純電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用分析

摘 要：為了改善動(dòng)力蓄電池的工作效率，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，本論文對(duì)蓄電池的散熱問(wèn)題進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，著重分析了在全電動(dòng)車中使用的蓄電池散熱問(wèn)題。其次，本文對(duì)目前市面上主要的幾種蓄電池散熱方式進(jìn)行了較為詳盡的剖析，并對(duì)比了其優(yōu)勢(shì)與不足?；谏鲜鲅芯砍晒?，本項(xiàng)目以提升換熱效果、減少能量消耗為目標(biāo)，研究面向鋰離子動(dòng)力電池的熱管理系統(tǒng)優(yōu)化方法。結(jié)合仿真與試驗(yàn)研究，闡明基于優(yōu)化后的鋰離子電池的綜合效能。論文還對(duì)該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了歸納，并指出了進(jìn)一步研究的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)車 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng) 優(yōu)化設(shè)計(jì) 應(yīng)用研究

1 純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)組成及原理

全電動(dòng)車輛用有源液冷式熱管理系統(tǒng)的電路，包括三條回路：一是動(dòng)力電池冷卻液回路，二是制冷劑回路，三是正溫度系數(shù)的熱敏電阻（PTC）冷卻液回路。

與傳統(tǒng)的非制冷回路相比，增加一套新的熱管理系統(tǒng)，是在傳統(tǒng)的制冷循環(huán)之外，由高低壓端并聯(lián)一條與板式換熱器相連的線路。在蓄電池組需要供冷時(shí)，回路中的電動(dòng)擴(kuò)張閥打開(kāi)一段時(shí)間，使工質(zhì)在其中進(jìn)行擴(kuò)張和汽化，同時(shí)將流過(guò)板片換熱系統(tǒng)中的冷卻劑所產(chǎn)生的熱能，進(jìn)而對(duì)電池組進(jìn)行冷卻。通過(guò)對(duì)電磁線圈的操縱，可以實(shí)現(xiàn)單車廂制冷、單電池制冷和混合制冷三種制冷方式的切換。

在汽車較低的條件下，電池組在較低的溫度下由 BMS向整車發(fā)送制熱請(qǐng)求，這時(shí)，通過(guò)三通水調(diào)節(jié) PTC輸出的熱，并與較低的制冷劑進(jìn)行換熱，進(jìn)而提高整車的溫升。

因?yàn)槭褂昧吮壤ㄋ?，所以?dòng)力電池一側(cè)的冷卻劑的溫度也能夠通過(guò)比例調(diào)整而被控制，并且還能夠在三種方式之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即單功率電池供暖、單功率電池供暖和棍合供暖。本項(xiàng)目提出了一種適用于多種運(yùn)行方式的新型空調(diào)與動(dòng)力電池散熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整車的高效節(jié)能減排。

采用這種散熱管理系統(tǒng)后，可以確保在30-50℃的溫度下，完全沒(méi)有后顧之憂，而且與沒(méi)有熱管理的車型相比，電池的快充時(shí)間可以減少30%左右。更關(guān)鍵的是，將動(dòng)力電池置于適宜的工作環(huán)境中，可以極大地延長(zhǎng)其使用時(shí)間，并避免因高溫而引起的安全隱患。

2 熱管理系統(tǒng)布置原則

在進(jìn)行熱控設(shè)備的艙室布局時(shí)，一是為了確保其運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性，各種組件都要符合其所處的位置及功能需求；同時(shí)，由于各個(gè)零部件之間由管道相連構(gòu)成了一個(gè)整體，因此，在進(jìn)行整車布局設(shè)計(jì)時(shí)，如何減小管道的長(zhǎng)度來(lái)減小流體阻力，降低零部件振動(dòng)的危險(xiǎn)，以及滿足安全防護(hù)的空間需求，都是整個(gè)布局設(shè)計(jì)中亟待解決的重要問(wèn)題。

2.1 熱管理系統(tǒng)總成部件布置原則

（1）板式換熱器。板式換熱器作為熱管理系統(tǒng)的核心零件，通過(guò)回路間的熱交換實(shí)現(xiàn)給動(dòng)力電池包加熱和制冷。

平板熱交換器是從空氣調(diào)節(jié)端到動(dòng)力蓄電池側(cè)的冷和熱傳遞的中心，因此，必須將 PTC側(cè)、制冷劑側(cè)和蓄電池回路側(cè)的七條管線都連接起來(lái)。在確定其設(shè)置地點(diǎn)時(shí)，一般應(yīng)遵循如下基本準(zhǔn)則：①采用橫向布局，確保板式換熱器的內(nèi)空氣充足，不然會(huì)對(duì)傳熱和流動(dòng)阻力產(chǎn)生不利的影響；②盡量使其位于制冷回路與暖風(fēng)回路中間，以確保線路最小化，使管道費(fèi)用達(dá)到最佳；③為了確保冷卻劑回路中的空氣完全排出， Z方向必須設(shè)置在冷卻劑回路的頂部與泵的中間；④因其聯(lián)接管道較多，故應(yīng)盡可能地設(shè)置在車體上或車體較固定的位置，以防止所聯(lián)接管線的震動(dòng)。

