基于空調(diào)的有軌電車動力電池熱管理控制

　　摘 要：新能源有軌電車的動力電池間歇性工作、充放電時發(fā)熱量大，一般需要配置各種形式的散熱裝置。采用變頻空調(diào)設(shè)計電池箱的熱管理系統(tǒng)，其熱泵功能在高溫或低溫環(huán)境時可將箱內(nèi)溫度控制在合理范圍之內(nèi)。一種適用于此熱管理系統(tǒng)空調(diào)的多溫融合溫區(qū)控制方法，主要包括壓縮機頻率計算和動態(tài)溫度區(qū)間控制兩方面。用環(huán)境溫度和電池溫度修正回風溫度，兼顧提高空調(diào)運行效率和響應(yīng)速度，并以修正后的溫度參數(shù)參與計算壓縮機頻率。箱內(nèi)溫度控制為較寬范圍的溫度區(qū)間，并以回風溫度的變化趨勢動態(tài)調(diào)整區(qū)間范圍，減少空調(diào)制冷/制熱時間的同時抑制回風溫度異常上升。還介紹了通風機和冷凝風機的變頻調(diào)速控制方法。對應(yīng)用此方法的電池箱(及空調(diào))進行實驗測試，空調(diào)能耗下降約 4%，電池最高溫度降低近 2℃。結(jié)果表明，所述方法既實現(xiàn)電池箱溫度調(diào)控需求、優(yōu)化電池環(huán)境，又降低熱管理系統(tǒng)的運行能耗。應(yīng)用所述熱管理系統(tǒng)的動力電池箱經(jīng)過試驗考核后已裝車運用。

　　關(guān)鍵詞：電池熱管理;多溫融合;動態(tài)溫區(qū);變頻空調(diào)

　　新能源有軌電車運行在弓網(wǎng)供電區(qū)和無網(wǎng)區(qū)時，其動力電池充、放電變化較快，峰值電流大，會產(chǎn)生較大的熱量，且具有間歇性的特點。熱量傳遞也具有其自身的特點：發(fā)熱源是電池芯體，而熱量由電池芯體向模組表面?zhèn)鬟f，再由模組表面向箱內(nèi)空氣傳遞都具有一定的時間延遲[1]。

　　電池溫度太高會引起安全問題，而且高溫或低溫環(huán)境也會造成電池性能、壽命的下降，因此需要設(shè)計熱管理系統(tǒng)對電池溫度進行調(diào)節(jié)，以保證電池的安全和性能。常見的散熱方式有空冷(自然散熱、強迫風冷)、液冷，以及熱管、相變換熱等新形式。其中自然散熱方式因應(yīng)用環(huán)境受限太大已逐漸淘汰，其它方式則各具優(yōu)點、仍持續(xù)研究與應(yīng)用。如文獻[2]對電動汽車電池的風冷散熱控制策略進行研究;文獻[3]對電動汽車電池不同排布、不同進出風方式及風速下的溫度場進行仿真、實驗分析等。

　　文獻[4]對大平板熱管加輔助風冷的散熱方式進行了實驗和仿真研究;文獻[5]提出電池與相變材料的成組結(jié)構(gòu)，進行數(shù)值模擬并分析研究結(jié)果;文獻[6]則研究電池單體不同排布形式對相變冷卻耦合空氣冷卻的散熱性能影響。采用空調(diào)技術(shù)實現(xiàn)電池熱管理也是一種常見形式，其通過內(nèi)、外隔絕通風循環(huán)及熱交換實現(xiàn)熱管理功能，具有較高效率，且易于實現(xiàn) IP67 防護等級設(shè)計。本文針對某新能源有軌電車動力電池箱設(shè)計基于空調(diào)的熱管理系統(tǒng)，并根據(jù)應(yīng)用特點提出了一種基于多溫融合的溫區(qū)控制策略。

　　1 基于空調(diào)的電池箱熱管理系統(tǒng)

