動(dòng)力電池直冷系統(tǒng)單/雙膨脹閥影響效應(yīng)分析

田鑫 王有鏜 趙沖 鄭斌 周鵬 李龍飛

摘要：本文提出了電動(dòng)汽車動(dòng)力電池直冷系統(tǒng)的兩種方案，一種為單膨脹閥，另一種為雙膨脹閥，并基于GT-SUITE軟件建立仿真模型。模擬了在環(huán)境溫度為30℃，車速為80 km/h 的工況下，這兩種方案的壓縮機(jī)功耗、電池組溫度、效能變化特性。結(jié)果表明，雙閥方案電池組冷卻速率為單閥方案的3倍，雙閥方案壓縮機(jī)功耗為單閥方案的1.7倍，兩種方案的制冷效能相差不大。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池;直冷系統(tǒng);熱力膨脹閥;壓縮機(jī)功耗;效能

中圖分類號(hào)：TM912 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）07-0049-03

0 ?引言

電動(dòng)汽車中動(dòng)力電池發(fā)揮重要的作用，電池的安全工作溫度為5-45℃，最佳工作溫度為20-35℃。動(dòng)力電池的溫度嚴(yán)重影響電池的使用性能及壽命[1]。當(dāng)溫度過高時(shí)，電池內(nèi)阻減小，消耗功率減小，當(dāng)溫度過低時(shí)，電池內(nèi)阻增大，可用容量減小，啟動(dòng)電流減小。所以要設(shè)計(jì)合理的電池?zé)峁芾砜刂葡到y(tǒng)來使電池在最佳的工作范圍工作。電池?zé)峁芾矸椒ㄖ饕校簭?qiáng)制風(fēng)冷、液冷、相變材料（phase change material，PCM）冷卻、熱管冷卻等[2]，不同的冷卻方式有著不同的散熱性能[3]。電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)的出現(xiàn)，使空調(diào)輔助電池冷卻直冷系統(tǒng)逐漸被認(rèn)可。

苑盟[4]針對(duì)直冷式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)工況熱性，分別探究壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、冷凝風(fēng)速以及電池模組散熱結(jié)構(gòu)的影響特性。辛乃龍[5]以純電動(dòng)汽車磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為研究對(duì)象，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和仿真相結(jié)合方法對(duì)電池組的生熱溫度場和散熱溫度場進(jìn)行研究。瞿曉華[6]對(duì)比分析電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)空調(diào)箱及控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與節(jié)能優(yōu)化。YOKOYAMA等[7]設(shè)計(jì)了一種與電機(jī)協(xié)同的空調(diào)系統(tǒng)熱管理方案，有效地利用電機(jī)余熱，降低空調(diào)負(fù)荷。Wang T[8]等研究了圓柱形鋰電池的排列方式、電池模塊中風(fēng)扇安裝位置、環(huán)境溫度對(duì)電池散熱的影響。目前，關(guān)于直冷系統(tǒng)的研究相對(duì)較少，缺乏對(duì)系統(tǒng)方案的對(duì)比研究。為此，本文針對(duì)直冷系統(tǒng)采用單膨脹閥和雙膨脹閥兩種方案，并通過GT-SUITE軟件建立仿真模型，比較和分析了兩種方案對(duì)功耗的影響、電池溫度的影響以及制動(dòng)效能的影響，為熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 ?動(dòng)力電池直冷系統(tǒng)模型

