動力電池簡易熱管理系統(tǒng)的研究

(1 盾安汽車熱管理科技有限公司 紹興312000； 2 浙江盾安機電科技有限公司 紹興312000)

動力電池是新能源電動汽車的重要儲能裝置及動力來源，直接影響整車的可靠性及安全性[1-2]。動力電池自身的散熱及發(fā)熱還不能使其在絕大多數(shù)環(huán)境中工作在較穩(wěn)定的狀態(tài)，因此，需要單獨設(shè)計動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)來進行熱管理，使其滿足低溫及高溫環(huán)境的使用要求[3-4]。動力電池進行熱管理的方式根據(jù)傳熱介質(zhì)的不同可分為4類[5-6]：空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻、基于制冷劑直接冷卻，相關(guān)學(xué)者對這4類方式進行了深入研究。

趙德華等[7]實驗研究了純電動汽車動力電池組風(fēng)冷空調(diào)系統(tǒng)，全面掌握電池組高溫環(huán)境中(35～45 ℃)及不同車速狀態(tài)下電池組溫度的控制策略，提供了一種新的解決方法。范興明等[8]采用ANSYS Workbench 15.0軟件對圓柱形磷酸鐵鋰26650電池建立了三維電化學(xué)-熱耦合模型，并進行熱分析，研究電動汽車用動力鋰離子電池在工作過程中產(chǎn)生的熱量影響電池的容量、壽命和安全等問題。楊金相等[9]針對混合動力商用客車設(shè)計了一種鋰離子電池包液冷系統(tǒng)，通過電池發(fā)熱功率和液冷板結(jié)構(gòu)計算出液冷系統(tǒng)的壓力及模組之間的溫差，該系統(tǒng)能夠?qū)㈦姵販囟瓤刂圃诤线m范圍內(nèi)。馮能蓮等[10]為提升動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的傳熱效果，研發(fā)了新型液冷動力電池模組，建立了新型液冷動力電池模組的冷卻/加熱系統(tǒng)實驗平臺，為后續(xù)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。張景濤等[11]針對某電動客車動力電池的冷卻問題，改進了一款新型液冷散熱系統(tǒng)，用ANSYS對該液冷散熱系統(tǒng)進行仿真分析并進行測試驗證，結(jié)果表明，該液冷系統(tǒng)對動力電池散熱的效果顯著。王彥紅等[12]介紹了近年來相變材料在動力電池?zé)峁芾矸矫娴膽?yīng)用研究進展，特別介紹了高導(dǎo)熱相變材料的研究進展及其實際應(yīng)用效果，并對未來該領(lǐng)域的發(fā)展方向進行了展望。張國慶等[13]使用石蠟/石墨相變復(fù)合材料設(shè)計了單體電池和電池組，進行了動力型鎳氫電池組散熱實驗。陳杰等[14]針對一款A(yù)0級PHEV乘用車設(shè)計一套600 W制冷量的冷卻機組，并制作樣機進行了實驗，結(jié)果表明熱力膨脹閥開度、壓縮機轉(zhuǎn)速、冷凝風(fēng)量均會影響系統(tǒng)的制冷性能，該研究成果有利于實現(xiàn)電池組結(jié)構(gòu)模塊化。馮永忠等[15]對寶馬i3純電動汽車的熱泵空調(diào)系統(tǒng)進行拆解，發(fā)現(xiàn)該車對電池的冷卻方式屬于直冷方式，能夠靈活、快速控制電池芯體的溫度。洪思慧等[16]提出開發(fā)超薄型熱管的冷卻技術(shù)，認(rèn)為熱管和相變材料耦合的熱管理技術(shù)將有效解決鋰離子電池的散熱與蓄熱問題。

本文針對某款插電混動大巴開發(fā)了一款水冷機組，該水冷機組通過抽取空調(diào)風(fēng)及PTC電加熱器冷卻或加熱從電池包流出的防凍液，從而對電池包進行熱管理，使其工作在合適的溫度范圍內(nèi)，提高動力電池的穩(wěn)定性及安全性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計需求

某款插電混合動力車采用2個電池包，總電量約為60 kW·h，電池包的最高放電倍率約為1.5 C，最高充電倍率約為2 C。該車所需的熱管理機組(以下簡稱機組)具有冷卻和加熱電池的功能，電池供應(yīng)商通過對電池包充放電時發(fā)熱量的測試設(shè)定設(shè)計性能目標(biāo)為：機組在環(huán)境溫度為35 ℃，進水溫度為32 ℃，進風(fēng)溫度為16 ℃，水泵體積流量為14 L/min時，機組制冷量≥2.5 kW；機組采用水暖加熱器(positive temperature coefficient，PTC)加熱，加熱功率為5 kW。