　　采用空調(diào)技術(shù)設(shè)計電池熱管理系統(tǒng)時需注意一個應(yīng)用特點：在冬季低溫環(huán)境時，只要列車運行則動力電池也會產(chǎn)生大量的熱量，這就需要空調(diào)具有超低溫制冷能力。而車輛在冬季冷車啟動時，低溫環(huán)境也會影響電池性能，空調(diào)還應(yīng)具有制熱功能對電池進行預(yù)加熱。

　　該有軌電車動力電池箱的額定熱負荷為 5.5kW，空調(diào)換熱系統(tǒng)按照額定 6.5kW 進行設(shè)計，保證極端高溫天氣時仍具有快速降溫能力;而且多數(shù)時間為降額使用，提高了系統(tǒng)的可靠性。針對超低溫制冷能力的需求，換熱系統(tǒng)在冷凝器兩端并聯(lián)設(shè)計兩級旁通閥，根據(jù)外環(huán)境溫度(壓縮機啟動初期)和冷凝器盤管溫度(壓縮機長時間運行時)進行兩級旁通控制;同時采用雙變頻冷凝風機設(shè)計提供大范圍可變冷凝風量。經(jīng)過試驗驗證，系統(tǒng)可在-5℃環(huán)境溫度時正常制冷。

　　熱泵型換熱系統(tǒng)可在冬季大多數(shù)環(huán)境溫度(> -10℃)時以較高能效比提供制熱功能。同時，為應(yīng)對極端低溫天氣，在空調(diào)中設(shè)計了具有較高安全性的 PTC 電加熱裝置，為低溫冷車啟動時的電池進行預(yù)加熱。受空間尺寸限制，將通風機布置在空調(diào)內(nèi)部時風道較難設(shè)計，造成風阻增加，降低了通風機運行效率。為此將通風機設(shè)置在相對于空調(diào)機組的電池箱內(nèi)遠端位置，以此減小了箱內(nèi)空氣循環(huán)阻力、改善風場分布、提高風機效率[8]。

　　2 電池熱管理系統(tǒng)的控制

　　基于空調(diào)的電池熱管理系統(tǒng)的控制主要是對變頻空調(diào)的控制(包括電池箱內(nèi)的通風機)。傳統(tǒng)方法一般以回風溫度和目標溫度的溫差進行空調(diào)控制，當回風溫度高于目標溫度時開啟制冷模式，低于目標溫度時開啟制熱模式，最終將回風溫度控制在目標溫度點附近。變頻壓縮機的運行頻率 ca與溫差呈線性比例關(guān)系， ca =Fra×|Tre ，其中： ra為額定制冷頻率， re為回風溫度， 為目標溫度。鑒于電池芯體溫度傳遞到回風溫度的滯后性較大，若僅以傳統(tǒng)空調(diào)控制方式為電池散熱，則空調(diào)響應(yīng)嚴重滯后，會導(dǎo)致電池芯體溫度波動范圍加大、峰值更高，不利于電池的安全和壽命。

　　此外，電池可工作于一定溫度區(qū)間，與傳統(tǒng)點式控溫方式也有區(qū)別。針對動力電池的熱負荷特性，在傳統(tǒng)變頻空調(diào)控制策略的基礎(chǔ)上進行算法改進，形成了一種適合電池箱溫度調(diào)控的基于多溫融合的溫區(qū)控制方法。文中描述以制冷工況進行說明，對于熱泵及 PTC 加熱，與傳統(tǒng)空調(diào)控制方式類似，在此不再詳述。

