純電動汽車制冷工況下電池直冷優(yōu)化設(shè)計(jì)

胡遠(yuǎn)志，羅 毅

(重慶理工大學(xué) 汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400054)

0 引言

隨著純電動汽車技術(shù)的發(fā)展，整車熱管理系統(tǒng)逐漸成為提高整車性能的關(guān)鍵所在[1]?，F(xiàn)如今純電動汽車的三大熱管理子系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、電機(jī)電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)仍相對獨(dú)立，通過整合三大熱管理子系統(tǒng)提高能源利用率，對電動汽車的發(fā)展具有重要意義[2-4]。歐陽東[5]設(shè)計(jì)了純電動汽車熱泵空調(diào)與動力電池組交互熱管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電池組的產(chǎn)熱量和空調(diào)制熱量交互利用。胡永軍[6]將空調(diào)冷媒通入電池直冷板中冷卻電池或者吸收電池?zé)崃?，系統(tǒng)可以在9種工作模式下進(jìn)行切換，滿足整車在各類復(fù)雜環(huán)境及工況下的熱管理需求。王戎等[7]設(shè)計(jì)了一種采用熱泵空調(diào)技術(shù)的燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)，在冬季實(shí)現(xiàn)了燃料電池廢熱的利用，達(dá)到了降低整車能耗、提高續(xù)航里程的目的。

動力電池是電動汽車的核心部件，需處于最佳工作溫度范圍內(nèi)[8]。隨著電池工作溫度逐步升高，其冷卻需求逐步提高，冷媒直冷是將空調(diào)回路的制冷劑導(dǎo)入電池直冷板，通過相變吸熱的方式吸走電池的熱量，其換熱效率是液冷單相換熱方式的3倍，且兩相流的溫度是恒定的，電池單體溫度均勻性更好[9-12]。

本文針對某款純電動車型整車熱管理系統(tǒng)相對獨(dú)立分開，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種綜合考慮三大子系統(tǒng)的集成式整車熱管理系統(tǒng)。首先，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立了電池生熱模型并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性；然后，在AMEsim軟件中搭建一維整車熱管理系統(tǒng)模型，并在夏季高溫工況下仿真分析所建立模型的合理性；最后，對比分析了直冷與液冷方式對動力電池和整車性能的影響，為電動汽車整車熱管理系統(tǒng)的發(fā)展提供了一種思路。

1 鋰離子電池建模與仿真

1.1 鋰離子電池生熱機(jī)理

如圖1所示，鋰離子電池主要由3部分構(gòu)成：正負(fù)電極、隔膜、電解質(zhì)。左邊是電池負(fù)極，右邊是電池正極[13]。放電時(shí)，電流從正極到負(fù)極，電子從負(fù)極到正極。首先，活性鋰從負(fù)極顆粒由內(nèi)向外擴(kuò)散，在負(fù)極固液相界面處發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)失去一個(gè)電子而生成鋰離子和電子。電子經(jīng)過電解液、集流體和外電路到達(dá)正極，鋰離子通過電解液、隔膜到達(dá)正極。在正極固液相界面處鋰離子和電子再次發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，鋰離子與電子結(jié)合生成活性鋰，活性鋰在正極顆粒由外向內(nèi)集中。充電過程鋰離子和電子的遷移路徑與放電時(shí)相反[14-16]。

圖1 鋰離子電池工作原理示意圖

鋰離子電池在充、放電過程中，正、負(fù)極發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

電池正極反應(yīng)：

電池負(fù)極反應(yīng)：

電池總反應(yīng)：

在上述充、放電過程中，鋰離子在電解質(zhì)溶液里擴(kuò)散受到的阻力包括濃差極化內(nèi)阻和電化學(xué)極化內(nèi)阻(統(tǒng)稱為極化內(nèi)阻)，由于極化內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量稱為極化熱；電子在外電路遷移和鋰離子穿過隔膜受到的阻抗統(tǒng)稱為歐姆內(nèi)阻，由于歐姆內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量稱為焦耳熱。因此電池的產(chǎn)熱Qt可表達(dá)為：

