張景濤， 李明濤， 張禮憲, 周雨輝， 魏 濤

(中通客車控股股份有限公司， 山東 聊城 252000)

目前，動力電池熱管理系統(tǒng)按照傳熱介質(zhì)可以分為空氣冷卻技術(shù)(ACS)、相變材料冷卻系統(tǒng)(PCM-BTMS)和液體冷卻系統(tǒng)(LCS)[1]?？諝饫鋮s成本低廉，工藝簡單，便于維修和維護，實際產(chǎn)品大多采用此種冷卻方式[2-3]。相變材料冷卻優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、性能安全、不需要額外能量，但系統(tǒng)體積及能量密度較低[4-5]。與空氣冷卻技術(shù)相比，液體冷卻技術(shù)具有較好的散熱效果，基本可以在全環(huán)境工況下使用，但是整個系統(tǒng)比較復雜，成本較高，難以維護[6-9]。本文針對某電動客車夏季頻發(fā)的高溫問題,進行動力電池冷卻系統(tǒng)的改進設(shè)計，并對該改進設(shè)計的液冷系統(tǒng)進行仿真分析和測試驗證。

1 某電動客車動力電池液冷系統(tǒng)的改進

某電動客車原先采用的是自然冷卻方式，常溫(25 ℃)工作時電池系統(tǒng)一個循環(huán)(1C 放電/1C 充電)溫升在10～15 ℃，電芯之間的溫差為3～5 ℃，電池系統(tǒng)可以保持良好的工作狀態(tài)。低溫環(huán)境下，電池自帶的加熱系統(tǒng)可以保證電池正常工作。但南方高溫環(huán)境下的冷卻問題就非常棘手，如環(huán)境溫度在 40 ℃，電池系統(tǒng)超過1個循環(huán)(1C 放電/1C 充電)，電池溫度就要達到55 ℃以上。由于電池在55 ℃的溫度工作時的循環(huán)壽命是25 ℃循環(huán)壽命的一半左右，而且電池超過60 ℃電池內(nèi)部副反應(yīng)增多,也會嚴重影響電池的性能及壽命，所以解決夏季高溫問題是電池熱管理的難點和重點。

為解決上述問題，本文設(shè)計了一套液冷系統(tǒng)以滿足該款電動客車在南方高溫地區(qū)大負荷運營的需求。該動力電池液冷系統(tǒng)主要是內(nèi)部通過金屬液冷板和導熱裝置對電池進行直接熱交換，外部通過一整套車載空調(diào)設(shè)備來控制管道和金屬液冷板內(nèi)的液體溫度，車載空調(diào)設(shè)備通過CAN通訊與電池的BMS進行實時通訊以便對空調(diào)系統(tǒng)進行在線控制。圖1為動力電池液冷系統(tǒng)的原理圖，從圖中可以看出動力電池液冷系統(tǒng)的具體構(gòu)成。

圖1 動力電池液冷系統(tǒng)原理圖

動力電池液冷系統(tǒng)內(nèi)部是帶有管道的金屬鋁板，液冷板和電芯之間可以填充導熱膠等材料(也可以加入熱管增加熱量的傳導速度，但成本較高)以增加傳導效率，液冷板內(nèi)的流道設(shè)計一般采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，以便減小進出口的溫差。液冷系統(tǒng)的外部結(jié)構(gòu)通常是由壓縮機、冷凝器、板式散熱器、膨脹閥、控制器、水箱等構(gòu)成，結(jié)果跟常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)類似。外部液冷系統(tǒng)的控制器通過CAN總線與BMS及整車控制器通訊，根據(jù)實際需求實時調(diào)控液體的流速和溫度以便達到最優(yōu)的溫度控制效果。液冷系統(tǒng)中的液體一般采用防凍液(50%水+50%乙二醇)，在系統(tǒng)中加入PTC加熱裝置后可以在冬季實現(xiàn)低溫加熱的功能，這樣就可以滿足液冷系統(tǒng)全溫度的適應(yīng)性。