　　2.1 基于多溫融合的溫區(qū)控制方法概述

　　熱管理系統(tǒng)變頻空調(diào)對箱內(nèi)溫度的控制舍棄了僅依靠回風溫度進行壓縮機頻率計算的方法，同時也不再將回風溫度控制到一個目標溫度點。新的方法綜合考慮多個相關(guān)溫度參數(shù)進行溫區(qū)控制，主要內(nèi)容包括：第一步，空調(diào)采集回風溫度、電池溫度和環(huán)境溫度，對三個溫度進行多溫度融合計算，綜合確定一個計算溫度，并以此參與壓縮機運行頻率計算。第二步，根據(jù)實際應(yīng)用電池的允許工作溫度范圍，并結(jié)合回風溫度的變化趨勢，對電池箱溫度進行動態(tài)區(qū)間式控制，并根據(jù)區(qū)間計算壓縮機頻率。第三步，在確定了壓縮機運行頻率的基礎(chǔ)上，對空調(diào)通風機和冷凝風機進行變風量控制，使空調(diào)換熱系統(tǒng)始終運行在最佳狀態(tài)。

　　2.2 確定計算溫度

　　在變頻空調(diào)采集得到回風溫度、環(huán)境溫度和電池模組溫度后，以回風溫度為基本量，環(huán)境溫度和電池溫度為調(diào)整量，按以下步驟確定計算溫度。

　　(1)根據(jù)環(huán)境溫度將回風溫度 re調(diào)整為一次計算溫度 ca1變頻空調(diào)制冷運行時，隨著環(huán)境溫度的升高，能效比呈下降趨勢�？煽刂颇繕嘶仫L溫度隨環(huán)境溫度正向變化，間接降低壓縮機運行頻率，使變頻空調(diào)在不同工況時都工作在較高能效比，達到節(jié)能降耗的目的[9][10]。參考文獻[9]中 2.2.4、4.3 章節(jié)環(huán)境溫度、設(shè)定溫度變化對空調(diào)器制冷量、能耗影響的研究，以及文獻[10]中室外環(huán)境溫度變化對空調(diào)功耗、能效比影響的實驗研究分析，在電池箱變頻空調(diào)控制中將環(huán)境溫度引入計算過程，根據(jù)環(huán)境溫度把回風溫度調(diào)整為一次計算溫度。

　　(2)根據(jù)電池溫度 ba調(diào)整一次計算溫度 ca1為二次計算溫度 ca2參考文獻[3]第 2、3 章的研究等資料，電池溫度由芯體向表面呈遞減的溫度梯度，并且回風溫度與電池表面溫度之間也存在滯后性。為及時響應(yīng)電池溫度的快速變化，消除電池溫度由芯體向表面?zhèn)鬟f、通風循環(huán)溫度傳遞的時間延遲，提高變頻空調(diào)的響應(yīng)速度，將電池溫度引入變頻空調(diào)壓縮機頻率的計算中，當電池溫度上升時即時調(diào)高壓縮機頻率，而不必等待回風溫度上升。

　　2.3 基于溫區(qū)控制的壓縮機頻率

　　計算利用電池可工作于一定溫度區(qū)間的特點將箱內(nèi)溫度分區(qū)進行控制，在滿足電池工作需求的同時減少空調(diào)制冷/制熱的工作時間，從而達到節(jié)能的效果。

　　2.4 溫度區(qū)間的動態(tài)調(diào)整

　　在實際應(yīng)用中，由于電池充放電時間不確定(熱負荷不確定)，以及外界環(huán)境溫度的不可預(yù)知性，以固定的溫度分界點進行分區(qū)時可能會出現(xiàn)回風溫度控制超限的情況。如在極端高溫工況頻繁充放電時，以固定分區(qū)計算出的壓縮機頻率輸出的制冷量可能不足，導(dǎo)致回風溫度逐漸升高，不利于電池工作。

　　3 仿真與試驗

　　采用 Flotherm 軟件對電池箱的散熱通風循環(huán)進行建模和熱仿真計算。以電池額定充放電工況為例，電池發(fā)熱量 5.5kW，通風機固定為額定送風量 1300m³/h，進風溫度為 12℃。取高度方向上中間截面溫度場計算，模組最高表面溫度出現(xiàn)在距通風機最近模組位置，約 29℃。

