基于空调的有轨电车动力电池热管理控制

　　摘 要：新能源有轨电车的动力电池间歇性工作、充放电时发热量大，一般需要配置各种形式的散热装置。采用变频空调设计电池箱的热管理系统，其热泵功能在高温或低温环境时可将箱内温度控制在合理范围之内。一种适用于此热管理系统空调的多温融合温区控制方法，主要包括压缩机频率计算和动态温度区间控制两方面。用环境温度和电池温度修正回风温度，兼顾提高空调运行效率和响应速度，并以修正后的温度参数参与计算压缩机频率。箱内温度控制为较宽范围的温度区间，并以回风温度的变化趋势动态调整区间范围，减少空调制冷/制热时间的同时抑制回风温度异常上升。还介绍了通风机和冷凝风机的变频调速控制方法。对应用此方法的电池箱(及空调)进行实验测试，空调能耗下降约 4%，电池最高温度降低近 2℃。结果表明，所述方法既实现电池箱温度调控需求、优化电池环境，又降低热管理系统的运行能耗。应用所述热管理系统的动力电池箱经过试验考核后已装车运用。

　　关键词：电池热管理;多温融合;动态温区;变频空调

　　新能源有轨电车运行在弓网供电区和无网区时，其动力电池充、放电变化较快，峰值电流大，会产生较大的热量，且具有间歇性的特点。热量传递也具有其自身的特点：发热源是电池芯体，而热量由电池芯体向模组表面传递，再由模组表面向箱内空气传递都具有一定的时间延迟[1]。

　　电池温度太高会引起安全问题，而且高温或低温环境也会造成电池性能、寿命的下降，因此需要设计热管理系统对电池温度进行调节，以保证电池的安全和性能。常见的散热方式有空冷(自然散热、强迫风冷)、液冷，以及热管、相变换热等新形式。其中自然散热方式因应用环境受限太大已逐渐淘汰，其它方式则各具优点、仍持续研究与应用。如文献[2]对电动汽车电池的风冷散热控制策略进行研究;文献[3]对电动汽车电池不同排布、不同进出风方式及风速下的温度场进行仿真、实验分析等。

　　文献[4]对大平板热管加辅助风冷的散热方式进行了实验和仿真研究;文献[5]提出电池与相变材料的成组结构，进行数值模拟并分析研究结果;文献[6]则研究电池单体不同排布形式对相变冷却耦合空气冷却的散热性能影响。采用空调技术实现电池热管理也是一种常见形式，其通过内、外隔绝通风循环及热交换实现热管理功能，具有较高效率，且易于实现 IP67 防护等级设计。本文针对某新能源有轨电车动力电池箱设计基于空调的热管理系统，并根据应用特点提出了一种基于多温融合的温区控制策略。

　　1 基于空调的电池箱热管理系统

　　采用空调技术设计电池热管理系统时需注意一个应用特点：在冬季低温环境时，只要列车运行则动力电池也会产生大量的热量，这就需要空调具有超低温制冷能力。而车辆在冬季冷车启动时，低温环境也会影响电池性能，空调还应具有制热功能对电池进行预加热。

　　该有轨电车动力电池箱的额定热负荷为 5.5kW，空调换热系统按照额定 6.5kW 进行设计，保证极端高温天气时仍具有快速降温能力;而且多数时间为降额使用，提高了系统的可靠性。针对超低温制冷能力的需求，换热系统在冷凝器两端并联设计两级旁通阀，根据外环境温度(压缩机启动初期)和冷凝器盘管温度(压缩机长时间运行时)进行两级旁通控制;同时采用双变频冷凝风机设计提供大范围可变冷凝风量。经过试验验证，系统可在-5℃环境温度时正常制冷。

　　热泵型换热系统可在冬季大多数环境温度(> -10℃)时以较高能效比提供制热功能。同时，为应对极端低温天气，在空调中设计了具有较高安全性的 PTC 电加热装置，为低温冷车启动时的电池进行预加热。受空间尺寸限制，将通风机布置在空调内部时风道较难设计，造成风阻增加，降低了通风机运行效率。为此将通风机设置在相对于空调机组的电池箱内远端位置，以此减小了箱内空气循环阻力、改善风场分布、提高风机效率[8]。

　　2 电池热管理系统的控制

　　基于空调的电池热管理系统的控制主要是对变频空调的控制(包括电池箱内的通风机)。传统方法一般以回风温度和目标温度的温差进行空调控制，当回风温度高于目标温度时开启制冷模式，低于目标温度时开启制热模式，最终将回风温度控制在目标温度点附近。变频压缩机的运行频率 ca与温差呈线性比例关系， ca =Fra×|Tre ，其中： ra为额定制冷频率， re为回风温度， 为目标温度。鉴于电池芯体温度传递到回风温度的滞后性较大，若仅以传统空调控制方式为电池散热，则空调响应严重滞后，会导致电池芯体温度波动范围加大、峰值更高，不利于电池的安全和寿命。

　　此外，电池可工作于一定温度区间，与传统点式控温方式也有区别。针对动力电池的热负荷特性，在传统变频空调控制策略的基础上进行算法改进，形成了一种适合电池箱温度调控的基于多温融合的温区控制方法。文中描述以制冷工况进行说明，对于热泵及 PTC 加热，与传统空调控制方式类似，在此不再详述。