（2）一種 PTC式熱水器。PTC水暖器是一種公共的熱能來(lái)源，也是用于汽車、汽車、汽車等行業(yè)的供暖設(shè)備。根據(jù)各部分的安裝情況， PTC熱水熱水器的產(chǎn)品可能略有差別，通常都是豎向設(shè)置，并且進(jìn)、出口管道不能向下。其布局應(yīng)從排氣通暢，換熱充分，流阻小，便于維護(hù)和電磁兼容等角度進(jìn)行。 PTC冷卻劑下入上出，既能確保 PTC內(nèi)的流動(dòng)通道中沒(méi)有過(guò)剩的氣體，又能提高傳熱效率。PTC水暖風(fēng)機(jī)的安裝位置宜設(shè)在泵的上部，靠近閥門(mén)、排汽室等部位，這樣可以使回流阻力最小，節(jié)約管道費(fèi)用。另外，為避免產(chǎn)生 EMI的危險(xiǎn)，應(yīng)盡可能避免與電氣傳動(dòng)裝置等電氣設(shè)備接觸。

（3）電力泵（electric pump）。回路運(yùn)轉(zhuǎn)需要用到的是電動(dòng)泵，因?yàn)樗锩嫜b有馬達(dá)，所以它的馬達(dá)要與整個(gè)車身的軸平行，而且要使它處于冷卻劑回路的最低處，與排出點(diǎn)之間有一段距離，這樣才能確保它的廢氣充分雯不會(huì)因?yàn)閾饺攵档凸ぷ餍?，甚至?xí)斐杀玫娜~片破損。其次，在結(jié)構(gòu)布局上要兼顧其本身工作振動(dòng)引起的噪聲、振動(dòng)和聲振不平等因素，并將其配置于整車，實(shí)現(xiàn)二次振動(dòng)抑制。在布局有限的情況下，為了使系統(tǒng)的減震性能得到最大程度的發(fā)揮，必須對(duì)其本身進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 熱管理系統(tǒng)管路布置原則

將散熱管道分成兩種，一種是供冷媒用的鋁管，另一種是用來(lái)輸送冷卻劑的橡膠管。在管道布局方面，除按規(guī)定進(jìn)行接線之外，還應(yīng)考慮保安防災(zāi)、隔震、降噪等因素，流體阻力是管道布局設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。

（1）管道要盡可能的平滑，從流動(dòng)阻力的角度來(lái)看，要避免彎道和彎道。

（2）為了防止由于組裝誤差過(guò)大而造成的難以安裝，對(duì)位于各部分的空調(diào)器配件間的冷卻連接管，應(yīng)設(shè)置一節(jié)膠管。撓性管要有適當(dāng)?shù)那剩瑩闲怨艿哪┒艘３痔烊坏男螤?，不能發(fā)生扭轉(zhuǎn)，也不能因?yàn)楸贿B接部的移動(dòng)而導(dǎo)致管道從它的中心軸所處的平面上偏移。與壓氣機(jī)連接的膠管的安裝表面，其軸向應(yīng)該與壓氣機(jī)的震動(dòng)方向相同。冷卻水管不能與加熱、轉(zhuǎn)動(dòng)、震動(dòng)和尖銳部位接觸。

（3）在管道中增設(shè)壓力開(kāi)關(guān)、供液閥和電磁閥等元件時(shí)，要注意有關(guān)零件的安裝和維護(hù)的方便性。

3 熱管理系統(tǒng)布置案例

3.1 基礎(chǔ)車熱管理系統(tǒng)布置方案

基礎(chǔ)車熱管理系統(tǒng)布置方案，旨在為車輛提供一個(gè)高效、節(jié)能的熱管理解決方案，以確保車輛在各種運(yùn)行條件下都能保持最佳的性能和舒適度。該方案通過(guò)精心設(shè)計(jì)的熱交換器、冷卻系統(tǒng)和溫度控制單元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛內(nèi)部和發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度的精確管理。系統(tǒng)能夠根據(jù)外部環(huán)境溫度、車輛負(fù)荷以及駕駛者設(shè)定的車內(nèi)溫度偏好，自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻液流量和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，以達(dá)到最優(yōu)的熱效率。此外，基礎(chǔ)車熱管理系統(tǒng)布置方案還考慮了車輛的長(zhