基于模糊層次分析法的純電動汽車冷卻系統(tǒng)的研究＊

陳一帆 龍澤鏈 林明松

（廣西交通職業(yè)技術學院，南寧 530004）

主題詞：純電動汽車 高壓電池 冷卻系統(tǒng) 模糊層次法

0 引言

隨著近年來新能源汽車快速發(fā)展，我國純電動汽車的保有量迅速增加，而純電動汽車所存在的問題也逐年顯現(xiàn)，特別是高壓電池自燃和冬夏兩季續(xù)駛里程劇降等問題，嚴重影響消費者對新能源汽車的看法。以純電動汽車為例，從消費者的角度來說，汽車的使用壽命、能耗和安全性是純電動汽車擁有者最關心的問題，而高壓電池的使用壽命是當前限制其發(fā)展的主要問題之一。從冷卻系統(tǒng)的角度來說，純電動汽車的高壓電池主要有水冷型、風冷型、相變材料和多種冷卻方式混合的混合型冷卻系統(tǒng)。這些冷卻系統(tǒng)的溫度控制能力、系統(tǒng)價格、系統(tǒng)質(zhì)量、能耗、安全性能等方面各有優(yōu)劣勢。從汽車廠商和消費者的角度來說，最佳的設計和系統(tǒng)選擇分別成為當前純電動汽車的設計、制造和購買的重要依據(jù)[1]。

由于汽車工作環(huán)境惡劣多變，解決高壓電池的使用壽命問題、能耗問題和安全問題的主要辦法除了開發(fā)高性能材料外，最重要的是開發(fā)高性能的冷卻系統(tǒng)，保證高壓電池工作環(huán)境的穩(wěn)定性和適宜性。防止因為惡劣的工作環(huán)境導致電池組早衰、能耗增大、內(nèi)阻增大隨之導致高壓電池充放電性能下降和電池過熱甚至高壓電池自燃等問題。因此，設計一款高效安全、廉價易保養(yǎng)的純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)顯得尤為重要[1-2]。

通過引入數(shù)學分析方法：模糊層次法，從溫度控制能力、系統(tǒng)價格、系統(tǒng)質(zhì)量、能耗、安全性能等方面對純電動汽車的冷卻系統(tǒng)進行分析，然后設計了一款全新的新能源汽車冷卻系統(tǒng)，并通過試驗驗證。該研究將現(xiàn)代的數(shù)理方法，應用于高壓電池冷卻系統(tǒng)的優(yōu)選設計，為汽車結構設計選型提供了新的思路。

1 純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的工作機理

純電動汽車的高壓電池冷卻系統(tǒng)的主要作用是保證高壓電池系統(tǒng)溫度在適宜的范圍內(nèi)工作，防止高壓電池系統(tǒng)由于溫度過高出現(xiàn)效能降低、使用壽命下降或者起火的危險，或者出現(xiàn)因溫度過低導致充放電效能下降、鋰離子穿刺短路等危險。通常高壓電池的最佳溫度在10 ℃～30 ℃之間。而從外在的使用環(huán)境溫度來看，環(huán)境溫度主要影響高壓電池的內(nèi)阻、電容量、電池正負極和隔膜材料反應等。電池內(nèi)阻的變化直接影響高壓電池的自放熱量，高壓電池的內(nèi)阻變化主要受電池的工作溫度和電池荷電狀態(tài)（SOC）等方面的影響，通常高壓電池內(nèi)阻會隨著環(huán)境溫度的增大而降低，隨著電池荷電狀態(tài)值降低而增大。高壓電池的電容量則是直接影響純電動汽車續(xù)駛里程和使用壽命的重要參數(shù)。而電容量也受到環(huán)境溫度的影響，通常隨著溫度越高，高壓電池的電容量越大。過低的工作環(huán)境溫度，會導致高壓電池電容劇減，從而導致續(xù)駛里程劇降，長期在低溫環(huán)境下工作甚至會導致高壓電池循環(huán)使用壽命劇降。此外過低的環(huán)境溫度還會導致高壓鋰電池內(nèi)部出現(xiàn)內(nèi)部鋰穿刺甚至出現(xiàn)短路自燃等危險。過高的環(huán)境溫度同樣會嚴重影響高壓電池的使用性能和安全性能，如使用壽命下降、溫度失控、自燃的危害[1-4]。

純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的設計需要考慮高壓電池在低溫環(huán)境下的加熱、高溫環(huán)境下的放熱和高壓電池系統(tǒng)工作過程中的產(chǎn)熱之間的平衡，保證高壓電池一直在最佳工作溫度下工作。為此首先需要了解環(huán)境溫度的變化和高壓電池工作過程的產(chǎn)熱。從環(huán)境溫度的角度來說，本文選取了我國東部的上海、西部的烏魯木齊、南部的廣州、北部的哈爾濱和中部的武漢5個城市為例進行分析。圖1為我國部分主要城市的主要環(huán)境的溫度特點。由圖1可以看出，所選的5個城市各地溫度特點區(qū)別較大，夏季最高溫度通常在30 ℃左右，冬季最低可以達到近-30 ℃。而純電動汽車的高壓電池無論是鎳氫電池還是鋰電池，通常最佳溫度在10 ℃～30 ℃以內(nèi)。因此，在夏天氣溫炎熱時，純電動汽車高壓電池的熱管理方法主要考慮將電池及其控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的內(nèi)熱傳遞出去，而冬天主要關注高壓電池的保溫和加熱的功能。

圖1 我國部分城市的環(huán)境的最高/最低溫度

2 純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的種類及特性分析

2.1 純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的種類特點

純電動汽車的高壓電池冷卻系統(tǒng)按照結構可以分為自然控制和內(nèi)風道強制控制2種形式。按照傳熱介質(zhì)的不同主要可以分為：風冷熱型高壓電池冷卻系統(tǒng)、液冷熱型高壓電池冷卻系統(tǒng)、相變材料型高壓電池冷卻系統(tǒng)和混合型高壓電池冷卻系統(tǒng)。為了提高高壓電池冷卻系統(tǒng)的工作效能，帥令、李甜甜、李仁政和呂山等人針對各種類型的冷卻系統(tǒng)進行了針對性的研究和優(yōu)化分析[5-8]。

風冷熱型高壓電池液冷熱型管理系統(tǒng)主要通過風機將冷卻后的空氣送入電池箱內(nèi)部風道，將熱量帶走，以此達到散熱目的，部分車型還采用電池外部自然流動空氣以實現(xiàn)冷卻的目的。風冷熱型高壓電池冷卻系統(tǒng)的結構主要由風道、加熱器、控制電路組成，在結構、質(zhì)量、成本低、維護保養(yǎng)、有害氣體帶出方面具有較大的優(yōu)勢，其劣勢主要存在于在溫度控制均衡能力、可靠性方面[5-8]。

液冷熱型高壓電池冷卻系統(tǒng)主要通過制冷劑流過電池箱內(nèi)部的換熱管吸收或者釋放熱量，實現(xiàn)對高壓電池系統(tǒng)的溫度控制目的。液冷熱型高壓電池冷卻系統(tǒng)主要由制冷劑、冷卻管路、壓縮機、膨脹閥、干燥器部分組成。液冷型電池冷卻系統(tǒng)相對于風冷熱型高壓電池冷卻系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于冷卻效率高、控制精度高、環(huán)境適應能力強、結構緊湊、溫度控制均衡能力強，劣勢主要在于成本較高、機構相對復雜、質(zhì)量大、維護保養(yǎng)成本高、維修困難方面[5-8]。

相變材料高壓電池冷卻系統(tǒng)主要是通過在電池組箱體中填充大量相變材料，將各電池單體均勻包裹，通過相變材料在相變過程中吸收、釋放熱量，保證高壓電池的溫度的穩(wěn)定性[5-8]。

而混合型高壓電池冷卻系統(tǒng)通常是由液冷熱型、風冷熱型或者相變材料型高壓電池冷卻系統(tǒng)的2種組合而成，結合了2種冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢，相互補充，因此管理效果最好，但是存在系統(tǒng)結構復雜、造價較高、維護困難缺點[5-8]。