Qt=QP+Qi=I2(R1+R2+Ri)

(1)

式中：QP為電池極化熱；Qi為電池焦耳熱；I為電池放電電流；R1為電池的濃差極化電阻；R2為電池的電化學(xué)極化電阻；Ri為電池的歐姆內(nèi)阻。

1.2 二階RC等效電路模型的建立

根據(jù)電池的充、放電原理和特性曲線，利用一些常用的電路元件，如電容、電阻等，經(jīng)過串、并聯(lián)后得到的電路與動力電池具有相似的充、放電特性。本文建立的二階RC等效電路模型是在THEVENIN模型基礎(chǔ)上再串連一個(gè)RC容阻回路，對電池的模擬精確度更高，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 二階RC等效電路模型示意圖

由基爾霍夫定律，電池放電時(shí)的輸出電壓：

V=Vb-IRi-V1-V2

(2)

V1=IR1(1-exp-t/R1C1)

(3)

V2=IR2(1-exp-t/R2C2)

(4)

式中：Vb為電池的開路電壓，它與電池的荷電狀態(tài)量SOC有一一對應(yīng)關(guān)系；I為電池放電電流；Ri為電池的歐姆內(nèi)阻，描述電池充、放電過程中端電壓的突變過程；V1為電池的濃差極化電壓；R1為電池的濃差極化電阻，C1為電池的濃差極化電容，R1和C1構(gòu)成的容阻回路描述電池的濃差極化，表現(xiàn)為電池端電壓驟變后的快速變化現(xiàn)象；V2為電池的電化學(xué)極化電壓，R2為電池的電化學(xué)極化電阻，C2為電池的電化學(xué)極化電容，R2和C2構(gòu)成的容阻回路描述電池的電化學(xué)極化，表現(xiàn)為電池端電壓驟變后的緩慢變化現(xiàn)象。

1.3 模型參數(shù)辨識實(shí)驗(yàn)

電池模型參數(shù)的準(zhǔn)確辨識直接關(guān)系到模型的準(zhǔn)確性，從而影響電池生熱數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。從所建立的電池等效電路模型可知，共有6個(gè)待辨識參數(shù)，即Vb、Ri、R1、C1、R2、C2。

1.3.1靜置標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

電池的開路電壓OCV和荷電狀態(tài)SOC有一一對應(yīng)關(guān)系，本文利用靜置標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲取兩者關(guān)系曲線，實(shí)驗(yàn)對象為32AH/3.7V的鋰離子電池。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1) 電池靜置：將電池處于滿電狀態(tài)下充分靜置12 h。

2) 電池恒流放電過程快速標(biāo)定：把SOC等距分成10份，即一次放電10%，對電池以1C恒流放電6 min，靜置1 h，此時(shí)記錄電池的端電壓，即SOC為0.9時(shí)的開路電壓，重復(fù)這個(gè)步驟10次，即可辨識出電池的開路電壓。

3) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理：測量步驟2)中的放電靜置過程中的電壓值極大值，線性擬合曲線如圖3。

圖3 電池OCV與SOC對應(yīng)關(guān)系曲線

1.3.2HPPC充放電實(shí)驗(yàn)

混合脈沖功率性能試驗(yàn)(簡稱HPPC)是在電池可用的充放電電壓范圍內(nèi)，使用一個(gè)包括放電和反饋充電脈沖在內(nèi)的測試制度來確定其動態(tài)功率能力，其測試目的是得到電池容阻參數(shù)。具體的混合功率特性測試制度見表1所示。

表1 混合功率充放電特性測試制度

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1) 實(shí)驗(yàn)先以63 A的大電流對滿電狀態(tài)的電池放電10 s，接著靜置3 min，使電池端電壓有一定的恢復(fù)；

2) 然后再以47 A的電流充電10 s，接著靜置3 min；

3) 再進(jìn)行一次定容恒流放電，加上脈沖過程中放出的容量總共放出10%的容量。

重復(fù)上述步驟10次，得到HPPC循環(huán)測試試驗(yàn)的電流、端電壓響應(yīng)曲線如圖4。

圖4 HPPC測試電流及端電壓響應(yīng)曲線

1.3.3參數(shù)辨識

以SOC為60%作樣本，對電池等效電路模型參數(shù)進(jìn)行辨識。圖5為SOC為60%下的脈沖充放電電流及其端電壓響應(yīng)曲線。

圖5 脈沖充放電電流及其端電壓響應(yīng)曲線

電池端電壓出現(xiàn)驟然下降是由于歐姆內(nèi)阻Ri所導(dǎo)致的，故此電路模型的歐姆內(nèi)阻可直接由歐姆定律得到，導(dǎo)入1～2段端電壓變化數(shù)據(jù)可以得到：

(5)

式中：ΔU為端電壓下降值；I為放電電流。

放電過程中電池緩慢端電壓緩慢下降2～3階段可以看作2階RC電路零狀態(tài)響應(yīng)過程。其端電壓響應(yīng)方程：

(6)

式中：Vb為電池的開路電壓；I為電池放電電流；Ri為電池的歐姆內(nèi)阻；R1為電池的濃差極化電阻；C1為電池的濃差極化電容；R2為電池的電化學(xué)極化電阻；C2為電池的電化學(xué)極化電容。

利用Matlab的CFTOOL擬合工具箱完成等效電路模型中剩余4個(gè)參數(shù)的辨識。由式(6)可知，電池在放電過程中輸出電壓會成指數(shù)函數(shù)的形式下降，故本文采用指數(shù)擬合法來擬合電池端電壓下降曲線，便可得到等效電路模型中2個(gè)的RC容阻回路的參數(shù)。在擬合時(shí)已經(jīng)知道電池SOC為60%狀態(tài)下的初始電壓，且已用歐姆定律計(jì)算得到電池的歐姆內(nèi)阻，故在Matlab擬合工具箱中輸入簡化的自定義函數(shù)如下：

(7)

導(dǎo)入圖5放電階段2～3電壓緩慢下降數(shù)據(jù)，在Matlab中對參數(shù)進(jìn)行擬合，得到式(7)中的未知參數(shù)K1、K2、R1、R2。然后根據(jù)式(8)和式(9)即可求得C1、C2。

(8)

(9)

按上述方法對不同SOC狀態(tài)下的端電壓響應(yīng)曲線進(jìn)行參數(shù)辨識，求得的電池模型中各參數(shù)與SOC對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

1.4 試驗(yàn)驗(yàn)證電池模型

根據(jù)前文所建立的二階RC等效電路模型及模型參數(shù)辨識試驗(yàn)結(jié)果，在Simulink中搭建等效電路仿真模型結(jié)構(gòu)如圖6所示。

表2 電池二階RC模型參數(shù)

圖6 電池仿真模型結(jié)構(gòu)框圖

使用不規(guī)則放電電流驗(yàn)證電池模型的準(zhǔn)確性，實(shí)測的端電壓變化曲線與仿真結(jié)果曲線如圖7所示。

圖7 電池放電電壓曲線與仿真曲線

從圖7可以看出2條曲線重合度較高，經(jīng)計(jì)算最大誤差不超過5%，驗(yàn)證了電池等效電路模型仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確。但電池等效電路模型的準(zhǔn)確搭建并不能說明電池生熱模型的準(zhǔn)確性，需將電池等效電路模型參數(shù)設(shè)置到電池單體數(shù)據(jù)中并且不設(shè)置任何冷卻方式，在放電電流工況下仿真與電池恒溫箱的溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較驗(yàn)證電池生熱模型的準(zhǔn)確性。電池溫升實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1) 提前將恒溫箱內(nèi)的環(huán)境溫度設(shè)置為35 ℃，濕度設(shè)置為40%。將充滿電狀態(tài)的電池放置恒溫實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，擱置2 h，使電池溫度與恒溫箱設(shè)定溫度保持一致。

