电动客车电池热管理系统设计

劳中建，胡锦炉，钟东文，许海峰，陈 程

（广州通达汽车电气股份有限公司，广州 510700）

0 引言

电动汽车是国家重要战略新兴产业［1］，纯电动公共交通车辆是电动汽车领域优先发展板块，可有效解决城市环保问题，也是实现碳达峰、碳中和目标的重要支持。纯电动公交车使用的动力电池，对与温度相关的电池安全性、性能稳定性、电池寿命等要求越来越高，因此，提供温度控制功能的电池热管理系统尤为重要。电池热管理系统主要作用为管理电池温度，无论是在低温还是在高温环境下，都必须使电池始终处在适宜的温度范围内工作［2］。电动客车使用的动力电池现在均为锂电池，但是由于锂电池的技术限制，温度过低会影响锂电池充放电和续航能力，温度过高会导致电池单体衰减不平衡使寿命变短。研究表明，随着温度的升高，电池电压下降速率增大，电池内部化学反应越来越活泼，自放电越来越大［3］。为提高纯电动公交车续航里程和电池寿命，采用热管理系统控制电池温度处于最佳范围内，不仅有利于提高纯电动公交车的续航里程，还有利于提高动力电池的使用寿命。

电池热管理系统具备散热及加热两种温度调节方式。动力电池散热目前主要可分为空冷散热、相变材料散热以及液冷散热［4］。其中空冷散热又分为强制风冷散热系统和自然对流散热系统，液冷散热又分为水冷系统和直冷系统。空冷散热方式结构简单［5］、成本低，但冷却速度较慢、散热效率不高，很难保证电池均温性，仅适用于能量密度比较小的动力电池散热。相变材料通过恒温可快速吸收潜热，在一定工况范围内可起到调温作用，但当电池发热功率太大时，仍需通过其他散热方式把热传递到外面，并且在车载环境下，振动可能会导致材料分布不均，影响电池均温性［6］。液体冷却换热效率高、散热功率大、冷却效果快、电池温度分布相对较均匀、结构相对简单。其中直冷系统由于采用单独的制冷机组及制冷剂直接冷却，虽然冷却速度最快，但由于结构较复杂，既增加整车重量，又挤占整车空间，也提高了整车制造成本。水冷系统不但冷却效果显著，结构相对简单，成本也较低，便于采用智能控制技术，使电池的温度控制在预期范围内，而且水冷系统由于水溶液热容较大，温度变化相对平缓，有利于控制电池温度，减小波动，提高电池温度均匀性。动力电池在低温情况下使用会影响车辆里程或产生析锂现象，造成电池损坏，所以在低温情况下需要给电池预热。电池加热方式有电池自加热和环境加热，电池自加热通过在电池正、负极上施加交流电对电池进行加热［7］；环境加热主要有风暖加热及液体加热。

本文设计的电池热管理系统采用液体散热及加热方式，根据实时采集的进水温度，自动切换冷却、加热回路，智能调整冷却及加热功率，实现精准控制电池的温度，使电池始终工作于适宜温度内，可有效降低能耗、提高电池工作稳定性及延长寿命［8］。

1 电池热管理系统设计

本系统主要由热管理控制模块、显示模块、水循环模块及制冷模块组成，系统原理如图1 所示。

图1 系统总原理

1.1 水循环模块

水循环模块是电池包直接冷却及加热模块，通过管道把冷板、加热器、板式换热器及电子水泵连接起来，采用直流无刷电子水泵强制冷却液进行热循环，在制冷时通过冷板把电芯热量带走，在加热时可启动加热器，通过冷板给电芯进行加热。冷却液采用水和乙二醇混合溶液，具备热容大且工作温度范围较广的优点。直流无刷电子水泵采用PWM 控制方式，可实现无级调速，提高系统可控性。加热器采用PTC 加热器，结构相对简单，加热速度快，并且在极低温下也能正常启动。

1.2 制冷模块

制冷模块是一套空调系统，通过板式换热器与水循环模块进行热交换。因为电池工作温度要求比较严格，当环境温度高于电池最佳工作温度时，单靠风冷式散热无法达到很好的散热效果，而空调系统则可以提供低于环境温度的制冷能力。制冷模块包括压缩机、冷凝器、膨胀阀整套空调冷却系统，利用空调系统对冷却液进行降温，再通过降温后的制冷剂与板式换热器内冷却液进行热交换，最后通过冷却液对电池包进行冷却［9］。采用高电压的涡旋式压缩机和环保型制冷制，环保节能且静音效果好，具备过压保护、欠压保护、短路保护、缺相保护、过载保护、过热保护等功能，同时带有CAN 总线功能，可通过CAN总线控制启停及调速，发生故障时也能及时反馈故障信息给系统。冷凝器是空调系统的散热机件，通过把气体或蒸气转换为液体形成放热，并由其上的直流无刷电子风扇把管内热量散发到空气中。

1.3 控制模块

控制模块具备温度采样及控制输出功能，可控制系统在常温散热、高温冷却及低温加热模式下正常工作。控制模块通过在电池包进水及出水口分别增加温度传感器进行实时温度信息采集，然后通过智能温度控制程序，自动选择常温散热、高温制冷或者低温加热模式进行控制。在常温散式模式下，可动态调节水泵转速进行散热；在高温制冷模式下，可动态调节压缩机机率和冷凝器风扇功率，达到控制制冷模块冷却输出效果；在低温加热模式下，只需要调节加热器即可控制加热输出。

