電動(dòng)汽車大功率直流充電熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為提高動(dòng)力電池在大功率直流充電狀況下的充電效率，提出一種基于充電樁熱泵系統(tǒng)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。以某款電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池為例，研究該熱管理系統(tǒng)在?20，?10，0，20 和40 ℃工況下大功率直流充電的溫度特性和充電時(shí)長(zhǎng)問(wèn)題。使用數(shù)值仿真軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模并分析，結(jié)果表明，電樁式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)響應(yīng)快、效率高，且最高溫度可控制在50 ℃ 以下。在低溫0，?10 和?20 ℃ 工況下，相較于原車載式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，可分別為動(dòng)力電池節(jié)約10.6%，17.9% 和24.6% 的充電時(shí)間；在20 和40 ℃ 工況下可節(jié)省1.4% 和6.0% 的充電時(shí)間；對(duì)比動(dòng)力電池各階段所用的充電時(shí)間，所提出的系統(tǒng)主要比原系統(tǒng)減少了電量0～20% 范圍內(nèi)的充電時(shí)間。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；大功率充電；電池?zé)峁芾?；充電時(shí)間

中圖分類號(hào)：U 469.7; TM 912 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著環(huán)境污染和能源短缺的問(wèn)題日益嚴(yán)重，各傳統(tǒng)燃油汽車廠商開(kāi)始轉(zhuǎn)型將目光聚焦于新能源汽車，其中純電動(dòng)汽車由于節(jié)能環(huán)保、技術(shù)成熟而成為重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象[1-2]。在純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程方面，為動(dòng)力電池提供快速充電將會(huì)是解決整車?yán)m(xù)航問(wèn)題的有效途徑，許多學(xué)者對(duì)動(dòng)力電池快充策略進(jìn)行研究。劉偉等[3] 提出一種均衡考慮鋰電池能量損耗和充電時(shí)間的多段恒流充電方法，相比于已有的充電策略，該方法可減小所需預(yù)做實(shí)驗(yàn)量，提高充電效率，降低鋰電池溫度。Khan 等[4] 提出了一種基于鋰電池RC 模型的多級(jí)恒流充電方法，無(wú)需預(yù)先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。葉劍曉等[5]提出了一種多段恒流結(jié)合脈沖充電方法，實(shí)驗(yàn)證明，與其他充電方法相比，該方法能夠顯著減弱電池極化效應(yīng)，縮短充電時(shí)間，提高充電效率。Li 等[6] 利用粒子群優(yōu)化提出了自適應(yīng)多級(jí)恒流恒壓充電方法，相較于傳統(tǒng)的恒流恒壓充電方法，新方法在充電時(shí)間和電池退化方面具有良好的應(yīng)用前景。Wang 等[7] 提出了一種基于熱模型的非線性模型預(yù)測(cè)控制充電方法，相較于其他多級(jí)恒流充電方法，該方法能夠有效平衡電池充電時(shí)間、能量損失和內(nèi)部溫升。

在動(dòng)力電池大功率直流充電過(guò)程中，除了優(yōu)化充電策略以提高充電效率并控制充電溫度外，還應(yīng)結(jié)合考慮熱管理系統(tǒng)。根據(jù)不同的冷卻方案，電池組熱管理系統(tǒng)可采用空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻和熱管冷卻等技術(shù)[8]。在液冷式冷卻方案中，液冷板流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和冷卻控制策略的設(shè)計(jì)是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)對(duì)象。Huo等[9] 設(shè)計(jì)出了一種平行流微通道液冷板系統(tǒng)，研究各種參數(shù)對(duì)矩形液冷板封裝熱性能的影響。結(jié)果表明電池組最高溫度隨流道數(shù)和進(jìn)口質(zhì)量流量的增加而減小，冷卻液流向?qū)鋮s效果的影響也減小。Tang 等[10] 對(duì)基于鋁微通道液冷板的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化研究，為大容量方形電池的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了3 種方案。研究結(jié)果表明，在電池組底部和側(cè)面各布置一塊冷板的方案，對(duì)電池組具有較好的冷卻效果。Shang 等[11] 對(duì)電池組與液冷系統(tǒng)的接觸面之間進(jìn)行了可變的設(shè)計(jì)，對(duì)質(zhì)量流量、入口溫度和冷卻板的寬度進(jìn)行了優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)量流量在0.21 kg/s 時(shí)電池組具有最佳的冷卻效果。Nieto 等[12] 將液冷板流道設(shè)計(jì)成蛇形，當(dāng)乙二醇?水混合物的冷卻液對(duì)電池組進(jìn)行熱管理時(shí)，電池組的最高溫度低于35 ℃ 且最大溫差也低于5 ℃。

本文以電動(dòng)汽車大功率直流充電時(shí)的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)為研究對(duì)象，綜合考慮充電策略與熱管理系統(tǒng)，為縮短動(dòng)力電池在高低溫工況下充電的冷卻和預(yù)熱時(shí)間，以縮短充電時(shí)間，設(shè)計(jì)了一種基于充電樁熱泵系統(tǒng)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱電樁式熱管理系統(tǒng)）。對(duì)動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進(jìn)行建模，通過(guò)AMESim 仿真分析，研究該熱管理系統(tǒng)在不同高低溫工況下大功率直流充電的溫度特性和充電時(shí)長(zhǎng)問(wèn)題。

1 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段車載式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)如圖1（a） 所示，由車載熱泵回路與電池回路組成。電池回路中冷卻液的冷熱源來(lái)自空氣源熱泵系統(tǒng)。其中車載熱泵系統(tǒng)由四通換向閥切換制冷與制熱模式，通過(guò)兩個(gè)回路的換熱器間耦合后進(jìn)行熱量交換，以此達(dá)到給電池組冷卻和預(yù)熱的目的。

本文設(shè)計(jì)的電樁式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)如圖1（b）所示，由充電樁熱泵回路、水箱回路以及電池回路組成。相較于車載式電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，本設(shè)計(jì)增加了水箱回路。水箱回路通過(guò)換熱器間的耦合與熱泵系統(tǒng)進(jìn)行熱量的交換，旨在利用充電樁的熱泵系統(tǒng)將水箱中的冷卻液預(yù)熱或冷卻到預(yù)定溫度，以維持電池高倍率充電溫度。當(dāng)汽車使用充電樁充電時(shí)，閥門①②關(guān)閉，而閥門③④開(kāi)啟，水箱中的冷卻液通過(guò)特定接口與動(dòng)力電池接通形成閉合回路，直接將水箱中最適宜溫度的冷卻液以合適流量通入電池底部冷板，從而快速實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池達(dá)到高倍率充電的溫度，縮短整車動(dòng)力電池的充電時(shí)長(zhǎng)。