2) 對電池1C恒流放電至截止電壓。

3) 放電后的電池在恒溫箱內(nèi)靜置2 h，使電池溫度散熱至恒溫箱內(nèi)溫度。整理好放電過程中電池表面溫度數(shù)據(jù)。

重復(fù)上述步驟且將放電電流依次改為2C和3C，仿真得到的電池溫升數(shù)據(jù)與在電池恒溫箱里測得的電池溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖8所示。

圖8 電池放電溫升實(shí)驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)曲線

從圖8看出，所建立的電池溫升模型仿真數(shù)據(jù)與電池溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在各種工況下誤差都在3 ℃以內(nèi)，驗(yàn)證了電池生熱模型的準(zhǔn)確性。

2 AMESim模型搭建

2.1 集成式熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文是在原某款純電動車熱管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。原車熱管理系統(tǒng)夏季制冷工況工作原理如圖9所示。

圖9 原車夏季工況熱管理系統(tǒng)工作原理示意圖

整車熱管理系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)思路如下：

1) 重新設(shè)計(jì)兩換熱器參數(shù)，增加四通閥，將傳統(tǒng)空調(diào)改為熱泵空調(diào)，同時(shí)滿足乘員艙夏季制冷和冬季制熱需求，提高空調(diào)系統(tǒng)效率降低能耗。

2) 考慮電機(jī)余熱利用，將原相對獨(dú)立的電機(jī)電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)與熱泵空調(diào)系統(tǒng)耦合，在CHILLER處低溫液態(tài)冷媒吸收電機(jī)側(cè)高溫冷卻水。

3) 根據(jù)電池結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)電池直冷板，將電池冷卻方式由液冷改為冷媒直冷，提高電池冷卻速率和電芯溫度均勻性。

改進(jìn)后的熱管理系統(tǒng)工作原理如圖10所示。

圖10 集成式熱管理系統(tǒng)工作原理示意圖

2.2 乘員艙熱負(fù)荷建模

乘員艙熱負(fù)荷主要由內(nèi)部熱負(fù)荷和外部熱負(fù)荷兩部分組成，內(nèi)部熱負(fù)荷主要是指乘員人體向車內(nèi)散發(fā)熱量，外部熱負(fù)荷包括太陽輻射和車外熱量透過車身傳遞到車內(nèi)。如圖11所示，在車頂、車身圍板處，外部熱量經(jīng)車身壁面?zhèn)鲗?dǎo)至車內(nèi)；在透明的車窗玻璃處，外部熱量不僅由熱傳導(dǎo)方式傳遞，還存在一部分太陽輻射的透射熱量[17]。計(jì)算相關(guān)傳熱系數(shù)如表3所示。

圖11 車身傳熱部件示意圖

表3 計(jì)算相關(guān)傳熱系數(shù) W/(m2·K)

對于乘員艙熱負(fù)荷的計(jì)算，本文主要考慮6個(gè)影響因素，具體熱負(fù)荷理論計(jì)算公式為

Q=QR+QS+QA+QB+QC+QP

(10)

式中：QR外部熱環(huán)境經(jīng)車身頂板傳導(dǎo)至車內(nèi)的熱量；QS外部熱環(huán)境經(jīng)車身側(cè)板傳導(dǎo)到車內(nèi)的熱量；QA、QB、QC分別為太陽透過前玻璃、側(cè)玻璃、后玻璃輻射到車內(nèi)的熱量；QP為車內(nèi)乘員人體散發(fā)熱量。

車身壁面多屬均勻壁面，因此，它的傳熱可以按照多層均勻壁面?zhèn)鳠嵊?jì)算，計(jì)算公式如下：

Qi=KiFi(tH-tB)

(11)

式中：Qi為傳熱量；Ki為傳熱系數(shù)；Fi為傳熱面積；tH為車外空氣溫度；tB為車內(nèi)空氣溫度。

其中含空氣夾層的車頂、車身圍板結(jié)構(gòu)的換熱系數(shù)Ki為

(12)

