摘要：介紹電動客車常見的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理，為電動客車電池?zé)峁芾淼脑O(shè)計提供參考。

動力電池性能對電動客車的性能有著重要影響，而動力電池的工作溫度與其性能密切相關(guān)，同時也影響著動力電池的壽命和安全性。因此，動力電池的熱管理系統(tǒng)也非常重要。

動力電池的熱管理包括高溫時對其冷卻和低溫時對其加熱。

常見的動力電池冷卻方式主要有自然風(fēng)冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷、液冷和冷媒直冷。其中強(qiáng)迫風(fēng)冷是直接將車內(nèi)的空調(diào)風(fēng)、自然風(fēng)或車外對流風(fēng)引入電池安裝艙對電池包進(jìn)行冷卻；液冷是用空調(diào)出風(fēng)或單獨(dú)制冷設(shè)備的冷媒降溫冷卻液冷卻后進(jìn)入電池包內(nèi)的熱交換器對其中的電芯進(jìn)行熱傳導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)電池降溫的目的；冷媒直冷是直接將單獨(dú)制冷設(shè)備的冷媒引入電池包內(nèi)的熱交換器，對其中的電芯進(jìn)行熱傳導(dǎo)來給電池降溫。不同冷卻方式的對比如下：

1)自然風(fēng)冷方式的冷卻性能取決于外界環(huán)境，不占用空間，無需控制，無能耗，系統(tǒng)成本低，容易實(shí)現(xiàn)，工藝可靠性最高，涉水風(fēng)險低。

2)強(qiáng)迫風(fēng)冷方式的冷卻性能較差，系統(tǒng)體積最大，涉水風(fēng)險高，但重量較輕，容易控制，能耗低，系統(tǒng)成本相對較低，相對容易實(shí)現(xiàn)，工藝可靠性高。

3)液冷方式的冷卻性能較好，系統(tǒng)體積較小，控制原理成熟，難度中等相對容易實(shí)現(xiàn)，但該方式的系統(tǒng)重量較重，能耗高，系統(tǒng)成本最高，工藝可靠性一般，涉水風(fēng)險較高。此為行業(yè)目前普遍采用的冷卻方式。

4)冷媒直冷方式的冷卻性能最好，系統(tǒng)體積較小，重量較輕，能耗較低，系統(tǒng)成本中等，但控制原理困難，實(shí)現(xiàn)難度高，工藝可靠性較高，涉水風(fēng)險高。

目前冷媒直冷技術(shù)并不成熟，尚處于研究階段，未進(jìn)入工程實(shí)施階段。雖然冷媒直冷的換熱效率高，但是冷媒在電池包內(nèi)的蒸發(fā)通道中蒸發(fā)時各處溫度相差較大，電池溫度一致性較差，從而影響電池的充放電容量。另外客車電量大，電池包數(shù)量多，采用冷媒直冷的管路布置復(fù)雜且存在容易泄漏的風(fēng)險。

常見的動力電池加熱方式如下：

1)電池包內(nèi)部集成電加熱膜直接對電芯加熱。該加熱方式的效果取決于外界環(huán)境的溫度。環(huán)境溫度高于0 ℃時，采用電加熱膜加熱效果較好且不占用空間，無需控制，無能耗，系統(tǒng)成本低，容易實(shí)現(xiàn)；環(huán)境溫度低于0 ℃時，電加熱膜加熱效果較差，一般不采用此加熱方式。

2)在電池?zé)峁芾硭费h(huán)系統(tǒng)中串接電液體式加熱器對防凍液進(jìn)行加熱。該方式加熱效果好，系統(tǒng)體積較小，僅需要占用一部分空間，成本相對較高，但是控制原理成熟，工藝可靠性較高，相對容易實(shí)現(xiàn)，是目前最常用的電池加熱方式。