　　2.1 基于多温融合的温区控制方法概述

　　热管理系统变频空调对箱内温度的控制舍弃了仅依靠回风温度进行压缩机频率计算的方法，同时也不再将回风温度控制到一个目标温度点。新的方法综合考虑多个相关温度参数进行温区控制，主要内容包括：第一步，空调采集回风温度、电池温度和环境温度，对三个温度进行多温度融合计算，综合确定一个计算温度，并以此参与压缩机运行频率计算。第二步，根据实际应用电池的允许工作温度范围，并结合回风温度的变化趋势，对电池箱温度进行动态区间式控制，并根据区间计算压缩机频率。第三步，在确定了压缩机运行频率的基础上，对空调通风机和冷凝风机进行变风量控制，使空调换热系统始终运行在最佳状态。

　　2.2 确定计算温度

　　在变频空调采集得到回风温度、环境温度和电池模组温度后，以回风温度为基本量，环境温度和电池温度为调整量，按以下步骤确定计算温度。

　　(1)根据环境温度将回风温度 re调整为一次计算温度 ca1变频空调制冷运行时，随着环境温度的升高，能效比呈下降趋势。可控制目标回风温度随环境温度正向变化，间接降低压缩机运行频率，使变频空调在不同工况时都工作在较高能效比，达到节能降耗的目的[9][10]。参考文献[9]中 2.2.4、4.3 章节环境温度、设定温度变化对空调器制冷量、能耗影响的研究，以及文献[10]中室外环境温度变化对空调功耗、能效比影响的实验研究分析，在电池箱变频空调控制中将环境温度引入计算过程，根据环境温度把回风温度调整为一次计算温度。

　　(2)根据电池温度 ba调整一次计算温度 ca1为二次计算温度 ca2参考文献[3]第 2、3 章的研究等资料，电池温度由芯体向表面呈递减的温度梯度，并且回风温度与电池表面温度之间也存在滞后性。为及时响应电池温度的快速变化，消除电池温度由芯体向表面传递、通风循环温度传递的时间延迟，提高变频空调的响应速度，将电池温度引入变频空调压缩机频率的计算中，当电池温度上升时即时调高压缩机频率，而不必等待回风温度上升。

　　2.3 基于温区控制的压缩机频率

　　计算利用电池可工作于一定温度区间的特点将箱内温度分区进行控制，在满足电池工作需求的同时减少空调制冷/制热的工作时间，从而达到节能的效果。

　　2.4 温度区间的动态调整

　　在实际应用中，由于电池充放电时间不确定(热负荷不确定)，以及外界环境温度的不可预知性，以固定的温度分界点进行分区时可能会出现回风温度控制超限的情况。如在极端高温工况频繁充放电时，以固定分区计算出的压缩机频率输出的制冷量可能不足，导致回风温度逐渐升高，不利于电池工作。

　　3 仿真与试验

　　采用 Flotherm 软件对电池箱的散热通风循环进行建模和热仿真计算。以电池额定充放电工况为例，电池发热量 5.5kW，通风机固定为额定送风量 1300m³/h，进风温度为 12℃。取高度方向上中间截面温度场计算，模组最高表面温度出现在距通风机最近模组位置，约 29℃。

　　在空调焓差实验室对热管理系统变频空调进行了性能测试，最大制冷能力可达 8kW，额定制冷量(6.5kW)时能效比为 2.6，运行全工况范围内最高能效比可达 3.0，达到了设计性能指标目标。电池箱组装完成并进行散热系统性能调试后，在 45℃环境温度下进行了额定载荷充放电试验，验证热管理系统的冷却散热能力，并测试空调的功耗情况。在电池箱内每两个电池模组之间的风道上、中、下三个位置布置热电偶，同时监控各电池模组的内部温度。

　　试验中，送风温度处于10~13℃之间，箱内空气最高温度点出现在靠近通风机的底部测点，为 28.8℃;与仿真对应的中间截面温度场最高测点温度为 28.6℃。由于温度测点并非紧贴模组表面，从热量的传递路径可推断测点温度比模组表面温度应略低，因此可以认为实验数据与仿真结果基本吻合。实验中还监测到电池模组内部温度最高为 36.1℃，体现出由内部到表面的温度梯度及温度传递的滞后性。

　　4 结论

　　本文介绍了基于变频空调的新能源有轨电车动力电池热管理控制研究，提出了一种多温融合计算空调压缩机频率，配合通风机和冷凝风机的调速控制，将电池箱温度控制于动态温度区间内的方法。

　　(1)通过将环境温度引入计算提高空调的运行效率，同时采取温度区间控制法降低空调制冷/制热运行时间，可有效降低空调的运行能耗。实验数据表明，与不考虑环境温度因素方法相比可降低约 4%的能耗。

　　(2)通过将电池温度引入计算过程，并以回风温度的变化趋势动态调整控温区间，提高了热管理系统空调在热负荷增加时的响应速度。对比实验中降低电池最高温度近 2℃，有效降低了电池热失控的危险、优化电池工况。所述控制方法兼顾系统快速响应与降低能耗，计算过程简单、易于实现，在有轨电车动力电池热管理中取得了较好的控制效果。研制的产品已在所述新能源有轨电车上装车并完成了整车调试及试运行，热管理系统满足了动力电池箱的实际运用需求。

　　参 考 文 献

　　[1] 吴克麟. 基于空调系统的交变式电池热管理系统性能研究[D]. 北京:北京理工大学,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] 赵国柱,招晓荷,徐晓明,等. 基于最小能耗的动力电池风冷控制策略[J]. 储能科学与技术,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] 罗宗鸿. 电动汽车电池热特性及电池组风冷散热研究[D]. 南昌:南昌航空大学,2018.

　　作者：吕艳宗 1，韩冰 1，王宏宇 1，徐杨非 2，张星 2

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