式中：αH為外表面放熱系數(shù)；αB為內(nèi)表面放熱系數(shù)；δ為隔熱材料厚；λ為隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)；Ra為空氣夾層熱阻。

在車窗玻璃處，由太陽輻射引起的以輻射換熱傳入車內(nèi)的熱量為

(13)

2.3 熱管理系統(tǒng)建模

本文所研究的整車集成式熱管理系統(tǒng)重點(diǎn)在于分析夏季工況下將電池傳統(tǒng)的液冷方式優(yōu)化設(shè)計(jì)為電池直冷后的優(yōu)缺點(diǎn)，無論是電池液冷還是直冷，電機(jī)的散熱方式不會發(fā)生變化，故在搭建整車熱管理系統(tǒng)模型時(shí)考慮到簡化模型和節(jié)省計(jì)算資源而忽略掉電機(jī)的散熱模型搭建。

2.3.1空調(diào)系統(tǒng)模型搭建

本課題擬將原車的傳統(tǒng)空調(diào)改型為熱泵空調(diào)，暫時(shí)不考慮冬季工況，直接取用原車空調(diào)系統(tǒng)模型參數(shù)。傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、膨脹閥、車內(nèi)冷凝器、車外蒸發(fā)器、儲液瓶、截止閥等部件。壓縮機(jī)為固定排量壓縮機(jī)，直流驅(qū)動電機(jī)根據(jù)其兩端的電壓大小實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)；考慮到下一步冬季工況下熱泵空調(diào)制冷劑流向的改變，膨脹閥類型選用雙流向電子膨脹閥；冷凝器類型為微通道平行流換熱器，蒸發(fā)器類型為U行管板翅式換熱器。壓縮機(jī)質(zhì)量流量、焓流量和各換熱器傳熱相關(guān)理論計(jì)算不再贅述。各部件相關(guān)參數(shù)如表4—6所示。

表4 壓縮機(jī)、膨脹閥建模相關(guān)參數(shù)

表5 冷凝器建模相關(guān)參數(shù)

表6 蒸發(fā)器建模相關(guān)參數(shù)

2.3.2電池直冷模型搭建

本文所研究的純電汽車鋰離子電池單體額定電壓為3.7 V，一個(gè)電池模組由10個(gè)電池單體串聯(lián)而成，10個(gè)電池模組串聯(lián)構(gòu)成總額定電壓為370 V，總?cè)萘繛?0 AH的電池包。在搭建完電池模型后的參數(shù)輸入處，將前文電池靜置標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的電池開路電壓與荷電狀態(tài)關(guān)系數(shù)據(jù)和HPPC充放電實(shí)驗(yàn)得到的電池容阻參數(shù)輸入到該電池模型中。在對電池?zé)豳|(zhì)量塊建模時(shí)，為了分析電池包內(nèi)單體溫度均勻性，故要在一個(gè)模組內(nèi)搭建10個(gè)電池單體，然后封裝成一個(gè)模組后與其他模組相串聯(lián)。10個(gè)模組各自與電池直冷板相連傳遞熱量，熱質(zhì)量塊之間通過熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)熱量交換，并且將考慮到車速的電池與環(huán)境對流換熱也搭建在模型中。電池直冷板材料為純鋁，其流道長度、換熱面積及水力直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)都是實(shí)際測量。電池及其直冷板熱物性相關(guān)參數(shù)如表7所示。

表7 電池及其直冷板熱物性相關(guān)參數(shù)

2.4 整車動力系統(tǒng)建模

整車動力系統(tǒng)模型包括整車及其控制器、駕駛員、驅(qū)動電機(jī)。其中，整車模型需要對車輛參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括質(zhì)量、氣動與滾動參數(shù)、輪胎參數(shù)、制動參數(shù)；駕駛員模型的作用在于設(shè)定汽車的行駛工況下控制車輛的工作狀態(tài)。整車控制器用于接受駕駛員、電池、電機(jī)的信息，經(jīng)處理后向電機(jī)控制器和整車模型發(fā)送指令。建模相關(guān)參數(shù)如表8—10所示。

