基于空調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、充放電時發熱量大，一般需要配置各種形式的散熱裝置。采用變頻空調設計電池箱的熱管理系統，其熱泵功能在高溫或低溫環境時可將箱內溫度控制在合理范圍之內。一種適用于此熱管理系統空調的多溫融合溫區控制方法，主要包括壓縮機頻率計算和動態溫度區間控制兩方面。用環境溫度和電池溫度修正回風溫度，兼顧提高空調運行效率和響應速度，并以修正后的溫度參數參與計算壓縮機頻率。箱內溫度控制為較寬范圍的溫度區間，并以回風溫度的變化趨勢動態調整區間范圍，減少空調制冷/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速控制方法。對應用此方法的電池箱(及空調)進行實驗測試，空調能耗下降約 4%，電池最高溫度降低近 2℃。結果表明，所述方法既實現電池箱溫度調控需求、優化電池環境，又降低熱管理系統的運行能耗。應用所述熱管理系統的動力電池箱經過試驗考核后已裝車運用。

　　關鍵詞：電池熱管理;多溫融合;動態溫區;變頻空調

　　新能源有軌電車運行在弓網供電區和無網區時，其動力電池充、放電變化較快，峰值電流大，會產生較大的熱量，且具有間歇性的特點。熱量傳遞也具有其自身的特點：發熱源是電池芯體，而熱量由電池芯體向模組表面傳遞，再由模組表面向箱內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，而且高溫或低溫環境也會造成電池性能、壽命的下降，因此需要設計熱管理系統對電池溫度進行調節，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用環境受限太大已逐漸淘汰，其它方式則各具優點、仍持續研究與應用。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構，進行數值模擬并分析研究結果;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。采用空調技術實現電池熱管理也是一種常見形式，其通過內、外隔絕通風循環及熱交換實現熱管理功能，具有較高效率，且易于實現 IP67 防護等級設計。本文針對某新能源有軌電車動力電池箱設計基于空調的熱管理系統，并根據應用特點提出了一種基于多溫融合的溫區控制策略。

　　1 基于空調的電池箱熱管理系統

　　采用空調技術設計電池熱管理系統時需注意一個應用特點：在冬季低溫環境時，只要列車運行則動力電池也會產生大量的熱量，這就需要空調具有超低溫制冷能力。而車輛在冬季冷車啟動時，低溫環境也會影響電池性能，空調還應具有制熱功能對電池進行預加熱。

　　該有軌電車動力電池箱的額定熱負荷為 5.5kW，空調換熱系統按照額定 6.5kW 進行設計，保證極端高溫天氣時仍具有快速降溫能力;而且多數時間為降額使用，提高了系統的可靠性。針對超低溫制冷能力的需求，換熱系統在冷凝器兩端并聯設計兩級旁通閥，根據外環境溫度(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計提供大范圍可變冷凝風量。經過試驗驗證，系統可在-5℃環境溫度時正常制冷。

　　熱泵型換熱系統可在冬季大多數環境溫度(> -10℃)時以較高能效比提供制熱功能。同時，為應對極端低溫天氣，在空調中設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加熱。受空間尺寸限制，將通風機布置在空調內部時風道較難設計，造成風阻增加，降低了通風機運行效率。為此將通風機設置在相對于空調機組的電池箱內遠端位置，以此減小了箱內空氣循環阻力、改善風場分布、提高風機效率[8]。

　　2 電池熱管理系統的控制

　　基于空調的電池熱管理系統的控制主要是對變頻空調的控制(包括電池箱內的通風機)。傳統方法一般以回風溫度和目標溫度的溫差進行空調控制，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，若僅以傳統空調控制方式為電池散熱，則空調響應嚴重滯后，會導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間，與傳統點式控溫方式也有區別。針對動力電池的熱負荷特性，在傳統變頻空調控制策略的基礎上進行算法改進，形成了一種適合電池箱溫度調控的基于多溫融合的溫區控制方法。文中描述以制冷工況進行說明，對于熱泵及 PTC 加熱，與傳統空調控制方式類似，在此不再詳述。

　　2.1 基于多溫融合的溫區控制方法概述

　　熱管理系統變頻空調對箱內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溫度參數進行溫區控制，主要內容包括：第一步，空調采集回風溫度、電池溫度和環境溫度，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，根據實際應用電池的允許工作溫度范圍，并結合回風溫度的變化趨勢，對電池箱溫度進行動態區間式控制，并根據區間計算壓縮機頻率。第三步，在確定了壓縮機運行頻率的基礎上，對空調通風機和冷凝風機進行變風量控制，使空調換熱系統始終運行在最佳狀態。

　　2.2 確定計算溫度

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

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

　　(2)根據電池溫度 ba調整一次計算溫度 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。為及時響應電池溫度的快速變化，消除電池溫度由芯體向表面傳遞、通風循環溫度傳遞的時間延遲，提高變頻空調的響應速度，將電池溫度引入變頻空調壓縮機頻率的計算中，當電池溫度上升時即時調高壓縮機頻率，而不必等待回風溫度上升。

　　2.3 基于溫區控制的壓縮機頻率

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

　　2.4 溫度區間的動態調整

　　在實際應用中，由于電池充放電時間不確定(熱負荷不確定)，以及外界環境溫度的不可預知性，以固定的溫度分界點進行分區時可能會出現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，以固定分區計算出的壓縮機頻率輸出的制冷量可能不足，導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在距通風機最近模組位置，約 29℃。

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

　　試驗中，送風溫度處于10~13℃之間，箱內空氣最高溫度點出現在靠近通風機的底部測點，為 28.8℃;與仿真對應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略低，因此可以認為實驗數據與仿真結果基本吻合。實驗中還監測到電池模組內部溫度最高為 36.1℃，體現出由內部到表面的溫度梯度及溫度傳遞的滯后性。

　　4 結論

　　本文介紹了基于變頻空調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壓縮機頻率，配合通風機和冷凝風機的調速控制，將電池箱溫度控制于動態溫度區間內的方法。

　　(1)通過將環境溫度引入計算提高空調的運行效率，同時采取溫度區間控制法降低空調制冷/制熱運行時間，可有效降低空調的運行能耗。實驗數據表明，與不考慮環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調整控溫區間，提高了熱管理系統空調在熱負荷增加時的響應速度。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、優化電池工況。所述控制方法兼顧系統快速響應與降低能耗，計算過程簡單、易于實現，在有軌電車動力電池熱管理中取得了較好的控制效果。研制的產品已在所述新能源有軌電車上裝車并完成了整車調試及試運行，熱管理系統滿足了動力電池箱的實際運用需求。

　　參 考 文 獻

　　[1] 吳克麟. 基于空調系統的交變式電池熱管理系統性能研究[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,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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