2.2 純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的特性分析

從用戶、企業(yè)等角度來說，純電動汽車的高壓電池冷卻系統(tǒng)主要目的在于簡單且持久、安全、高效、穩(wěn)定地保持純電動汽車的高壓電池工作溫度的穩(wěn)定性同時兼顧價格、保養(yǎng)方面的性能。因此，評價純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的主要標準為管理系統(tǒng)的冷卻能力、加熱能力、溫度均衡能力、系統(tǒng)質(zhì)量、系統(tǒng)體積、系統(tǒng)造價、能量消耗、安全可靠性能、維護保養(yǎng)的便捷性。

基于當前的技術條件，冷卻和加熱能力效果最佳的為混合型冷卻系統(tǒng)，其次是液冷熱型，相變型最差。而從溫度均衡能力的角度來說混合型、相變型冷卻系統(tǒng)和液冷熱型效果要優(yōu)于風冷熱型。從系統(tǒng)質(zhì)量的角度來說，風冷熱型和相變型冷卻系統(tǒng)最優(yōu)，混合型最差。從體積的方面來說相變型冷卻系統(tǒng)最佳，混合型和風冷型最差。從系統(tǒng)造價的角度來說，風冷熱型冷卻系統(tǒng)和相變型造價最低、混合型型造價最高。從能耗的角度來說，相變型冷卻系統(tǒng)最佳其次是風冷熱型，液冷熱型最差。從安全可靠性能的角度來說，由于當前相變型冷卻系統(tǒng)采用的相變材料通常有石蠟、溶膠等物質(zhì)，具有一定的可燃性且可持續(xù)性差，因此安全性最差，其次是風冷熱型和混合型，最好的是液冷熱型冷卻系統(tǒng)。而從維護保養(yǎng)的角度來說，風冷型維護保養(yǎng)最為方便，混合型維護保養(yǎng)成本最高[5-10]。

3 基于模糊層次分析法的高壓電池冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化分析

從當前的技術條件和應用等角度來說風冷熱型、液冷熱型、相變材料型和混合型高壓電池冷卻系統(tǒng)各有優(yōu)劣勢，而選取合適的高壓電池冷卻系統(tǒng)對于消費者、企業(yè)都有非常重要的意義。因此，高壓電池冷卻系統(tǒng)方法設計的優(yōu)選，有著非常重要的意義，為此，本文應用了一種現(xiàn)代數(shù)理分析方法“模糊層次分析法”，對高壓電池冷卻系統(tǒng)進行分析。

模糊層次分析法是一種數(shù)理優(yōu)選方法，廣泛應用于復雜系統(tǒng)的優(yōu)選過程。通過模糊層次分析法，可以高效地從多個角度針對高壓電池冷卻系統(tǒng)的多種方案中優(yōu)選出綜合性能最佳的電池冷卻系統(tǒng)設計方案。通過模糊層次法對電池冷卻系統(tǒng)的方案進行優(yōu)選，主要分為6步完成[11]。

第1 步：確定優(yōu)選過程的評價因素和評價因子。若要實現(xiàn)對各種類的電池冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)劣分析，首先需要確定影響電池冷卻系統(tǒng)的因數(shù)，而評價的標準則在于評價因子的確定。論文主要針對電池冷卻系統(tǒng)的冷卻能力和加熱能力等9個因素進行分析，而對每一個因素的特點進行對比時，分為優(yōu)、良、差3種評價，評價因子分別賦值為9、7和3[11]。

第2 步：確定評價的權值。模糊層次法進行優(yōu)選分析的時候，是基于需要對每一種類型的電池冷卻系統(tǒng)進行權值確定，也就是在橫向?qū)Ρ鹊幕A上進行綜合測評[11]。因此，在評價因數(shù)和評價因子確定后，需要對每一種電池冷卻系統(tǒng)的每一個評價因素按權值進行確定。

第3 步：基于模糊集合變換的原理，同時根據(jù)評價因素和因子構建模糊矩陣。用模糊判斷矩陣的形式來表達結構模型中各層中的每一個因素，以及在上一層中各個因素的重要程度。矩陣中各元素按照下述方法確定：前一個對比因素優(yōu)于后一個對比因素，元素取值為1；前后對比因素優(yōu)劣相同，元素取值為0.5；前一個對比因素劣于后一個對比因素，元素取值為0[11]。

