纯电动客车动力电池冷却控制系统设计

纯电动客车采用的锂电池在充放电过程中会持续产生热量。如果散热量小于发热量，电池的工作环境温度将不断升高，会限制电池的放电能力，并降低电池的安全性能，甚至出现热失控的风险。让电池在适宜的环境温度下工作，降低电池模块间的温度极差，既可以保证电池稳定的放电能力，又能提高电池的使用寿命。因此，在纯电动客车研发过程中，电池冷却控制系统的设计非常重要。

1  动力电池冷却控制系统设计

1.1  动力电池冷却系统

早期的纯电客车多采用自然风冷的方式给电池散热，这种散热方式在环境温度不高时能满足电池的散热需求，但在充电状态下几乎没有散热能力，并且环境温度较高时散热效果差。这造成电池工作的环境温度不稳定，电池经常在高温下工作，充放电能力衰减严重。

随着纯电动客车电池冷却技术的不断完善，电池箱体内部布置有水冷板，电池充放电过程中，水冷板中的冷却液会带走多余的热量，让电池处于一个相对稳定且适宜的工作温度，能提高电池使用寿命，提升电池充放电能力，降低动力电池热失控风险。液冷散热是目前广泛使用的一种更高效、更稳定的散热方式。主要有两种技术路线，一种是采用独立水冷机组的独立式方案;另一种是与整车电空调系统合并的集成式方案。

1.2  动力电池冷却系统架构设计

本文动力电池单元充电温度在0℃～55℃、放电温度在－20℃～60℃范围内(实际电池温度)处于可运行状态。最佳充放电温度范围为20℃～35℃，电池处于最佳温度范围内充放电时，可使电池性能最优及循环寿命最大化［2－3］，且能有效地避免电池热失控问题。本文综合整车成本与性能考虑，采用与空调集成的电池液冷系统，其架构如图1所示。



1.3  电池水冷控制策略

根据某型电池的技术要求，BMS会检测电池箱水冷板进水口水温，发送“制冷”、“关机”、“自循环”三种指令。水冷机组执行BMS指令，实现BMS对电池温度的控制。制冷模式下水冷机组工作给冷却液降温，同时水泵工作，保证电池箱水冷板冷却液流动;自循环模式下水冷机组停机，仅水泵工作，保证冷却液流动;关机模式下水冷机组和水泵都停机。

电池的整个水冷控制分为行车和充电两个工况:

1)在行车工况下，电池单体最高温度≥30℃且电池单体最低温度≥26℃时，电池冷却系统进入工作状态。当进水口水温≥15℃，BMS发送“制冷”指令;当12℃＜进水口水温＜15℃，如果BMS前一个指令为“制冷”，则继续发送“制冷”，如果BMS前一个指令为“关机”或“自循环”，则发送“自循环”;当进水口水温≤12℃，BMS发送“自循环”指令。电池单体最高温度≤26℃，电池冷却系统退出工作状态。

2)在充电工况下，相同的是，电池单体最高温度≥30℃且电池单体最低温度≥26℃时，电池冷却系统进入工作状态。不同的是，当进水口水温≥10℃，BMS发送“制冷”指令;当7℃＜进水口水温＜10℃，如果BMS前一个指令为“制冷”，则继续发送“制冷”，如果BMS前一个指令为“关机”或“自循环”，则发送“自循环”;当进水口水温≤7℃，BMS发送“自循环”指令。电池单体最高温度≤26℃，电池冷却系统退出工作状态。

2  集成空调式液冷高压系统设计

2.1  空调高压电路设计

本设计的电池水冷机组与整车电空调集成在一起，按照电池水冷控制策略要求，水冷机组在行车和充电工况都要能够进入工作状态。因此，整车电空调的高压电路要针对水冷机组的工作条件作相应更改，以便水冷机组能及时响应BMS指令。

普通空调接触器在主接触器后端，只有在整车上电完成、主接触器闭合后，才能闭合空调接触器开启空调。这种设计满足普通空调的使用条件，但是不满足集成空调式的电池液冷使用条件。更改方案是将集成空调式电池液冷系统的高压电路移动到主接触器前端，如图2所示，以保证BMS在充电工况下的电池水冷需求。



2.2  空调高压控制系统设计

普通空调控制逻辑相对简单。空调面板开启空调后，空调控制器发出“空调工作请求”，整车控制器接收到请求后，闭合空调继电器，确定空调系统完成上高压电后，整车控制器发出“空调工作允许”，空调控制器开始控制空调工作。空调面板关闭空调时，空调停机并断开空调内部继电器，空调控制器发出“空调关闭请求”，整车空调系统下高压电。

与电池水冷机组集成的空调包含电池水冷和乘客区制冷两大功能。为了防止空调系统上高压电过程中控制逻辑混乱，空调系统上电逻辑需要重新设计。其控制原理如下:

1)乘客区空调面板开启空调或者BMS发送“制冷”或“自循环”指令，空调控制器发出“空调工作请求”，整车控制器接收到请求后，闭合空调继电器，确定空调系统完成上高压后，整车控制器发出“空调工作允许”，空调控制器再根据空调面板信息或BMS指令执行乘客区空调制冷或电池水冷功能。

2)空调面板关闭空调时，空调控制器关闭乘客区空调并断开乘客区空调内部继电器，BMS发送“关机”指令时，空调控制器关闭水冷机组并断开水冷机组内部继电器。只有BMS发送“关机”指令且空调面板关闭空调时，空调控制器才能发出“空调关闭请求”，防止该空调的两大功能出现相互干扰的情况。

为了满足整车出现故障时下电的功能要求，在整车控制器发出“空调工作允许”指令变成“空调工作禁止”指令时，空调无论在执行电池水冷功能还是乘客区制冷功能，都需要立即停机并断开空调内部继电器。

3  实车验证

为了验证该设计的可靠性，在某6m纯电动客车上安装了本设计的电池冷却控制系统。并针对充电状态下BMS、空调控制器、整车控制器之间的通讯情况和空调工作情况进行实验。

如图3所示，在乘客区空调关闭的情况下，BMS检测到电池单体最高温度≥30℃且电池单体最低温度≥26℃，BMS发出制冷指令。BMS发出制冷指令后，空调发出工作请求，整车控制器在闭合空调接触器后，发出空调工作允许，空调开始工作;BMS发出自循环指令后，水泵继续工作，空调停止工作;BMS检测到电池单体最高温度≤26℃，BMS发出停机指令。BMS发出停机指令后，空调停机，水泵停机，并且空调控制器发出空调关闭请求，整车控制器断开空调接触器，断开空调高压电路电源。结果显示，空调工作过程与设计要求一致，实车验证完成。


4  结束语

纯电动客车动力电池冷却系统关系到车辆的安全性和续航里程。本文设计了一种将电池水冷功能与乘客区制冷功能集成在一起的电空调的高压电路和控制系统，经过实车验证，满足电池水冷的控制要求。