2 液冷系統(tǒng)的仿真分析及驗證

2.1 仿真分析

為了考察改進后的動力電池冷卻系統(tǒng)的效果是否能滿足要求，首先用有限元分析軟件ANSYS對該液冷散熱系統(tǒng)進行熱仿真分析。根據(jù)該電動客車的實際運營需求，設(shè)定環(huán)境溫度為40 ℃(恒定)，按照表1的充放電矩陣表，SOC充電至80%后放電至15%，電芯的溫度≥35 ℃時開啟水冷降溫，電芯的溫度≤28 ℃時關(guān)閉水冷系統(tǒng), 設(shè)定進水口溫度為25 ℃、流速為10 L/min的邊界條件進行仿真分析。

表1 充放電矩陣表

注：C代表充電倍率，1C代表一個小時充滿電，0.1C代表1/0.1=10小時充滿

從仿真數(shù)據(jù)可以看出，當設(shè)定進水口的溫度為25 ℃時，出水口的溫度為30.2 ℃，液冷金屬板的溫度在27～30.5 ℃，液冷板的溫差在4 ℃以內(nèi)；電芯的最高溫度為39.8 ℃，整體電芯的溫差控制在5 ℃左右。從溫度云圖得知并聯(lián)中的3塊冷板流量基本一致，分水器及管路可滿足設(shè)計需求，仿真結(jié)果說明液冷系統(tǒng)對電池系統(tǒng)的冷卻效果十分明顯。

2.2 測試驗證

對改進后的動力電池液冷系統(tǒng)進行實際測試，模擬該電動客車的實際運營需求，整個動力電池系統(tǒng)置于40 ℃的環(huán)境艙內(nèi)8 h，保證電池的實際溫度與環(huán)境溫度相同，試驗按照仿真的邊界條件進行測試。測試持續(xù)4個循環(huán)，BMS自動記錄動力電池在測試過程中的電壓、電流、溫度及SOC等電池的狀態(tài)信息。

從圖2可以看出，在電池的充放電過程中(SOC在85%～15%之間),液冷系統(tǒng)對電池持續(xù)降溫，電池的最低溫度在26 ℃左右，與進水口溫度非常接近,說明電池系統(tǒng)的導熱良好；充電過程中由于充電電流較大，導致電池溫度持續(xù)升高，但電池的最高溫度仍然在42 ℃以下，所以電池可以很好地在合適的溫度區(qū)間內(nèi)工作。測試過程中，充電最高溫度為42 ℃，充電溫升 12 ℃，放電過程中進行降溫，溫度降至26 ℃，溫差控制在5 ℃，液冷系統(tǒng)的作用非常明顯，液冷系統(tǒng)的有效性也得到充分的驗證。

圖2 電池溫度曲線

同時從表2中測試結(jié)果和仿真結(jié)果的對比可以看出，測試的溫升比仿真的溫升整體偏高2～3 ℃，原因主要是測量誤差、實際環(huán)境誤差、計算誤差等。但仿真結(jié)果和實測結(jié)果的變化趨勢相同，可以認為仿真結(jié)果基本符合實際情況，也就是說仿真結(jié)果和測試結(jié)果同時證明了液冷系統(tǒng)對動力電池系統(tǒng)溫度控制的有效性。

表2 仿真結(jié)果與測試結(jié)果對比 ℃

3 結(jié)束語

經(jīng)過系統(tǒng)仿真分析和實物測試驗證，證明某電動客車的新型動力電池液冷系統(tǒng)在動力電池的熱管理中有非常顯著的作用，在實際應(yīng)用中可以使用液冷系統(tǒng)對動力電池進行全環(huán)境的溫度控制，以保證電池在最優(yōu)的溫度下工作，進而大幅提升動力電池系統(tǒng)的性能。

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