文章來源：廈門金龍旅行車有限公司

锂離子電池在高溫或低溫下，其充放電性能均受到了制約。若強制放電或充電将會導緻其壽命衰減，甚至引發安全性問題。因此，無論是在南方高溫地區，還是在北方高寒地區，純電動客車都需考慮其動力電池的熱管理系統設計，以解決電池的散熱與加熱問題，将電池溫度維持在最佳的工作範圍，提升整車的性能。動力電池熱管理系統包含其冷卻系統、加熱系統及其外部電路和控制系統。

1動力電池的冷卻與加熱系統設計

1.1冷卻方式

目前，動力電池主流的散熱系統有風冷和液冷兩種方式。風冷電池箱需要抽取空氣與電池進行熱對流，電池箱的防護等級無法達到IP67。當車輛涉水或淋雨時，電池箱存在進水而引發電池短路的隐患。因此，風冷的散熱方式可靠性不高，逐漸被淘汰。

液冷電池箱采用冷卻液作為導熱介質，通過熱擴散對電池進行熱量傳輸，電池箱的防護等級可以達到IP67以上。因此，動力電池采用液冷系統已成為純電動客車的首選方案。液冷電池箱主要包含電池模組、水冷闆、導熱矽脂和電池箱體。電池模組通過導熱矽脂與水冷闆形成導熱連接，液冷闆上設有進、出水口并延伸到電池箱體外部，如圖1所示。

1.2常規的冷系統

锂離子電池的最佳工作溫度範圍是20℃～40℃，超出該溫度範圍将導緻電池的性能嚴重下降甚至引發安全事故。常規的液冷散熱系統是采用散熱器搭載風扇的方式，通過風扇抽取自然風對冷卻液流經的散熱器進行散熱，達到冷卻液降溫的目的。這種方式的散熱效果有限，而且受環境溫度的影響特别大，尤其是在夏季，完全無法達到電池最佳工作所需的降溫效果。為了滿足電池的散熱需求，需要設計一種幾乎不受環境溫度影響的冷卻系統。

1.3動力電池冷卻系統設計

本文借用空調制冷的原理，将空調制冷回路中的蒸發器替換成熱交換器，然後搭載驅動水路循環的水泵，将空調對空氣的制冷轉換成對冷卻液的制冷，從而達到了強制制冷的效果。該系統可根據冷卻液的輸入溫度及輸出溫度需求，智能控制壓縮機、風扇和水泵的功率，調節系統的制冷量，實現對輸出水溫的控制。

1)系統組成。該冷卻系統主要包含電動壓縮機、冷凝器、風扇、膨脹閥、熱交換器、水泵、管路、控制器和線束等，如圖2所示。

2)工作原理。如圖3所示，冷卻系統工作時，電動壓縮機将制冷劑(一般采用R134a)壓縮成高溫液體，流經冷凝器散熱，通過膨脹閥後成為低溫低壓的濕蒸汽，随後進入熱交換器的制冷劑通道吸收熱量，從而使熱交換器的溫度降低，最後再回到電動壓縮機中進行下一個制冷循環。同時，水泵抽取冷卻液通過熱交換器的液體流道，低溫狀态的熱交換器吸收冷卻液中的熱量，從而達到降低冷卻液溫度的效果。

3)結構布置。從整車的布置空間及安裝的可靠性與便捷性考慮，将冷卻系統的各個部件集成設計在一個箱體内部，組成一個系統部件，并在箱體上設計與外部電路連接的高低壓接口和進出水口(見圖2)。其優點是:集成度高，通用性強，可适用于多種純電動客車車型，無需根據不同車型而改變系統内部零部件的布置及管路設計;在整車的布置與安裝更簡便，容易操作;維護便捷，也便于故障排查，售後成本更低。

1.4動力電池加熱系統設計

根據液冷電池箱的導熱方式，可通過加熱冷卻液的方式對電池進行加熱，從而讓電池的溫度上升。因此，電池加熱系統采用在電池的冷卻循環水路中串聯一個水暖PTC電加熱器的方案。當PTC工作時，冷卻液流經PTC加熱後再進入電池箱水冷闆，将熱量傳遞給電池，實現對電池的加熱。機電原理如圖4所示。

車用級别的PTC加熱器内部一般由控制模塊、加熱模塊、液體流道和殼體組成。控制模塊設有高壓電開關電路和低壓通訊控制電路，可與電池冷卻系統的控制器進行信息交互。根據冷卻液的輸入溫度及輸出溫度需求，智能控制PTC高壓開關電路的開啟或關閉，實現加熱模塊的啟動或停止。

