基于氢动力系统的动力电池热管理系统设计研究

李忠 李端凯 许东阳

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东省青岛市 266000 2.株洲中车时代电气股份有限公司 湖南省株洲市 412001）

目前，在轨道交通领域，动力电池主要有两种应用场景，一是作为主动力源单独或者配合其他新能源设备组成混合动力系统为列车提供牵引动力；二是作为辅助动力源为列车提供应急牵引。但面向更复杂工况、更高性能、更安全可靠的列车需求，既有储能系统电压平台较低、轻量化程度略显不足，需要进一步提升其功率密度、能量密度、散热能力，不断加强安全设计。同时，为适应既有成熟轨道交通车辆供电体系，动力电池额定输出电压需达到DC 1000V以上，才能满足牵引系统高效率工作需求。而热管理系统是动力电池提升电压平台、功率密度及能量密度的重要保障，保证在大倍率充放电过程中动力电池的应用安全。

氢燃料电池+动力电池组成的混合动力系统，动力电池需频繁大功率充放电，因此，需要着重考虑以下方面：

（1）根据复杂的运行工况确定动力电池系统的平均功率或者发热功率；

（2）进行热平衡分析；

（3）匹配发热功率的制冷系统，并验证系统的温升。

解决大功率动力电池的散热问题是混合动力系统的稳定运行的前提条件，对动力电池热平衡及热管理系统的分析与研究对轨道交通车辆的储能系统有重要意义。

1 混合动力系统介绍

氢燃料电池+动力电池混合动力系统电气拓扑图如图1 所示，混合动力系统由氢燃料电池和动力电池、DC/DC 构成，相互配合为列车供电。

车辆的典型运行工况如图2 所示。

（1）车辆启动加速阶段。仅依靠氢燃料电池输出不能满足整车需求功率，需动力电池同时放电，利用动力电池大倍率放电特性，补偿牵引峰值功率，避免氢燃料电池载荷大幅度波动，使氢燃料电池工况相对稳定，减缓内部催化剂的衰减速度，有效延长氢燃料电池的使用寿命。

（2）车辆匀速行驶阶段。整车功耗较低，氢燃料电池在最佳工作区过剩功率对动力电池进行充电，以此优化氢燃料电池工作条件，提高系统的效率；

（3）车辆制动减速阶段。氢燃料电池降低至怠速功率，动力电池吸收再生制动能量，提升整车能量利用率。

图1：整车电气拓扑

图2：整车运行过程中能量需求

图3：主电路电气拓扑图

动力电池类型选用安全性最高的钛酸锂电池，主电路电气拓扑如图3 所示，动力电池系统主电路拓扑包括电池模组、手动维修开关（MSD）、熔断器（FU1FU2）、总正接触器(KM1)、总负接触器(KM2)、总电压传感器(TV)、总电流传感器(TA)等电气件组成。动力电池系统设置总正/负接触器与熔断器实现对动力电池系统的主被动保护，并配置电流传感器与电压传感器对系统运行状态进行实时检测。通过对动力电池系统的散热功率需求进行分析及验证，配置水冷系统对动力电池系统的温度进调控，保证系统的安全与稳定运行，使动力电池系统可满足整车供电功率及电量的需求。

动力电池额定工作电压为1142V，电压范围972V~1312.2V，系统容量50Ah，总电量为57kWh，最大充放电电流可达到350A，最大充放电功率可达到399kW，系统冷却采用水冷方案设计制冷量可达5kW，系统防护等级可满足IP65，满足全工况及恶劣环境下的使用要求。

图4：水冷模组

图5：水冷系统散热原理

图6：传热途径

2 动力电池热平衡分析

锂离子电池的温度过高会造成锂电池的循环寿命下降，温度上升得不到有效控制还有可能引起电池的热失控。在大倍率充放电工况下，传统的自然冷却和强制风冷往往不能满足散热要求，而散热效率更高的液冷是实现的途径。该系统选用的25Ah 水冷模组满足系统高峰值功率，配合水冷系统能够达到更强的散热能力，如图4所示。

图7：散热能力不足时温度变化

图8：电池系统发热分析

图9：制冷过程中部件温度变化

图10：整车工况分析

如何选择制冷系统方案除了考虑系统的发热量和导热性能，还需要考虑环境条件的要求，首先在夏季为了满足电芯的使用工作温度范围比外界环境温度更低，所以需要配置带压缩机的制冷系统，它可以将冷媒控制低于外界空气温度；另外为了使电池箱内部达到较高的防护等级，减少外部空气中的水分和污垢的不利影响，采用的水冷机组利用热交换装置将外部环境空气和电池箱内部进行隔离开，如图5 所示。

图11：电池系统能量损失分析

图12：系统能量效率测试记录数据

图13：仿真热模型及流道模型

锂电池电芯在运行过程中的产热是如何散发到外面的，需要经过多个导热介质才能实现，如图6 所示。而导热介质的组合要具备导热率高的特点，还需要满足高绝缘耐压的条件，以保证高压动力电池不发生绝缘失效、击穿等现象。

如果系统配置冷却系统制冷量小于动力电池发热量，那么在系统运行过程中，将无法达到热平衡，导致动力电池温度持续上升，工作过程中温度上升过程系统散热与温度变化情况如图7 所示。