1.2 設(shè)計目標(biāo)

通過與整車廠及電池廠溝通，夏季動力電池?zé)嶝?fù)荷較大，通過引用空調(diào)風(fēng)冷卻低溫?fù)Q熱器中的防凍液，達到冷卻電池的目的；春秋兩季，動力電池的熱負(fù)荷較低，通過直接引用環(huán)境風(fēng)冷卻低溫?fù)Q熱器中的防凍液，對動力電池進行冷卻。夏季炎熱時，環(huán)境溫度>32 ℃，大巴空調(diào)開啟且出風(fēng)溫度為16～20 ℃，抽取空調(diào)風(fēng)滿足動力電池最大換熱量2.5 kW的要求；春秋兩季時，混合動力大巴的空調(diào)系統(tǒng)不會打開，此時環(huán)境溫度一般為20～32 ℃，2個電池包的熱負(fù)荷約為1 kW，通過抽取環(huán)境風(fēng)可滿足。冬季寒冷時，采用水暖加熱器對電池進行加熱。將客戶的需求進一步細化，機組性能設(shè)計目標(biāo)如表1所示，表中：Ttem為環(huán)境溫度，℃；Tin為機組進水溫度，℃；Twi為機組的進風(fēng)溫度，℃；L為水泵體積流量，L/min。

表1 設(shè)計目標(biāo)Tab.1 Design objectives

1.3 系統(tǒng)設(shè)計

圖1 動力電池簡易熱管理系統(tǒng)Fig.1 Therman monagement system

針對上述機組設(shè)計目標(biāo)，構(gòu)建了如圖1所示的動力電池簡易熱管理系統(tǒng)(thermal management system，TMS)(以下簡稱系統(tǒng))，該系統(tǒng)對防凍液(乙二醇∶水=1∶1)進行冷卻或加熱后，流入電池包，對電芯進行冷卻或者加熱。系統(tǒng)由水泵、水暖加熱器(PTC)、電磁水閥、換熱器、風(fēng)機等部件組成。系統(tǒng)設(shè)計了4種工作模式，分別為：待機模式、自循環(huán)模式、制冷模式、制熱模式。待機模式時，系統(tǒng)高壓電及低壓電都處于上電狀態(tài)，處于接收動力電池系統(tǒng)(battery management system, BMS)命令的狀態(tài)；自循環(huán)模式時，只有水泵開啟；制冷模式時，電子水泵開啟，風(fēng)機開啟，電磁水閥1處于關(guān)閉狀態(tài)，電磁水閥2處于開啟狀態(tài)；制熱模式時，電子水泵開啟，PTC開啟，電磁水閥2處于關(guān)閉狀態(tài)，電磁水閥1處于開啟狀態(tài)。BMS既不需要冷卻，也不需要加熱時，TMS處于待機模式。BMS的溫度過高時，給TMS發(fā)送制冷模式，TMS接收到命令后以制冷模式開始運行，此時，從電池包出來的溫度較高的水經(jīng)過電磁水閥2進入換熱器，通過風(fēng)扇抽取的空調(diào)風(fēng)或環(huán)境風(fēng)冷卻成低溫水后，依次經(jīng)過水管四通、電子水泵、PTC后，流入電池包，對電芯進行冷卻，當(dāng)BMS溫度降低后，TMS會接收到自循環(huán)模式，此時水泵運轉(zhuǎn)，電磁水閥1與2開啟。當(dāng)BMS溫度較低時，給TMS發(fā)送制熱模式，從電池包中出來的冷水，經(jīng)過電磁水閥1、水管四通、電子水泵進入PTC，在PTC中被加熱成高溫防凍水，然后進入電池包對電芯進行加熱，當(dāng)BMS達到需求溫度后，會接收TMS的指令進入自循環(huán)狀態(tài)，此時電磁水閥1和2均開啟。當(dāng)TMS開機時接收到自循環(huán)模式命令，電磁水閥1和電磁水閥2均處于開啟狀態(tài)。

1.4 控制架構(gòu)