表8 整車建模相關(guān)參數(shù)

表9 電動機(jī)建模相關(guān)參數(shù)

表10 輪胎建模相關(guān)參數(shù)

3 仿真結(jié)果

乘員艙熱負(fù)荷模型、空調(diào)及電池直冷系統(tǒng)模型、整車動力性模型共同組成了純電動整車熱管理系統(tǒng)AMEsim仿真模型，如圖12所示。以NEDC工況作為測試工況，開展系統(tǒng)的制冷測試驗(yàn)證所建立模型的合理性，并與原傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)對比分析該系統(tǒng)的優(yōu)越性。NEDC仿真工況如圖13所示。

圖12 整車熱管理系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)框圖

圖13 NEDC仿真工況曲線

3.1 制冷仿真測試

為模擬夏季高溫工況，在AMEsim軟件中設(shè)置太陽輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2，太陽輻射角度為相對地平線90°。環(huán)境初始溫度分別設(shè)置為35、40、45 ℃，電池的初始溫度與環(huán)境初始溫度保持一致，考慮到夏季乘員艙的密閉性和熱傳導(dǎo)性，乘員艙初始溫度應(yīng)略高于環(huán)境溫度，車輛運(yùn)行工況設(shè)置為NEDC工況。上述條件下進(jìn)行仿真測試，得到圖14乘員艙溫度變化曲線。

當(dāng)乘員艙初始溫度分別設(shè)置為40、45、50 ℃時(shí)，首次達(dá)到目標(biāo)溫度所需的時(shí)間分別為109、123、157 s，同時(shí)不同的環(huán)境溫度在最終達(dá)到平衡時(shí)的溫度不一致，當(dāng)外界環(huán)境溫度越高時(shí)，其平衡溫度就越高。在本次仿真中最后的穩(wěn)定溫度分別維持在24.6、25.2、25.7 ℃?？傮w來看，在夏季高溫NEDC工況下，乘員艙溫度能迅速降低至目標(biāo)溫度，并且在后續(xù)的車輛運(yùn)行過程中其溫度始終保持在合理范圍內(nèi)，不隨車速的改變而產(chǎn)生巨大波動。

圖14 乘員艙溫度變化曲線

與乘員艙溫度變化曲線相比，電池的溫度變化更劇烈，這是因?yàn)殡姵氐纳鸁崃侩S著車速的變化而變化，如圖15所示。車輛在初始行駛階段，電池在冷媒吸熱的作用下迅速降低至目標(biāo)值，電池首次達(dá)到最佳溫度25 ℃所需的時(shí)間分別61、141、265 s，此后在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)波動，在后續(xù)的郊區(qū)高速工況下，電池的生熱量要大于直冷板的散熱量，在此階段電池的溫度升高至最大值36 ℃左右，在隨后的減速停車階段，電池的散熱量大于生熱量，溫度也隨之迅速降低?？傮w來看，電池的溫度在第一次達(dá)到目標(biāo)值后雖有所波動，但其最高溫度仍在目標(biāo)域值內(nèi)。

圖15 電池溫度變化曲線

在不同的環(huán)境溫度下SOC變化曲線如圖16，環(huán)境溫度越高時(shí)，乘員艙所需的制冷量越大導(dǎo)致電池SOC下降值越大。當(dāng)設(shè)置初始環(huán)境溫度分別為35、40、45 ℃時(shí)，電池SOC最終下降至86.3%、84.6%、82.9%，電量損耗在合理范圍內(nèi)，在NEDC后期的郊區(qū)工況下，隨著車速的增加導(dǎo)致耗電量越大，電池的SOC下降速率越大。

