【熱管理設計】某車型電池熱管理系統

摘要：介紹電動客車常見的電池熱管理系統的結構及工作原理，為電動客車電池熱管理的設計提供參考。

動力電池性能對電動客車的性能有著重要影響，而動力電池的工作溫度與其性能密切相關，同時也影響著動力電池的壽命和安全性。因此，動力電池的熱管理系統也非常重要。

1 電池熱管理的幾種形式

動力電池的熱管理包括高溫時對其冷卻和低溫時對其加熱。

1.1 電池冷卻方式

常見的動力電池冷卻方式主要有自然風冷、強迫風冷、液冷和冷媒直冷。其中強迫風冷是直接將車內的空調風、自然風或車外對流風引入電池安裝艙對電池包進行冷卻；液冷是用空調出風或單獨制冷設備的冷媒降溫冷卻液冷卻后進入電池包內的熱交換器對其中的電芯進行熱傳導，從而實現電池降溫的目的；冷媒直冷是直接將單獨制冷設備的冷媒引入電池包內的熱交換器，對其中的電芯進行熱傳導來給電池降溫。不同冷卻方式的對比如下：

1)自然風冷方式的冷卻性能取決于外界環境，不占用空間，無需控制，無能耗，系統成本低，容易實現，工藝可靠性最高，涉水風險低。

2)強迫風冷方式的冷卻性能較差，系統體積最大，涉水風險高，但重量較輕，容易控制，能耗低，系統成本相對較低，相對容易實現，工藝可靠性高。

3)液冷方式的冷卻性能較好，系統體積較小，控制原理成熟，難度中等相對容易實現，但該方式的系統重量較重，能耗高，系統成本最高，工藝可靠性一般，涉水風險較高。此為行業目前普遍采用的冷卻方式。

4)冷媒直冷方式的冷卻性能最好，系統體積較小，重量較輕，能耗較低，系統成本中等，但控制原理困難，實現難度高，工藝可靠性較高，涉水風險高。

目前冷媒直冷技術并不成熟，尚處于研究階段，未進入工程實施階段。雖然冷媒直冷的換熱效率高，但是冷媒在電池包內的蒸發通道中蒸發時各處溫度相差較大，電池溫度一致性較差，從而影響電池的充放電容量。另外客車電量大，電池包數量多，采用冷媒直冷的管路布置復雜且存在容易泄漏的風險。

1.2 電池加熱方式

常見的動力電池加熱方式如下：

1)電池包內部集成電加熱膜直接對電芯加熱。該加熱方式的效果取決于外界環境的溫度。環境溫度高于0 ℃時，采用電加熱膜加熱效果較好且不占用空間，無需控制，無能耗，系統成本低，容易實現；環境溫度低于0 ℃時，電加熱膜加熱效果較差，一般不采用此加熱方式。

2)在電池熱管理水路循環系統中串接電液體式加熱器對防凍液進行加熱。該方式加熱效果好，系統體積較小，僅需要占用一部分空間，成本相對較高，但是控制原理成熟，工藝可靠性較高，相對容易實現，是目前最常用的電池加熱方式。

2 電池熱管理系統的結構及工作原理

不管是冬天還是夏天，電池的正常工作溫度都是25 ℃±5 ℃,冬天需要通過電池熱管理設備加熱，加熱的目標水溫為25 ℃±5 ℃；夏天需要通過電池熱管理設備降溫，降溫的目標水溫也為25 ℃±5 ℃。下面介紹3種客車常用的液冷(熱)式電池熱管理系統，這3種電池熱管理均屬于加熱冷卻一體式系統，根據純電客車使用及環境溫度要求，當系統需要冷卻時，直接通過電池熱管理系統的換熱器對防凍液進行降溫;當系統需要加熱時，電池熱管理水路循環系統中串接的PTC電液體式加熱器對防凍液進行加熱。

2.1 簡易機組形式

簡易機組包括板式換熱器、水泵、風機、PTC電液體加熱器，其原理如圖1所示，其組成如圖2所示。

圖1 簡易機組系統原理圖

1-板式換熱器；2、5-電磁閥；3、4-水溫傳感器；6-PTC；7-風機；8-控制器；9-水泵

圖2 簡易機組結構圖

當簡易機組系統收到制冷信號時，電磁閥2打開，電磁閥5關閉，風機和水泵開始工作，通過引風管從空調風道內抽取冷空氣，冷空氣通過機組內的板式換熱器與系統里的防凍液完成熱交換，然后通過水泵將防凍液送入電池內部的換熱器中，從而達到降低電池溫度的目的。當收到制熱信號后，電磁閥2關閉，電磁閥5打開，機組內部的PTC電液體式加熱器和水泵開始工作，給系統里面的防凍液加熱，同制冷循環原理一樣，通過防凍液與電池內部換熱板的熱交換達到使電池升溫的目的。