在駕駛艙內(nèi)，汽車空調(diào)系統(tǒng)的功能為通風(fēng)、冷卻和加熱。當(dāng)電池放電時(shí)，釋放熱量，電池溫度過高會(huì)造成安全隱患，因此這就要求冷卻系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行冷卻，空調(diào)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)這一功能[9]。純電動(dòng)汽車直冷系統(tǒng)的冷卻回路包括駕駛艙內(nèi)空氣循環(huán)回路和電池組冷卻回路，駕駛艙內(nèi)空氣循環(huán)回路為主要的冷卻回路，電池組冷卻回路為回路中一個(gè)冷卻分支。PID控制器調(diào)節(jié)制冷量，輸入為駕駛艙蒸發(fā)器出口溫度，輸出為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。在電池組冷卻模型的兩端設(shè)有孔板，孔板控制電池的溫度區(qū)間，孔板是否開啟采用邏輯控制。熱力膨脹閥測量蒸發(fā)器出口的過熱流量和溫度，給定蒸發(fā)器出口溫度、蒸發(fā)器出口過熱、孔口直徑，計(jì)算新的閥門直徑，以確保冷卻通道出口過熱在允許范圍內(nèi)。

1.1 電池組產(chǎn)熱模型

電池在放電過程中釋放大量的熱量，為進(jìn)行模擬計(jì)算，準(zhǔn)確的估算電池放電所產(chǎn)生的熱量是前提。

根據(jù)美國加州大學(xué)BERNARDI[9]所建立的電池產(chǎn)熱速率數(shù)值模型，將電池等效為內(nèi)部均勻的熱質(zhì)量體，電池產(chǎn)熱速率公式為：

（1）

I為瞬時(shí)電流;UOC為開路電壓;U為輸出電壓（當(dāng)電池外部沒有電阻時(shí)，與電池端電壓相等）;T為瞬時(shí)溫度;Ct（T）為溫度系數(shù)：。

依據(jù)電池電路的第一原理，瞬時(shí)電流計(jì)算公式為：

（2）

式中，Rint為電池內(nèi)阻;C為庫倫效率;Preq為負(fù)載功率，正值代表電池放電，負(fù)值代表電池充電。

在負(fù)載功率已知情況下，每個(gè)時(shí)間步長，根據(jù)其內(nèi)阻和開路電壓，都有對(duì)應(yīng)瞬時(shí)電流計(jì)算，即為上述方程（2）的根，公式為：

（3）

若負(fù)載功率Preq在電池所能提供范圍之內(nèi)，則方程（2）存在實(shí)根，其實(shí)根即瞬時(shí)電流計(jì)算公式為：

（4）

1.2 電池組冷卻模型

電池組冷卻模型如圖1所示，電池組的冷卻是通過電池組與制冷回路交換熱量來實(shí)現(xiàn)的。在熱質(zhì)量與制冷回路之間設(shè)有熱連接部件，該部件用于指定換熱對(duì)流系數(shù)和換熱表面積，之后計(jì)算出兩個(gè)部件之間的換熱。通過模型計(jì)算，將電池產(chǎn)熱量輸入到熱質(zhì)量模型，熱質(zhì)量模型會(huì)將實(shí)時(shí)溫度響應(yīng)反饋給電池模型，從而得知電池實(shí)際溫度。電池溫度，決定電池冷卻回路中的孔板是否開啟，是否需要對(duì)電池組進(jìn)行冷卻。

2 ?動(dòng)力電池直冷系統(tǒng)模型設(shè)置

本文基于GT-SUITE軟件建立仿真模型，建立了單/雙熱力膨脹閥的直冷系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、冷凝器、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器、孔板控制器、電池組和駕駛艙組成，如圖2所示。電池組主要參數(shù)如表1所示。