圖16 電池SOC變化曲線

3.2 直冷與液冷仿真對比

圖17為電池直冷與液冷降溫曲線。在電池初始溫度設(shè)置為35 ℃下降溫分析，可以看出電池采用直冷降溫速率更快，第一次達(dá)到目標(biāo)值的時(shí)間分別為140、357 s，并且采用直冷冷卻方式的電池平均溫度26.3 ℃，低于采用液冷方式電池平均溫度28.9 ℃。但采用直冷方式電池溫度波動更劇烈，這是因?yàn)橹崩浒鍍?nèi)冷媒的質(zhì)量流量是隨著整車工況波動，但采用液冷方式冷媒的制冷量先傳遞給冷卻液，使得對電池制冷能力的變化沖擊更小。

圖17 直冷與液冷電池溫度變化曲線

為分析電池包內(nèi)單體溫度均勻性，選取一個(gè)模組內(nèi)位置處于直冷板前端和直冷板后端的電芯，即溫差最大的2個(gè)電芯做差值計(jì)算得到溫差曲線如圖18。電池液冷溫差明顯高于電池直冷溫差，這是因?yàn)橹评鋭┰谥崩浒鍍?nèi)蒸發(fā)時(shí)處于溫度恒定的兩相流狀態(tài)，而液冷方式的冷卻液在流程過程中吸熱而溫度上升，所以采用直冷方式后的電池溫度均勻性明顯優(yōu)于液冷。

圖18 直冷與液冷電池溫差變化曲線

為分析電池直冷與液冷對整車能耗的影響，設(shè)置初始環(huán)境溫度為35 ℃，整車運(yùn)行工況設(shè)置NEDC工況，得到如圖19所示SOC變化曲線。最終，采用直冷和液冷電池SOC分別下降至86.3%、83.2%采用電池直冷后的熱管理系統(tǒng)整車電能消耗可降低3.1%。對比分析熱管理系統(tǒng)制冷能效比EER：

EER=Qe/Ws

(14)

式中：Qe=Qb+Qz，其中Qe為系統(tǒng)總制冷量；Ws為壓縮機(jī)功耗；Qb為電池直冷板或電池液冷CHILLER換熱量；Qz為車內(nèi)蒸發(fā)器換熱量。

所有換熱器的換熱量用進(jìn)出口焓差值計(jì)算，壓縮機(jī)的功耗用式(15)計(jì)算而得。

P=T·r/9 550

(15)

式中：P為壓縮機(jī)消耗功率；T為壓縮機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩；r為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖19 直冷與液冷電池SOC變化曲線

經(jīng)計(jì)算，采用電池液冷時(shí)的熱管理系統(tǒng)蒸發(fā)器制冷量為1 015.03 kW,電池?fù)Q熱器CHILLER的制冷量為1 118.83 kW，壓縮機(jī)功率最終穩(wěn)定在2.01 kW,系統(tǒng)能效比為1.06；電池直冷時(shí)蒸發(fā)器制冷量為1 015.03 kW，電池直冷板制冷量為1 280.45 kW，壓縮機(jī)功率最終穩(wěn)定在1.5 kW，系統(tǒng)能效比為1.53。采用電池直冷的熱管理系統(tǒng)能效比液冷系統(tǒng)提高了0.47。

4 結(jié)論

1) 通過電池靜置標(biāo)定試驗(yàn)和脈沖充放電實(shí)驗(yàn)辨識電池內(nèi)部容阻參數(shù)，搭建了電池的生熱模型，利用電池溫升特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了電池生熱模型的準(zhǔn)確性。

2) 搭建了一種采用電池直冷的純電動整車熱管理系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果表明在夏季高溫工況下該系統(tǒng)對乘員艙、電池及有關(guān)溫差都具有很好的溫控效果。相比于原車采用液冷的整車熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能效比提高了0.47，整車電能消耗降低3.1%。

3) 本文改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種綜合考慮乘員艙、電池電機(jī)的集成式熱管理系統(tǒng)，為相關(guān)科研工作者提供了一種思路。下一步可在本文研究基礎(chǔ)上繼續(xù)研究冬季制熱工況下，回收電機(jī)余熱和熱泵預(yù)熱電池的集成式熱管理系統(tǒng)。