除了加熱和冷卻外，水冷機組一般還具有自循環功能，主要是為了解決電池內部溫差過大的問題。當收到BMS的自循環指令后，PTC電液體式加熱器和風機均停止工作，水泵正常運行，防凍液通道打開，水路自循環運行，避免電池內部溫差過大。

簡易機組結構簡單，價格相對低廉。但由于沒有獨立的制冷系統，需要從車廂抽取冷空氣來降低防凍液溫度，導致制冷量較小。另外，簡易機組也受到空調系統工作狀態的影響，使用具有局限性。

簡易機組的制冷能力較差，制冷功率較小(一般小于2 kW)，適用于采用電池充放電倍率較低的慢充電池的混合動力客車。

2.2 非獨立機組形式

圖3為典型的非獨立機組的電池熱管理系統組成圖。其中：蒸發器1為空調系統蒸發器，用于給車廂空氣降溫；蒸發器2為水冷機組蒸發器，冷卻水與制冷劑在此完成熱交換，通過降低防凍液的溫度來給電池降溫。兩個蒸發器總成處于并聯狀態，二者共用一套壓縮機、冷凝器、干燥瓶等部件，通過電磁閥1和電磁閥2分別控制兩路制冷劑的流通，同時利用膨脹閥1和膨脹閥2分別調節兩路制冷劑的流量大小。當電池需要升溫時，電磁閥2關閉，水泵和PTC電液體式加熱器開始工作，防凍液被PTC加熱后送入電池內部換熱器，給電池加熱。自循環模式時，電磁閥2關閉，PTC電液體式加熱器停止工作，水泵運行，水路自循環運行，避免電池內部溫差過大。

圖3 非獨立機組系統原理圖

非獨立機組不需要單獨的制冷系統，可以降低熱管理設備的成本。但由于非獨立機組需要從空調系統分流一部分制冷劑，必然會對乘客區的制冷效果產生一定影響，同時也增大了空調系統的負荷；另外，從空調系統到電池水冷機組之間過長的空調高低壓管路也不利于提高空調系統的能效比；最后，客車空調的冷凝器、蒸發器總成一般布置在車頂，這樣就限制了電池熱管理設備的安裝位置，例如，當電池底置時，電池水冷機組和空調系統之間的高低壓管路連接會比較困難。

實際上，對于客車企業而言，每個車型的空調廠家和型號并不固定，導致水冷機組和空調的匹配比較困難，這也是限制非獨立機組使用的一個重要因素。此外，非獨立機組的制冷功率較大，一般適用于6 kW以上的場合。由于裝備非獨立機組電池熱管理系統的客車存在和整車制冷的需求沖突，導致控制邏輯較為復雜，適用于采用電池充放電倍率較高的快充電池的純電動客車。

2.3 獨立機組形式

獨立機組相當于一個小型的純電動空調，具有一套獨立完整的制冷系統，圖4為獨立機組的電池熱管理系統原理圖。

圖4 獨立機組系統原理圖

電池熱管理獨立機組與普通空調的一個較大的差別在于蒸發器的結構不同。普通空調蒸發器用于空調冷媒與空氣間的熱交換，但是獨立機組內部蒸發器用于空調冷媒與防凍液之間的熱交換。這種特殊的熱交換器一般采用套管式結構，換熱管道分為兩層，冷媒在內層管道，冷卻水在外層管道，兩層管道之間分布一些翅片以增加換熱面積。獨立機組的蒸發器和冷凝器有一體式設計和分體式設計兩種形式。

獨立機組需要單獨的制冷系統，當系統收到制冷信號時，風機和水泵開始工作，制冷劑通過機組內的板式換熱器與系統里的防凍液完成熱交換，然后通過水泵將防凍液送入電池內部的換熱器中，從而達到降低電池溫度的目的。當收到制熱信號后，機組內部的PTC電液體式加熱器和水泵開始工作，給系統里面的防凍液加熱，同制冷循環原理一樣，通過防凍液與電池內部換熱板的熱交換達到使電池升溫的目的。

獨立機組可以根據需要設計不同的功率，匹配相應功率的壓縮機、蒸發器等部件，因此可以滿足不同制冷功率的需求，使用范圍更加廣泛。相較于非獨立機組，獨立機組對電池內部溫度變化的響應更迅速，不用考慮乘客區對空調制冷性能的要求，布置也相對靈活。

與非獨立機組系統相比，獨立機組多了一套單獨制冷用的壓縮機和冷凝器，成本較高。但因其為一個獨立系統，控制邏輯相比非獨立機組較為簡單。獨立機組系統的制冷能力可根據需要進行選擇，一般在2 kW以上，適用于采用電池充放電倍率較高的快充電池的混合動力客車和純電動客車。

3 結束語

電池熱管理系統作為電動客車的重要組成部分，有效地保證了動力電池的使用性能、安全性和壽命。因此，在實際設計過程中，充分了解電池熱系統設備的結構及工作原理非常重要。

作者：梁輝耀，馮還紅

廈門金龍聯合汽車工業有限公司