模擬在車速為80km/h，環(huán)境溫度為30℃的工況下，這兩種方案的壓縮機(jī)功耗、電池組溫度、效能變化特性。

3 ?仿真及結(jié)果分析

3.1 壓縮機(jī)功率仿真結(jié)果分析

圖3為單/雙閥方案的壓縮機(jī)功率變化對(duì)比圖，可見兩種方案0-7200s時(shí)間范圍內(nèi)壓縮機(jī)耗功均呈周期性變化趨勢，一個(gè)周期內(nèi)均表現(xiàn)為高功率段和低功率段。壓縮機(jī)出現(xiàn)高功率段，是因?yàn)閴嚎s機(jī)功率突然增加，在PID控制器的調(diào)節(jié)作用下，功率將逐漸減小，當(dāng)電池組達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，系統(tǒng)將停止對(duì)其冷卻，進(jìn)入如圖所示的低功率段。在低功率段，單/雙閥方案功率均降至0.35kW;在高功率段，雙閥方案功率最高可達(dá)4.51kW，而單閥方案中功率最高為1.97kW;一個(gè)周期內(nèi)單/雙閥方案的平均功耗值分別為0.55kW、0.92kW。在雙閥方案中出現(xiàn)了壓縮機(jī)功率最高值，單/雙閥方案功率均降至0.35kW?？梢?，雙閥方案能耗約為單閥方案的1.7倍，但雙閥方案能達(dá)到的降溫速率為單閥方案的3倍。

3.2 溫度仿真結(jié)果分析

圖4為單/雙閥系統(tǒng)的電池組溫度變化對(duì)比圖，可見溫度在0-7200s時(shí)間范圍內(nèi)呈周期性變化。在單閥系統(tǒng)中，電池組的溫度30℃下降到25℃時(shí)需要的時(shí)間為931s;在雙閥系統(tǒng)中，電池組的溫度30℃下降到25℃時(shí)需要的時(shí)間為307s。可以看出雙閥系統(tǒng)相比較于單閥系統(tǒng)，冷卻效率大幅提升。這是因?yàn)轳{駛艙蒸發(fā)器出口溫度決定壓縮機(jī)功率，電池組的產(chǎn)熱量要高于駕駛艙內(nèi)的產(chǎn)熱量，單閥方系統(tǒng)中壓縮機(jī)功率以滿足駕駛艙艙內(nèi)制冷量為目標(biāo)，不足以滿足電池組的制冷量要求，所以單閥系統(tǒng)耗時(shí)較長?？梢钥闯?，相比于單閥系統(tǒng)，雙閥方案更有利于電池工作，冷卻效率更高。

3.3 制冷效能COP仿真結(jié)果分析

圖5為單/雙閥方案的制冷效能COP變化對(duì)比圖，兩種方案COP值均呈周期性變化趨勢，一個(gè)周期內(nèi)均包含低效能段和高效能段。當(dāng)電池組和駕駛艙同時(shí)冷卻時(shí)，由于制冷負(fù)荷大，系統(tǒng)將處于低效能段;當(dāng)僅有駕駛艙冷卻時(shí)，負(fù)荷減小，系統(tǒng)進(jìn)入高效能段。在低效能段，單閥方案的COP值最低為3.54，雙閥方案COP值最低為2.08;在高效能段，單/雙閥方案的COP值均可達(dá)4.85。相比之下，雙閥方案最低值要低于單閥方案最低值，但雙閥低效能段持續(xù)時(shí)間較短，一個(gè)周期內(nèi)二者的平均COP值分別為4.48、4.38，前者僅高出2%。兩種方案的平均制冷效能差別不大。

4 ?結(jié)論

本文基于電動(dòng)汽車電池組直冷系統(tǒng)，利用GT-SUITE平臺(tái)搭建系統(tǒng)模型，研究對(duì)比單/雙熱力膨脹閥兩種方案對(duì)電池組溫度的影響、功耗的影響以及制冷效能的影響。

①壓縮機(jī)功率呈周期性變化，雙閥方案中最高值為4.51kW，一個(gè)周期內(nèi)雙閥方案能耗約為單閥方案的1.7倍。

②電池組溫度呈周期性變化，雙閥方案的電池組冷卻效率高于單閥方案的電池組冷卻效率。

③系統(tǒng)制冷效能呈周期性變化，雙閥方案最小值要低于雙閥方案最小值，一個(gè)周期內(nèi)兩種方案的平均制冷效能差別不大。

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