BMS系統(tǒng)根據(jù)電池溫度判斷對模式的需求，然后給TMS發(fā)送相應(yīng)模式，使其進入相應(yīng)工作模式，BMS與TMS通信的時間間隔為500 ms，TMS工作的控制邏輯如圖2所示。無論在什么模式下，TMS需要切換模式或關(guān)機時，各部件都按照如下順序依次關(guān)閉：PTC關(guān)機至電流降為0后，風(fēng)機開始關(guān)機，風(fēng)機電流降為0后，水泵開始關(guān)機，水泵電流降為0后，水閥復(fù)位，然后系統(tǒng)關(guān)機或進入下一個工作模式。

圖2 控制邏輯圖Fig.2 Control logic diagram

1.5 零部件選型

各零部件的選型根據(jù)設(shè)計目標(biāo)進行。為了不影響大巴空調(diào)對乘員倉舒適性的影響，機組抽取的風(fēng)量≤2 200 m3/h，考慮到風(fēng)道的阻力，結(jié)合現(xiàn)有風(fēng)機型號，初步選用額定風(fēng)量為2 400 m3/h，功率<310 W的風(fēng)機，設(shè)計計算時取風(fēng)量為2 200 m3/h；水泵體積流量根據(jù)電池包的流量確定為14.2 L/min，根據(jù)系統(tǒng)零部件的阻力及電池包的阻力確定此時的揚程≥10 m，因此選定功率為120 W的電子水泵；低溫?fù)Q熱器在風(fēng)量為2 200 m3/h且水體積流量為14.2 L/min，進水溫度為32 ℃時，換熱量≥2.5 kW；水暖加熱器按照要求選擇額定功率為5 kW的型號即可；電池水閥具有全開和全關(guān)的功能，口徑直徑為20 mm；水溫傳感器精度達到0.5 ℃即可。各零部件基本參數(shù)如表2所示。

表2 零部件基本參數(shù)Tab.2 Basic paramenters of components

2 實驗與分析

基于上述設(shè)計及各零部件的選型，研制了樣機并在焓差實驗室及整車上對樣機性能進行測試。

2.1 實驗方案

機組結(jié)構(gòu)如圖3所示，有4個進風(fēng)口，在實際裝車的過程中，采用4根風(fēng)管從大巴空調(diào)的出風(fēng)口引風(fēng)，機組風(fēng)機安裝在機組的背面，風(fēng)經(jīng)過機組內(nèi)部的低溫?fù)Q熱器后，從背面排出。

圖3 機組結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of unit

制冷模式時，對機組影響較大的參數(shù)有機組進風(fēng)溫度T0(℃)，機組進水溫度T2(℃)。在焓差實驗室中，機組放置在室外側(cè)，機組通過風(fēng)管從室內(nèi)側(cè)引風(fēng)，T0變化范圍為16～36 ℃，間隔4 ℃，T2與出水口與焓差實驗的恒溫水箱相連，水溫在20～38 ℃之間變化。一共有21個工況，如表3所示，測試時室外側(cè)環(huán)境溫度調(diào)節(jié)為35 ℃，水體積流量調(diào)節(jié)為機組內(nèi)部水泵的額定流量14 L/min，風(fēng)機開度調(diào)節(jié)為額定開度85%。

制熱模式時，主要驗證水暖PTC的工作功率，驗證控制器給PTC發(fā)送各種功率值時，PTC是否按照指定功率值進行工作。

表3 制冷模式測試工況Tab.3 Test conditions of refrigerating mode

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

機組風(fēng)道的簡化橫截面結(jié)構(gòu)如圖4所示，機組進風(fēng)與出風(fēng)成90°，為了使機組進風(fēng)風(fēng)量在低溫?fù)Q熱器上分布較為均勻，在進風(fēng)口添加一導(dǎo)流板，倒流板與水平方向的夾角為α，采用FLUENT軟件對α進行優(yōu)化模擬，低溫?fù)Q熱器作為多孔介質(zhì)區(qū)域，基于低溫?fù)Q熱器廠家提供的低溫?fù)Q熱器阻力測試結(jié)果，進行二次多項式數(shù)據(jù)擬合，根據(jù)擬合得到的二次多項式前的系數(shù)和相關(guān)公式計算出換熱器方向的內(nèi)部阻力系數(shù)為104.23，黏性阻力系數(shù)為1.94×107。

圖4 進風(fēng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Air intake structure