不管是冬天還是夏天，電池的正常工作溫度都是25 ℃±5 ℃,冬天需要通過電池?zé)峁芾碓O(shè)備加熱，加熱的目標(biāo)水溫為25 ℃±5 ℃；夏天需要通過電池?zé)峁芾碓O(shè)備降溫，降溫的目標(biāo)水溫也為25 ℃±5 ℃。下面介紹3種客車常用的液冷(熱)式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，這3種電池?zé)峁芾砭鶎儆诩訜崂鋮s一體式系統(tǒng)，根據(jù)純電客車使用及環(huán)境溫度要求，當(dāng)系統(tǒng)需要冷卻時，直接通過電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的換熱器對防凍液進(jìn)行降溫;當(dāng)系統(tǒng)需要加熱時，電池?zé)峁芾硭费h(huán)系統(tǒng)中串接的PTC電液體式加熱器對防凍液進(jìn)行加熱。

簡易機(jī)組包括板式換熱器、水泵、風(fēng)機(jī)、PTC電液體加熱器，其原理如圖1所示，其組成如圖2所示。

圖1 簡易機(jī)組系統(tǒng)原理圖

1-板式換熱器；2、5-電磁閥；3、4-水溫傳感器；6-PTC；7-風(fēng)機(jī)；8-控制器；9-水泵

圖2 簡易機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)簡易機(jī)組系統(tǒng)收到制冷信號時，電磁閥2打開，電磁閥5關(guān)閉，風(fēng)機(jī)和水泵開始工作，通過引風(fēng)管從空調(diào)風(fēng)道內(nèi)抽取冷空氣，冷空氣通過機(jī)組內(nèi)的板式換熱器與系統(tǒng)里的防凍液完成熱交換，然后通過水泵將防凍液送入電池內(nèi)部的換熱器中，從而達(dá)到降低電池溫度的目的。當(dāng)收到制熱信號后，電磁閥2關(guān)閉，電磁閥5打開，機(jī)組內(nèi)部的PTC電液體式加熱器和水泵開始工作，給系統(tǒng)里面的防凍液加熱，同制冷循環(huán)原理一樣，通過防凍液與電池內(nèi)部換熱板的熱交換達(dá)到使電池升溫的目的。

除了加熱和冷卻外，水冷機(jī)組一般還具有自循環(huán)功能，主要是為了解決電池內(nèi)部溫差過大的問題。當(dāng)收到BMS的自循環(huán)指令后，PTC電液體式加熱器和風(fēng)機(jī)均停止工作，水泵正常運(yùn)行，防凍液通道打開，水路自循環(huán)運(yùn)行，避免電池內(nèi)部溫差過大。

簡易機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單，價格相對低廉。但由于沒有獨(dú)立的制冷系統(tǒng)，需要從車廂抽取冷空氣來降低防凍液溫度，導(dǎo)致制冷量較小。另外，簡易機(jī)組也受到空調(diào)系統(tǒng)工作狀態(tài)的影響，使用具有局限性。

簡易機(jī)組的制冷能力較差，制冷功率較小(一般小于2 kW)，適用于采用電池充放電倍率較低的慢充電池的混合動力客車。

圖3為典型的非獨(dú)立機(jī)組的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)組成圖。其中：蒸發(fā)器1為空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)器，用于給車廂空氣降溫；蒸發(fā)器2為水冷機(jī)組蒸發(fā)器，冷卻水與制冷劑在此完成熱交換，通過降低防凍液的溫度來給電池降溫。兩個蒸發(fā)器總成處于并聯(lián)狀態(tài)，二者共用一套壓縮機(jī)、冷凝器、干燥瓶等部件，通過電磁閥1和電磁閥2分別控制兩路制冷劑的流通，同時利用膨脹閥1和膨脹閥2分別調(diào)節(jié)兩路制冷劑的流量大小。當(dāng)電池需要升溫時，電磁閥2關(guān)閉，水泵和PTC電液體式加熱器開始工作，防凍液被PTC加熱后送入電池內(nèi)部換熱器，給電池加熱。自循環(huán)模式時，電磁閥2關(guān)閉，PTC電液體式加熱器停止工作，水泵運(yùn)行，水路自循環(huán)運(yùn)行，避免電池內(nèi)部溫差過大。

