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厦门金旅｜6m纯电动客车电池及热管理系统设计开发

2020-03-02 12:43:40·  来源：电动学堂  
　
文章来源：《6m纯电动客车电池及热管理系统设计开发》作者单位：厦门金龙旅行车有限公司文章DOI:10.19508/j.cnki.1672-4801.2019.05.021随着人们生活水平的提高
文章来源：《6m纯电动客车电池及热管理系统设计开发》
作者单位：厦门金龙旅行车有限公司
 
文章DOI: 10.19508/j.cnki.1672-4801.2019.05.021
 
随着人们生活水平的提高，交通运输方式不断变革。为方便市民出行，公交路线覆盖范围逐渐增大，市场对小型公交的需求逐年增加。其主要需求地区有：乡镇、农村客运需求；老旧小区、社区微循环路线需求；旅游景点需求；等等。
 
结合国家推行的新能源推广政策，整车企业实施新能源汽车技术创新工程，各地区不断提高新能源汽车运营比重。经过调研，6 m纯电动客车可满足上述市场需求，符合国家政策需要。为此实施此车型的设计开发工作。
 
1 动力电池、热管理系统布置
本设计6 m客车，依据项目输入信息，最终确定的整车部分参数需求如表1所示。
为了满足最大的载客需求，提高乘客舱空间利用率，设计开发了新的一体式电池箱；电池高度170 mm，电池箱布置在中部地板下方。车型设计成低地板方案，乘坐便利性大幅提高；且可扩展为无障碍车型，方便残障人士使用，车型用途更加广泛。
本车采用内置式电空调，空调冷凝器与蒸发器分离，冷凝器布置在车辆后部的设备舱，电池水冷用的换热器布置在后排座椅下方，如图1所示。这样布置不占用乘客舱空间，尽量加大了乘客舱的空间。
2 动力电池、热管理系统设计
2.1 动力电池设计
2.1.1 动力电池电量设计及类型选择
在夏季运营时，电空调需消耗很多电量，对纯电动客车的续驶里程影响很大。为确保夏季可以正常使用，本车型按半载开空调、续驶里程大于150 km，半载不开空调、续驶里程大于200 km进行设计。整车性能参数如表2所示。
动力电池电量计算如下：
按整车行驶1 km，驱动电机消耗电量E1、电附件消耗电量E2、电空调消耗电量E3相加，来估算等速法（40 km/h）时需要的电量E（单位：kW·h），即
驱动电机消耗的功率P1为
将表2中的参数值代入上式，求得P1≈9.2532kW，则E1=P1/40=0.2313 kW·h；此外，可计算得E2=P2/40=0.025 kW·h，E3=P3/40=0.125 kW·h。则整车半载开空调每行驶1 km电耗为：E=0.3813 kW·h。
按照续驶里程150 km的设计要求，行驶所需总电量E150=0.3813×150=57.195 kW·h。通常情况下，电池供应商都是设定为电池SOC降低到20%时禁止放电，因此所需的电池总电量为E150/0.8=71.49 kW·h。根据电池供应商提供的规格书，选择比较合适的电池规格为621.6V、120 A·h；其电池系统电量为74.592 kW·h，电池类型为锰酸锂电池，充放电倍率优于磷酸铁锂。为了确保动力电池使用过程中，电芯处于合适的工作温度，提高电池的充放电倍率及使用寿命，本车型采用水冷电池，制冷需求为2 kW。
2.1.2 动力电池结构设计
如图2所示，本车型的动力电池箱内含6个模组，模组由铝合金框架、电芯、温度传感器等零部件组成，电池水冷板布置在模组下方，电芯工作时产生的热量通过水冷板带出。电池管理系统模块（BMS）集中布置在电池箱一侧，所有温度、电压采集线束通过模组上设计的凹槽，集中汇总到电池管理系统模块中。
电池箱内部设计简洁，各零部件安装牢固。壳体按IP67防护等级要求设计，可确保车辆正常使用过程中，不会有进水的风险。电池箱通过GB/T 31467.3—2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3 部分：安全性要求与测试方法》及《电动客车安全技术条件》的测试验证。
2.2 动力电池热管理系统设计
当前客车动力电池散热主要有3种形式：自然冷却、风冷、水冷。其中水冷又分为简易水冷和空调水冷。简易水冷采用风扇带走电池水路中的热量；空调水冷利用电空调对电池水路中的冷却液进行制冷，可将电池系统水路中的冷却液温度迅速降低到15℃，电池散热效果最好。空调水冷主要有2种技术路线，一种是采用独立水冷主机（独立式方案），另一种是与整车电空调合并（共享式方案）。综合考虑整车布置、性能和成本，本车型采用共享式电池热管理方案。
共享式电池热管理系统是在整车电空调上另增加1路蒸发器，蒸发器集成在换热器中，通过换热器将电池系统水路中的热量带走，进而将电芯的热量带走，从而达到降低电芯温度的目的。
共享式电池热管理系统工作原理（见图3）：空调制冷用的蒸发器与动力电池冷却用的换热器并联，将冷凝器出来的制冷剂分成两路，一路经过电子膨胀阀1进入蒸发器，一路经过电子膨胀阀2进入换热器，最终汇合到压缩机，形成制冷循环。电子膨胀阀、压缩机、水泵由空调控制器控制。共享式空调工作模式如表3所示。
 
当动力电池需要冷却时，电池BMS将制冷需求通过CAN信号，经由整车控制器发送给空调控制器，空调控制器开启电子膨胀阀2，并启动压缩机、水泵，通过换热器对动力电池水路中的冷却液进行制冷，进而对电池箱中的电芯进行冷却。当电芯温度降低到足够低的温度，动力电池不需要冷却时，BMS发出停止制冷信号，空调控制器关闭电子膨胀阀2、水泵，停止或降低压缩机功率，停止对电池制冷。
电池热管理系统工作模式如表4所示。
注：1.Tmax为电池箱中温度最高的电池单体；2.进入自循环模式时，空调压缩机不工作，水泵工作，均衡电池箱内的电芯温差。
2.3 空调制冷剂的选用
本车采用R407c制冷剂，相比R134a制冷剂，R407c制冷剂单位容积制冷量更大，可显著提高制冷效率、降低功耗，提高电动车的续驶里程。同时，空调压缩机排量可降低，即更低的转速就可满足制冷需求：具有环保优。
2.4 电池冷却液的选用
电池冷却液采用乙二醇和水、1∶1体积比混合，其冰点温度＜-40℃，防止冬天水路凝结。
3 测试评价
本车采用底盘测功机测试的方式（见图4），验证动力电池充放电时的温度控制是否满足设计要求。
设备仪器：科华750 V/60 kW充电机、底盘测功机。温度采集设备：采用电池系统自带的温度传感器，安装在电池箱内的电芯表面，通过电池BMS读取电芯表面温度。
测试目的：采用持续充电和放电的方式，模拟客户实际使用情况，验证客户使用过程中，电池系统温度是否会过高，防止温度过高导致电池系统不能正常工作。测试结果见表5。
经过测试验证，热管理系统及时响应电池BMS发出的制冷、停止制冷请求信号。在1天充2次电的情况下，虽然电池温升不断累积，电池温度却始终控制在40℃以内：电芯工作环境良好，满足设计要求。
4 结束语
动力电池作为纯电动客车的关键零部件，电量选型、充放电性能、散热性能等参数至关重要；只有确定合适的参数，才能保证车辆的使用性能。经过不断设计、测试、改进，本车型最终顺利下线，性能满足设计要求。现已经批量投放市场。
 
 
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