圖5所示為導(dǎo)流板傾斜角度α為53°、63°、73°時低溫?fù)Q熱器表面的速度分布云圖，圖6所示為導(dǎo)流板傾斜角度α為53°、63°、73°時進風(fēng)口與低溫?fù)Q熱器形成的封閉區(qū)域(進風(fēng)區(qū)域)橫截面的速度分布云圖。3種情況下，低溫?fù)Q熱器進口表面的平均風(fēng)速分別為7.85、8.00、7.63 m/s，相差較小。由圖5可知，當(dāng)α=73°時，低溫?fù)Q熱器表面的速度分布較均勻，綜合低溫?fù)Q熱器進口表面風(fēng)速大小和速度分布的均勻性，α=73°的方案最優(yōu)。

圖5 低溫?fù)Q熱器表面的速度分布云圖Fig.5 Cloud map of velocity distribution on the surface of low temperature heat exchanger

圖6進風(fēng)區(qū)域速度分布云圖Fig.6 Cloud map of velocity distribution in inlet region

2.3 結(jié)果分析

低溫?fù)Q熱器選定后，先采用Dymola軟件在不同的工況下進行模擬計算得到其在不同工況下的換熱量，再到焓差實驗室中進行實驗，將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比，用于優(yōu)化后續(xù)設(shè)計。

2.3.1 模擬分析

采用Dymola軟件中的TLK模型庫，該模型庫中具有微通道換熱器部件，低溫?fù)Q熱器與微通道換熱器結(jié)構(gòu)相似，主要由集流管、扁管、翅片等組成。模擬分析時根據(jù)實際低溫?fù)Q熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)定扁管孔數(shù)為16個，孔直徑為1.5 mm，翅片采用默認(rèn)的翅片型式。模擬邊界條件為：進風(fēng)體積流量為22 00 m3/h，折算為質(zhì)量流量0.856 kg/s；進水體積流量為14 L/min，折算為質(zhì)量流量0.21 kg/s，作為Dymola輸入；進風(fēng)壓力及進水壓力設(shè)定為大氣壓力。

2.3.2 實驗分析

設(shè)計制作的樣品結(jié)構(gòu)實物如圖7所示。該樣品置于焓差實驗室中，機組上面的4個進風(fēng)口通過一個風(fēng)道連接到焓差實驗室的室內(nèi)側(cè)，室內(nèi)側(cè)模擬空調(diào)風(fēng)，測試時，整個機組置于焓差室的室外側(cè)。機組風(fēng)機為軸流吸風(fēng)風(fēng)機，從焓差室室內(nèi)側(cè)抽取的空氣依次經(jīng)過進風(fēng)口、低溫?fù)Q熱器、風(fēng)機、室外側(cè)環(huán)境。機組布置如圖8所示。

圖7 機組樣品Fig.7 Unit sample

圖8 機組布置 Fig.8 Unit arragement

模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比如圖9所示。由圖9可知，低溫?fù)Q熱器的模擬換熱量與實驗測試的換熱量相比要偏大一些，誤差<15%，產(chǎn)生誤差的原因是模擬時風(fēng)是垂直于低溫?fù)Q熱器的，而實驗時風(fēng)是經(jīng)過一個風(fēng)道后垂直于低溫?fù)Q熱器表面的，導(dǎo)致實際情況下低溫?fù)Q熱器的風(fēng)量因風(fēng)阻而有損失。

圖9 換熱量模擬及實驗結(jié)果Fig.9 The comparison between simulation results and test results of the heat exchange

當(dāng)機組進風(fēng)溫度一定時，機組進水溫度越高，機組換熱量越大。一般來說，電池包出水溫度(機組進水溫度)在28～36 ℃之間。當(dāng)機組進風(fēng)溫度為16 ℃(C1到C6工況)時，機組進水溫度(電池包的出水溫度)>28 ℃，此時機組整體換熱量為2.5～3.5 kW；當(dāng)進風(fēng)溫度為20 ℃(C7到C11工況)時，機組進水溫度>28 ℃，此時機組整體換熱量為2.0～3.0 kW；即夏季只要開啟空調(diào)，機組換熱量為2.0～3.5 kW。春秋兩季不太炎熱時，當(dāng)機組進風(fēng)溫度為24 ℃(C12到C16工況)，進水溫度(動力電池的出水溫度)在28～32 ℃之間變化時，機組換熱量約為1.5～2.5 kW；即使機組進風(fēng)溫度達到28 ℃甚至32 ℃時，機組換熱量依然約為1 kW，春秋兩季環(huán)境溫度較低，電池包的熱負(fù)荷較低，機組抽取環(huán)境風(fēng)也具有1.0～2.5 kW的換熱量。

