家大力推廣的一項(xiàng)節(jié)能減排措施，目前已經(jīng)在全國逐漸普及起來，2016年新能源汽車銷量已達(dá)到64.8萬輛，而動(dòng)力電池作為核心部件對整個(gè)電動(dòng)汽車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的性能和耐久[1-2]。而電池的使用溫度要求與整車的實(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40℃的時(shí)間越來越多，加之車輛行駛工況復(fù)雜，更容易導(dǎo)致動(dòng)力電池電芯溫度過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對電池組的安全性和可靠性有較大影響。

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

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

純電動(dòng)汽車動(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?yán)m(xù)航里程以及零部件體系等因素，國內(nèi)大部分300Km續(xù)航里程以下的純電動(dòng)車?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)水冷電池組國內(nèi)基本上處于預(yù)研階段在未來1-3年內(nèi)會有車型陸續(xù)量產(chǎn)。另外熱管技術(shù)等新技術(shù)由于方案可行性差，整體成本過高，量產(chǎn)車型短期內(nèi)很難普及。

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

純電動(dòng)車動(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個(gè)點(diǎn)溫度，通過電池管理系統(tǒng)（BMS）判斷后將信號反饋給整車空調(diào)系統(tǒng)控制器來確定各空調(diào)系統(tǒng)部件的運(yùn)行模式和工作狀態(tài)。通過持續(xù)監(jiān)測電池組的溫度狀態(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)汽車動(dòng)力電池組風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)

2.1 純電動(dòng)汽車動(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NEDC工況下測試出的數(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化計(jì)算，簡化計(jì)算后根據(jù)簡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

過熱度：由膨脹閥給出

空氣入口溫度：40±1°C

相對濕度：50%±5

鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量最大

蒸發(fā)器制冷能力根據(jù)工況臺架測試結(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)

通過測試蒸發(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)量測試臺上風(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)車速以及電池組的電芯溫差來控制風(fēng)扇PMW控制信號的占空比，來實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇控制。

風(fēng)扇根據(jù)電池最高溫度值來確認(rèn)開啟風(fēng)扇的溫度

風(fēng)扇開啟后PMW占空比=KP+ 20%*Delta T

當(dāng)車速小于3km/h時(shí)，KP為0；

當(dāng)車速大于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)溫度測試點(diǎn)簡化為一個(gè)平均溫度測試點(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)測試

4.1 測試條件

4.1.1 環(huán)境溫度：40±2℃

4.1.2 所需測試設(shè)備

電池模擬器、低壓測試電源、高壓測試電源,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)模擬整車循環(huán)測試的功率譜開始試驗(yàn)，模擬整車循環(huán)測試的功率譜共包含 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循環(huán)測試功率譜進(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

我們通過某純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)的仿真和實(shí)驗(yàn)研究，掌握了該車型在高溫環(huán)境中通過風(fēng)冷的空調(diào)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)模組和電芯始終維持在一個(gè)相對穩(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型在純電動(dòng)汽車中均有典型的代表性，會對這類車型在設(shè)計(jì)方案提供大量有益的方案借鑒。

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