第4步：利用多層的復合矩陣運算，計算評價對象的等級，最終實現(xiàn)優(yōu)選目的。將第3步中的模糊矩陣轉化為模糊一致矩陣。首先對模糊矩陣F=（fij）n×n按行求和，記為同時，由數(shù)學變換建立模糊一致矩陣。

第5 步：確定純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)選擇的層次單排序，得出各指標的權重，權重的計算公式為：

式中m為矩陣的階數(shù)。

第6 步：確定純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)選擇的總排序，選擇出最佳設計方案。

3.1 高壓電池冷卻系統(tǒng)的定量分析

基于模糊層次分析方法對純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)選設計，其基本步驟如下。

第1 步：確認純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)優(yōu)選過程所考察的冷卻能力、加熱能力、溫度均衡能力、特征性能、系統(tǒng)質(zhì)量、系統(tǒng)體積、系統(tǒng)造價、能耗、安全性能、維護保養(yǎng)性能情況，對熱管理的定性問題進行定量化處理；

第2步：其中優(yōu)秀—9分，良—7分，差—3分；

第3 步：根據(jù)各種純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的特征以及純電動汽車對于高壓電池冷卻系統(tǒng)的要求，對各種熱管理形式的定性問題進行定量化處理，結果如表1所示[5-13]。

表1 各種純電動汽車對于高壓電池冷卻系統(tǒng)的部分指標特點

3.2 純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的模糊層次結構模型建立

對純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的優(yōu)選建立模糊層次結構，并利用模糊層次分析法，基于所考查的9個特征，針對4種方法進行優(yōu)選，建立的模糊層次模型由圖2所示。

圖2 模糊層次模型

3.3 純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的模糊判斷矩陣建立

根據(jù)模糊層次法的原則以及純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的特點，評價電池冷卻系統(tǒng)的指標性能的重要性依次為安全性能＞冷卻能力＞加熱能力＞系統(tǒng)造價＞維護保養(yǎng)性能＞溫度均衡能力＞能量消耗＞系統(tǒng)質(zhì)量＞系統(tǒng)體積，并建立模糊判斷矩陣F。

再由表1各種純電動汽車對于高壓電池冷卻系統(tǒng)的部分指標特點，建立準則層到方案層的模糊矩陣F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8和F9為式（1）～式（9）。

3.4 純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的優(yōu)選建立模糊一致矩陣

將模糊矩陣F轉化為模糊一致矩陣R：

將模糊矩陣式（1）～式（9）轉化為模糊一致矩陣（10）～式（18）。

3.5 建立純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的優(yōu)選的層次單排序

計算得R的權重矩陣W(19)和矩陣（10）～式（18）的權重矩陣（20）～（28）。

3.6 建立純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的優(yōu)選的層次總排序

為了對純電動汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的優(yōu)選進行綜合評價，建立層次總排序(29)。

最后根據(jù)計算結果顯示，綜合考慮冷卻能力、加熱能力、安全性能和經(jīng)濟性能方面的因素，在當前條件下，純電動汽車的冷卻系統(tǒng)以混合型冷卻系統(tǒng)最佳，然后依次是相變型液冷型和風冷型冷卻系統(tǒng)。

4 總結

首先通過研究發(fā)現(xiàn)當前純電動汽車的高壓電池事故已經(jīng)成為了當前影響純電動汽車的發(fā)展的主要影響因素之一。為了提升純電動汽車的市場接受度、為純電動汽車冷卻系統(tǒng)的設計提供思路，從純電動汽車的使用環(huán)境和高壓電池的熱特性角度出發(fā)，分析了當前主要的純電動汽車的冷卻系統(tǒng)的種類、特點、使用特性和環(huán)境特性。通過使用模糊層次法，從冷卻能力、加熱能力、溫度均衡能力、特征性能、系統(tǒng)質(zhì)量、系統(tǒng)體積、系統(tǒng)造價、能耗、安全性能、維護保養(yǎng)性能角度對當前的純電動汽車的高壓電池冷卻系統(tǒng)進行了優(yōu)化分析。發(fā)現(xiàn)純電動汽車的冷卻系統(tǒng)的選擇，以混合型冷卻系統(tǒng)效果最佳，然后依次是相變型、液冷型和風冷型冷卻系統(tǒng)。