圖3 非獨(dú)立機(jī)組系統(tǒng)原理圖

非獨(dú)立機(jī)組不需要單獨(dú)的制冷系統(tǒng)，可以降低熱管理設(shè)備的成本。但由于非獨(dú)立機(jī)組需要從空調(diào)系統(tǒng)分流一部分制冷劑，必然會對乘客區(qū)的制冷效果產(chǎn)生一定影響，同時也增大了空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷；另外，從空調(diào)系統(tǒng)到電池水冷機(jī)組之間過長的空調(diào)高低壓管路也不利于提高空調(diào)系統(tǒng)的能效比；最后，客車空調(diào)的冷凝器、蒸發(fā)器總成一般布置在車頂，這樣就限制了電池?zé)峁芾碓O(shè)備的安裝位置，例如，當(dāng)電池底置時，電池水冷機(jī)組和空調(diào)系統(tǒng)之間的高低壓管路連接會比較困難。

實(shí)際上，對于客車企業(yè)而言，每個車型的空調(diào)廠家和型號并不固定，導(dǎo)致水冷機(jī)組和空調(diào)的匹配比較困難，這也是限制非獨(dú)立機(jī)組使用的一個重要因素。此外，非獨(dú)立機(jī)組的制冷功率較大，一般適用于6 kW以上的場合。由于裝備非獨(dú)立機(jī)組電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的客車存在和整車制冷的需求沖突，導(dǎo)致控制邏輯較為復(fù)雜，適用于采用電池充放電倍率較高的快充電池的純電動客車。

獨(dú)立機(jī)組相當(dāng)于一個小型的純電動空調(diào)，具有一套獨(dú)立完整的制冷系統(tǒng)，圖4為獨(dú)立機(jī)組的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)原理圖。

圖4 獨(dú)立機(jī)組系統(tǒng)原理圖

電池?zé)峁芾愍?dú)立機(jī)組與普通空調(diào)的一個較大的差別在于蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)不同。普通空調(diào)蒸發(fā)器用于空調(diào)冷媒與空氣間的熱交換，但是獨(dú)立機(jī)組內(nèi)部蒸發(fā)器用于空調(diào)冷媒與防凍液之間的熱交換。這種特殊的熱交換器一般采用套管式結(jié)構(gòu)，換熱管道分為兩層，冷媒在內(nèi)層管道，冷卻水在外層管道，兩層管道之間分布一些翅片以增加換熱面積。獨(dú)立機(jī)組的蒸發(fā)器和冷凝器有一體式設(shè)計和分體式設(shè)計兩種形式。

獨(dú)立機(jī)組需要單獨(dú)的制冷系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)收到制冷信號時，風(fēng)機(jī)和水泵開始工作，制冷劑通過機(jī)組內(nèi)的板式換熱器與系統(tǒng)里的防凍液完成熱交換，然后通過水泵將防凍液送入電池內(nèi)部的換熱器中，從而達(dá)到降低電池溫度的目的。當(dāng)收到制熱信號后，機(jī)組內(nèi)部的PTC電液體式加熱器和水泵開始工作，給系統(tǒng)里面的防凍液加熱，同制冷循環(huán)原理一樣，通過防凍液與電池內(nèi)部換熱板的熱交換達(dá)到使電池升溫的目的。

獨(dú)立機(jī)組可以根據(jù)需要設(shè)計不同的功率，匹配相應(yīng)功率的壓縮機(jī)、蒸發(fā)器等部件，因此可以滿足不同制冷功率的需求，使用范圍更加廣泛。相較于非獨(dú)立機(jī)組，獨(dú)立機(jī)組對電池內(nèi)部溫度變化的響應(yīng)更迅速，不用考慮乘客區(qū)對空調(diào)制冷性能的要求，布置也相對靈活。

與非獨(dú)立機(jī)組系統(tǒng)相比，獨(dú)立機(jī)組多了一套單獨(dú)制冷用的壓縮機(jī)和冷凝器，成本較高。但因其為一個獨(dú)立系統(tǒng)，控制邏輯相比非獨(dú)立機(jī)組較為簡單。獨(dú)立機(jī)組系統(tǒng)的制冷能力可根據(jù)需要進(jìn)行選擇，一般在2 kW以上，適用于采用電池充放電倍率較高的快充電池的混合動力客車和純電動客車。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)作為電動客車的重要組成部分，有效地保證了動力電池的使用性能、安全性和壽命。因此，在實(shí)際設(shè)計過程中，充分了解電池?zé)嵯到y(tǒng)設(shè)備的結(jié)構(gòu)及工作原理非常重要。

作者：梁輝耀，馮還紅

廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司

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