所以該機組能制冷能力能夠滿足電池散熱量約為2.5 kW的電池包。

機組加熱能力取決于PTC水暖加熱器，其工作功率由TMS系統(tǒng)的控制器發(fā)送，為探究PTC水暖加熱器實際工作時功率的準(zhǔn)確性，采用上位機軟件分別給PTC水暖加熱器發(fā)送不同的功率值，從直流電源上得到PTC水暖加熱器工作時的電壓電流值，計算設(shè)定功率與實際功率的誤差，如表4所示，PTC水暖加熱器設(shè)定功率與實際功率之間的差異控制在±2%以內(nèi)。

表4 PTC的設(shè)定功率與實際功率Tab.4 Set power and actual power of PTC

3 系統(tǒng)裝車

機組安裝在某插電混動大巴上的照片如圖10所示。機組進風(fēng)口采用4根長約2 m的風(fēng)管從空調(diào)出風(fēng)口進行抽風(fēng)，考慮到風(fēng)管的阻力及彎曲(實際布管時有2個90°彎)會對機組風(fēng)量產(chǎn)生影響，從而影響機組的制冷能力，所以在整車上安裝好機組后，采用手持式風(fēng)速儀測量機組4個進風(fēng)口的風(fēng)速。

圖10 機組裝車照片F(xiàn)ig.10 Photos of unit loading

圖11 進風(fēng)口風(fēng)速隨風(fēng)機開度的變化Fig 11 The inlet wind speed changes with fan opening

圖12 不同風(fēng)量的換熱量模擬結(jié)果Fig.12 Simulation results of the heat exchange under different air volumes

機組4個進風(fēng)口的風(fēng)速隨風(fēng)機開度的變化如圖11所示。測試時風(fēng)速儀的探頭放置在每個進風(fēng)口的中心位置，數(shù)值穩(wěn)定后讀取，由圖11可知，在沒有安裝風(fēng)管的情況下，4個進風(fēng)口的風(fēng)速基本一致。

安裝風(fēng)管后對進風(fēng)口風(fēng)速確實有一定影響，當(dāng)風(fēng)機開度在85%以上時，風(fēng)速基本從15 m/s降至10 m/s，降低了約30%，風(fēng)量與風(fēng)速成正比，相應(yīng)風(fēng)量也會下降約30%，即風(fēng)量從原來的2 200 m3/h降至約1 600 m3/h。

采用Dymola軟件進行模擬，探究風(fēng)量減少對機組換熱性能的影響程度，模擬結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，風(fēng)量降低后，低溫?fù)Q熱器的換熱量降低，但還是滿足表1中的設(shè)計目標(biāo)。對比圖12與圖9可得，換熱量略有下降，但對照表1的設(shè)計目標(biāo)，依然滿足要求，所以只要抽風(fēng)風(fēng)道<2 m，風(fēng)道彎數(shù)量<2個90°彎時，機組均能滿足動力電池的制冷需求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計并研制了一種簡易動力電池?zé)峁芾頇C組，通過Dymola對其核心部件低溫?fù)Q熱器進行仿真，并在實驗室進行了性能測試，最后在某插電混動車上進行了裝車驗證測試。研究表明：

1)機組進風(fēng)口內(nèi)側(cè)采用73°的導(dǎo)流板，能夠使進風(fēng)口進來的風(fēng)較好的分布在低溫?fù)Q熱器表面。

2)設(shè)計的低溫?fù)Q熱器在環(huán)境溫度為35 ℃，進水溫度為32 ℃，進風(fēng)溫度為16 ℃，水泵體積流量為14 L/min時，機組制冷量接近3 kW，即使裝車后受風(fēng)管阻力的影響，該工況下的制冷量仍有2.5 kW，滿足設(shè)計要求。

3)機組在夏季及春秋兩季分別抽取空調(diào)風(fēng)及環(huán)境風(fēng)冷卻低溫?fù)Q熱器中的防凍水，能夠較好的匹配動力電池在不同環(huán)境下對冷卻能力的要求。

4)對比機組加熱模式時的設(shè)定功率與實際功率，誤差在±2%以內(nèi)。

5)機組裝車后在安裝風(fēng)管及不安裝風(fēng)管兩種情況下，4個進風(fēng)口風(fēng)速較為接近，且風(fēng)管長度<2 m，風(fēng)管90°彎數(shù)量<2個時，換熱量仍然滿足設(shè)計要求。