　　在空調(diào)焓差實驗室對熱管理系統(tǒng)變頻空調(diào)進行了性能測試，最大制冷能力可達 8kW，額定制冷量(6.5kW)時能效比為 2.6，運行全工況范圍內(nèi)最高能效比可達 3.0，達到了設(shè)計性能指標目標。電池箱組裝完成并進行散熱系統(tǒng)性能調(diào)試后，在 45℃環(huán)境溫度下進行了額定載荷充放電試驗，驗證熱管理系統(tǒng)的冷卻散熱能力，并測試空調(diào)的功耗情況。在電池箱內(nèi)每兩個電池模組之間的風道上、中、下三個位置布置熱電偶，同時監(jiān)控各電池模組的內(nèi)部溫度。

　　試驗中，送風溫度處于10~13℃之間，箱內(nèi)空氣最高溫度點出現(xiàn)在靠近通風機的底部測點，為 28.8℃;與仿真對應(yīng)的中間截面溫度場最高測點溫度為 28.6℃。由于溫度測點并非緊貼模組表面，從熱量的傳遞路徑可推斷測點溫度比模組表面溫度應(yīng)略低，因此可以認為實驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本吻合。實驗中還監(jiān)測到電池模組內(nèi)部溫度最高為 36.1℃，體現(xiàn)出由內(nèi)部到表面的溫度梯度及溫度傳遞的滯后性。

　　4 結(jié)論

　　本文介紹了基于變頻空調(diào)的新能源有軌電車動力電池熱管理控制研究，提出了一種多溫融合計算空調(diào)壓縮機頻率，配合通風機和冷凝風機的調(diào)速控制，將電池箱溫度控制于動態(tài)溫度區(qū)間內(nèi)的方法。

　　(1)通過將環(huán)境溫度引入計算提高空調(diào)的運行效率，同時采取溫度區(qū)間控制法降低空調(diào)制冷/制熱運行時間，可有效降低空調(diào)的運行能耗。實驗數(shù)據(jù)表明，與不考慮環(huán)境溫度因素方法相比可降低約 4%的能耗。

　　(2)通過將電池溫度引入計算過程，并以回風溫度的變化趨勢動態(tài)調(diào)整控溫區(qū)間，提高了熱管理系統(tǒng)空調(diào)在熱負荷增加時的響應(yīng)速度。對比實驗中降低電池最高溫度近 2℃，有效降低了電池熱失控的危險、優(yōu)化電池工況。所述控制方法兼顧系統(tǒng)快速響應(yīng)與降低能耗，計算過程簡單、易于實現(xiàn)，在有軌電車動力電池熱管理中取得了較好的控制效果。研制的產(chǎn)品已在所述新能源有軌電車上裝車并完成了整車調(diào)試及試運行，熱管理系統(tǒng)滿足了動力電池箱的實際運用需求。

　　參 考 文 獻

　　[1] 吳克麟. 基于空調(diào)系統(tǒng)的交變式電池熱管理系統(tǒng)性能研究[D]. 北京:北京理工大學,2016.WU Kelin. The performance research of Alternating type Battery Thermal Management System based on automotive air conditioning[D].Beijing:Beijing Institute of Technology,2016.

　　[2] 趙國柱,招曉荷,徐曉明,等. 基于最小能耗的動力電池風冷控制策略[J]. 儲能科學與技術(shù),2019,8(04):751-758.ZHAO Guozhu,ZHAO Xiaohe,XU Xiaoming,et al. Air cooling strategy of power battery based on minimum energy consumption[J]. EnergyStorage Science and Technology,2019,8(04):751-758.

　　[3] 羅宗鴻. 電動汽車電池熱特性及電池組風冷散熱研究[D]. 南昌:南昌航空大學,2018.

　　作者：呂艷宗 1，韓冰 1，王宏宇 1，徐楊非 2，張星 2

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