1.4 显示模块

显示模块是系统参数显示及设置模块，带有2.4 寸LCD 触摸屏，主要用于实现人机交互。不同类型的锂电池，对工作温度的要求是不一样的，所以需要提供参数设置或选择功能。显示模块具备参数设置及系统监控功能，可对系统部件工作状态进行监控和预警，并可对运行参数进行调整，通过智能控制制冷及加热功率的输出，可保证动力电池工作在合理的温度区间。

2 控制模块硬件设计

控制模块是电池热管理系统的核心，由数据采集单元、电源单元、存储单元、执行单元、通信单元及主控制器组成，模块工作原理如图2 所示。

图2 控制模块原理

（1）数据采集单元。数据采集单元包括进水温度传感器、出水温度传感器、水流量传感器及AD 转换器，主要用于采集控制所需参数。

（2）电源单元。电源单元主要把车内24 V 电压转换为MCU工作所需电压，并提供过压、过流等保护功能。

（3）存储单元。存储单元用于存储设置参数及过程运行数据，以供算法使用。

（4）执行单元。执行单元包括循环水泵、冷凝器风扇、压缩机及加热器，通过控制其输出以达到精确控温的效果。

（5）通信单元。通信单元具备CAN总线通信功能，具有两路总线，其中一路用于跟整车通讯并采集BMS 电池电芯温度，另外一路则与压缩机进行通讯，控制启停及调速并接收反馈信息。

（6）主控制器。主控制器采用MCU 作为控制算法运行载体，根据采集到的进出水温度、循环水流量进行控制，并在水泵开启而水流量过低时会进行预警和保护。主控制器通过传感器对电池包电芯、进水温度及出水温度进行监测，并且根据设定温度控制输出，最后通过PWM 输出单元控制水泵及风扇的运转速度，通过CAN总线控制压缩机及加热器的输出功率。

3 温度控制算法设计

电池热管理系统温度控制目标是使动力电池工作温度处在限定温度范围，通过研究电芯温度及进水温度、出水温度的关系，最终选取电池包的出水温度作为系统的输入温度（Tin），其他温度作为辅助决策条件［10］，根据温度进行自动控制。根据系统输入温度，自动控制电池热管理系统在常温散热模式、高温冷却模式、低温加热模式之间进行切换，使电池始终工作于限定温度范围内。当设定系统输入温度控制范围为－ 20 ～35 ℃时，算法描述如下。

3.1 在常温散热模式下（5 ℃＜Tin ＜22 ℃）

系统只开启循环水泵，并根据系统输入温度调节水泵的运行转速来小范围调节散热功率，使系统处于设定温度范围内。但此种模式散热功能有限，一般作为过渡阶段存在，随着温度升高，很快会转入高温冷却模式。

3.2 高温冷却模式（Tin≥22 ℃时）

控制流程如图3 所示，设定最高、最低温度，并分成4 个范围，采用限制型模糊控制算法进行控制。首先设定最高及最低温度范围，在最高温度时必须全功率工作，在最低温度范围内必须以最低功率工作，低于最低温度则退出高温冷却模式。其次在最高及最低温度中间的较高温度范围内（28 ℃≤Tin＜30 ℃），当相邻两次采样的温度上升或者停止时，才增大压缩机和风扇转速。最后在最高及最低温度中间的较低温度范围内（22 ℃≤Tin＜28 ℃），当相邻两次采样温度上升超过0.5 ℃时增大压缩机和风扇转速；当温度下降超过0.5℃时降低压缩机和风扇转速。

图3 高温冷却模式控制流程

3.3 低温加热模式（Tin≤5 ℃时）

控制流程如图4 所示，设定最高、最低温度，并分成4 个范围，采用限制型模糊控制算法进行控制。首先设定最高及最低温度范围，在最低温度时必须全功率工作，在最高温度范围内必须以最低功率工作，高于最高温度则退出低温加热模式。其次在最高及最低温度中间的较低温度范围内（－ 20 ℃≤Tin＜－ 10 ℃），当相邻两次采样的温度下降或者停止时，增加PTC功率输出。最后在最高及最低温度中间的较高温度范围内（－10 ℃≤Tin＜0 ℃），当相邻两次采样温度下降超过0.5 ℃时增大PTC功率输出；当温度上升超过0.5 ℃时降低压PTC功率输出。

图4 低温加热模式控制流程

4 结束语

在国家碳达峰及碳中和目标的驱动下，纯电动客车应用越来越广泛，安全及性能问题也越来越受到重视，同时电池热管理系统也随之发展得越来越快。本文提出的电池热管理系统已在纯电动客车上批量应用，通过在整车多种极端工况下测试及验证，动力电池温度均能稳定在最佳工作温度范围内。实验结果表明，该电池热管理系统设计方案安全有效，通过智能模糊温度控制算法，能很好地满足系统预期设计效果。该电池热管理系统结构紧凑、温度控制性能好、成本较低，能有效提升动力电池系统的性能和安全性，并延长动力电池使用寿命。