动力电池配置的制冷系统满足散热需求，以此对动力电池工作过程中，电池发热、冷却系统工作及散热状态分三个阶段进行分析（整个过程系统各部件温度变化情况如图9 所示）。

第一阶段：动力电池系统启动运行，水冷机组未达到阀值还未启动，在该阶段动力电池启动后系统发热量只有小部分通过热传导与辐射排出系统。大部分热量留在系统内部，导致电池模组温度及制冷液温度逐步升高（如图9 所示）。

第二阶段：动力电池持续工作，冷却系统达到启动条件并开始工作。在该阶段冷却液在水冷系统开始循环后，温度逐步降低，因此动力电池与冷却液温差逐步增加，从而电池系统有更多的热量通过水冷系统散发到周围空气中。

第三阶段：动力电池及水冷系统持续工作，动力电池温度逐步趋于稳定。在该阶段动力电池与制冷液温差逐步稳定，单位时间内系统散热到空气中的热量与动力电池发热量达到平衡，从而将动力电池温度控制在最佳工作温度区间内（如图8 所示）。

3 动力电池热管理系统设计

3.1 车辆工况需求分析

动力电池系统需配合氢燃料电池功率输出，补充列车功率需求不足的部分，最终满足牵引系统的功率要求。热管理系统将电池控制在适宜的工作温度范围内，同时BMS 将电池控制合理的工作SOC 区间内可有利于延长电池的使用寿命。

电池充电控制：BMS 根据电池实时的电荷状态将“允许充电电流值”发至整车能量管理控制器，能量管理控制器控制车载DC/DC 按照“允许充电电流值”输出电流恒流对电池进行充电。

仿真分析：短时7C 充放电、模拟线路及负载进行牵引、制动工况分析，结果如图10 所示。

由仿真曲线可知，电池SOC 工作区间约为45-80%在合理范围内，电池工作电压范围在1040V-1240V 之间。从热等效原理分析，利用均方根来模拟全过程的电流有效值约为3C。

3.2 动力电池热损耗及制冷量需求分析

根据热力学第二定律，动力电池系统和所有能量转化装置一样，电能转化为化学能与化学能转化为电能的过程中必然会发生部分能量损失，此部分损失的能量将直接反映为系统产生的热量，动力电池系统通过电能与热能的形式与外界进行能量交换。将动力电池系统作为一个开口能量系统进行分析，进入系统的为充电过程中电能，离开系统的为放电过程中释放的电能及系统的发热量。

如图11 所示，在该过程中，动力电池系统充电过程充电量为Q1，放电过程放电量为Q2，动力电池系统充放电过程中电池充电和放电总电量Q1=Q2，充电过程中系统充电能量E1=∫UIt1，放电过程系统放电总能量E2=∫UIt2，系统能量损耗E损耗=E2-E1，由此可知系统的发热功率P损耗=E损耗/（t1+t2）。该功率决定了动力电池的制冷系统的配置需求。需要满足P制冷≥P损耗才能把动力电池产热完全排出。

对动力电池系统进行3C 循环充放电试验，在测试时间内，取动力电池总充电能量E1，总放电能量E2，据此计算动力电池系统能量效率η=（E2/E1）*100%=95.2%（系统测试数据如图12 所示）。

该动力电池系统电量为57kwh，按3C 工况进行分析，系统制冷功率需求为：(57kw*3*(1-95.2%))/2=4.1kw。因此，动力电池系统需配置制冷系统的额定功率为5kw，才能满足系统制冷功率。

4 试验验证

4.1 热仿真及温升测试验证

电池柜三维模型建立热仿真等效热模型，包括电池模组、导热硅胶垫、水冷板、流道等，如图13 所示。

为了验证热管理水冷系统的散热效果，对动力电池系统进行温升试验，试验工况为3C 充放电循环，电池初始温度为20℃，按照3C 对动力电池系统进行循环充放电，制冷系统启动工作，最终电池温度有效控制在35℃，制冷系统出水口温度为15℃，电池组温升为20K。电池系统电流及温度变化曲线如图14 所示。

4.2 混合动力系统验证

为了进一步验证动力电池系统配合氢燃料电池工作的效果，采用模拟负载的方式，对动力电池和氢燃料电池的启动运行及稳态运行工况进行地面联调测试，模拟整车负载350kW，如图15 所示。氢燃料电池启动阶段，动力电池发挥响应速度快的优势，迅速提升至300kW 输出，作为主要功率源为负载供电。随着氢燃料电池功率逐步提高，动力电池逐步降低输出功率，氢燃料电池达到稳态运行阶段满功率330kW 输出后，此时氢燃料电池作为主要功率源为负载提供电能，动力电池转为辅助动力源，以小功率20kW 输出。经验证，动力电池系统能很好的配合氢燃料电池工作，并满足车辆运行时的功率需求，其中，动力电池热管理系统起到了关键保障作用。

图14：电池系统温升测试

图15：地面联调测试氢燃料电池和动力电池状态转换

5 结论

本文针对氢燃料混合动力轨道交通车辆的应用场景，进行了动力电池热平衡研究，并通过分析整车需求工况及动力电池散热需求，设计了一套热管理水冷系统，以满足动力电池高电压平台，高功率充放电，可长时间稳定运行的严苛需求。通过热仿真分析及热管理温升试验表明，开发的热管理系统能很好的控制动力电池温升（≤25K），关键性能指标领先国内外同行产品，为氢燃料电池+动力电池混动系统稳定运行提供保障。