2外部電路及控制模式設計

完成了熱管理系統的冷卻系統和加熱系統的設計後，還需要進行其外部高壓和低壓電路的設計，并根據車輛的使用工況制定相應的控制模式，從而實現智能控制電池溫度的效果。

2.1外部電路設計

動力電池熱管理系統工作時，需要直流高壓、直流低壓供電，并通過與BMS建立通訊連接，由BMS控制其熱管理系統的工作模式。因此，動力電池熱管理系統需設計相應的電源接口和通訊接口，通過線束分别與電池和控制系統連接，從而控制熱管理系統的運行。電路連接原理圖如圖5所示。電池熱管理系統中的高壓電用于電動壓縮機或PTC加熱器的供電，低壓電用于風扇、水泵、控制器的供電。

2.2控制模式

通過上述設計，電池熱管理系統可以實現充電加熱/制冷、行車加熱/制冷、駐車加熱/制冷、故障診斷與保護、電池系統熱失控保護等功能。

1)充電加熱或制冷。當車輛充電時，若BMS檢測到電池的溫度是高于5℃且低于30℃，電池進入充電模式，關閉動力電池熱管理系統;若檢測到的電池溫度低于5℃，則開啟動力電池加熱系統，電池進入加熱模式;當電池加熱到5℃時，電池進入充電模式;當電池加熱到10℃時，關閉動力電池加熱系統，電池保持充電模式;若檢測到的電池溫度高于30℃，則電池進入充電模式，同時開啟動力電池冷卻系統給電池降溫;當電池溫度低于26℃時，關閉動力電池冷卻系統。

2)行車加熱或制冷。車輛運行時，BMS檢測到電池的溫度低于5℃時，則開啟動力電池加熱系統給電池升溫;當電池加熱到10℃時，關閉動力電池加熱系統;當檢測到電池的溫度高于30℃時，開啟動力電池冷卻系統給電池降溫;當電池溫度低于26℃時，關閉動力電池冷卻系統。

3)駐車加熱或制冷。車輛啟動前，BMS檢測到電池的溫度低于5℃時，則開啟動力電池加熱系統給電池升溫;當電池加熱到10℃時，關閉動力電池加熱系統，車輛進入可以啟動狀态;當電池的溫度高于30℃時，車輛進入可以啟動狀态，啟動後開啟動力電池冷卻系統給電池降溫，當電池溫度低于26℃時，關閉動力電池冷卻系統。

4)故障診斷與保護。動力電池冷卻系統的控制器實時監控着系統的狀态，系統發生故障時，能及時關閉動力電池熱管理系統并向BMS發出警報，由BMS斷開動力電池熱管理系統高壓電。例如:當充電輸入電壓高于或低于設定值時，向BMS發送過壓或欠壓報警;當制冷劑回路壓力高于或低于設定值時，關閉冷卻系統，并向BMS發送高壓力或低壓力的故障報警，BMS收到故障信息5s後，斷開液冷繼電器，從而斷開熱管理系統的高壓電;當壓縮機出現空載、過載、溫度過高或通訊故障時，關閉冷卻系統，并向BMS發送壓縮機故障，BMS收到故障信息5s後，斷開液冷繼電器，從而斷開熱管理系統的高壓電;當水泵或風扇故障時，關閉冷卻系統，并向BMS發送水泵或風扇故障;當加熱系統故障或通訊故障時，向BMS發送加熱系統故障;當系統出液溫度低于5℃或高于65℃，且制冷或加熱功能無法正常工作時，向BMS發送熱管理系統失控故障，BMS收到故障信息後斷開液冷繼電器，從而斷開熱管理系統的高壓電。

5)電池系統熱失控保護。當電池系統出現故障溫度急劇上升時，BMS向整車發送電池故障報警，同時控制液冷繼電器閉合并向熱管理系統發送全功率制冷指令，冷卻系統開啟全負荷工作模式，壓縮機、水泵和風扇均以最大功率運轉。當電池溫度持續上升到設定值時，BMS向熱管理系統發送下高壓電并保持水泵開啟的指令，熱管理系統關閉高壓電回路，并控制水泵以最大的功率進行運轉，确保冷卻液以最大的流速進行循環流轉。在壓縮機不工作的情況下，最大限度地為電池降溫，減緩電池的溫升速度，延遲電池熱失控或電池起火的時間，從而增加乘客的逃生時間，保護乘客安全。

3結束語

針對純電動客車動力電池的溫度适應性問題，本文通過研究動力電池的特性和空調的原理，設計了可強制制冷和加熱功能的電池熱管理系統。在動力電池降溫和加熱方面作出了比較全面的解決方案，可靠性高、實用性強，并已在純電動客車規模化推廣應用，在新車型開發時具有指導意義。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!