电动客车动力电池热管理液冷循环系统设计

程云云， 张静静， 张汕姗

(中国恒天江西凯马百路佳客车有限公司， 南昌 330013)

作为电动客车重要组成部分的电池热管理系统时刻扮演着电池“保姆”的角色，保证动力电池使用性能、安全性和寿命。本文根据实际的开发设计经验，从动力电池热管理液冷循环系统总体设计、总流阻计算、水泵的选型、排气设计等方面进行综合阐述。

1 液冷式电池热管理系统介绍

电池热管理系统的作用是保障电池在使用过程中一直处于最佳的温度区间。锂离子电池的最佳工作温度范围是20～40 ℃,超出该范围会导致电池的性能严重下降，甚至引发安全事故。

电池热管理系统可以实现充电加热和制冷、行车加热和制冷、驻车加热和制冷、故障诊断与保护、电池系统热失控保护等功能。

采用液冷式电池热管理方式具有导热系数高、冷却速度较快、能产生较好的散热效果等优点,因此得到广泛应用。液冷式电池热管理系统的外部冷却机组可分为集成式和独立式。

1) 集成式是在乘员空调系统上并联板式换热器，将从冷凝器出来的制冷剂分成两路，一路经主膨胀阀进入蒸发器，冷却车内空气；另一路经副膨胀阀进入板换后冷却电池冷却液；最后汇合回到压缩机形成制冷剂循环。原理如图1所示。

图1 集成液冷式电池热管理系统原理图

2) 独立式是单独的电池制冷机组，包含制冷系统(压缩机、冷凝器、板换)和冷却液的循环系统部件(膨胀水箱、水泵、排气管等)，根据需要可以增加PTC加热功能。原理如图2所示。

图2 独立液冷式电池热管理系统原理图

目前独立液冷式电池热管理系统在整车布置可以分为顶置式和内置式两种。顶置式的优点是装配空间大，管路弯曲少，流经各个电池箱水流量的一致性好，有利于将电池温差控制在要求的范围内。缺点是增加了顶盖骨架和侧围骨架的负荷,对车身骨架强度要求更高;提高了整车的重心,对车辆稳定性有一定影响。内置式的优点是车辆外形美观，不影响空调顶机和天窗的布置等。缺点是水路需要穿过底架,不可避免地会造成冷却水管路高度不一致,产生额外的阻力和降低经各个电池箱水流量的一致性,如布置不当非常容易造成电池温差。

2 电池液冷循环系统设计

2.1 总体设计

电池数量越多其冷却循环的管路连接越复杂，对于多组电池的冷却，为了减小不同电池内部温差，流经电池箱的水路要尽量采用并联方式，且单一支路最多不超过 3 箱电池。同时通过系统各部件的流阻与水泵的流量特性曲线进行匹配，确定各管路是否满足流量要求。

如某8 m纯电客车，配6个电池箱，可以有两种管路连接方式：方式1分2个并联支路，每个并联支路串联3箱电池；方式2分3个并联支路，每个并联支路串联2箱电池。当每个电池组并联支路流量要求为10 L/min时，方式1的总流量要求为20 L/min，方式2的总流量为30 L/min。

2.2 总流阻计算

电池液冷系统总流阻主要包括：①电池流阻，即电池内部冷却液流通管道的流阻；②板换流阻，即板式换热器内部管道的流阻；③管路流阻，即电池液冷系统中所有管路中的流阻。简单的管路流阻为沿程损失和局部损失之和，可按式(1)计算：

(1)

式中：为管长；为管内径；为断面平均速度；为重力加速度；为沿程阻力系数，对光滑金属管取=75，对橡胶管取=80；为局部阻力系数，只有少数情况可以根据理论推导出，大多数情况根据试验获得。

某8 m车型电池液冷系统的两种连接方式的总流阻见表1。其中：单箱电池流阻根据厂家提供的实测数据为30 kPa；板换流阻根据厂家提供的实测数为在流量20 L/min时是12 kPa，在流量30 L/min时是24 kPa；管路流阻是根据试验获得，在流量20 L/min时是43 kPa，在流量30 L/min时是54 kPa。

表1 流阻汇总表

2.3 水泵选型

水泵选型需要根据循环系统的流量要求，确定水泵在该流量下的扬程是否大于系统的总流阻。如某款额定功率180 W的无刷水泵，其流量与扬程关系曲线如图3所示，流量为20 L/min时扬程为17 m(166.6 kPa)，大于计算的系统总流阻145 kPa；流量在30 L/min时扬程为15 m(147 kPa)，大于计算的系统总流阻138 kPa，所以该水泵满足流量要求。

图3 水泵性能曲线图

3 电池液冷循环系统排气设计

电池液冷循环系统必须合理设计排气，才能保证系统加注和运行时空气能有效地排出。常用的排气设计有图4中的两种方式。方式1是在高于系统最高液面位置处布置膨胀水箱，并在管路高处和水泵入口前布置排气罐连接到膨胀水箱。方式2是在高于系统最高液面位置处布置膨胀水箱，并将其串联到循环系统中，水箱出口连接水泵入口。

对比两种排气设计方式，方式2不用单独布置排气罐，连接简单，排气效果好。但该方式因膨胀水箱参与冷却循环，水箱表面需做好保温处理，防止与外界空气进行热传递。

4 结束语

在电池热管理液冷循环系统设计时，首先需要对不同电池组管路连接方式进行匹配计算，在满足流量要求时，优先采用多并联少串联的连接方式，使电池组间的温差更小、流量更均匀；其次合理设计排气方式，保证系统加注和正常运行，并对参与循环的各部件进行保温处理。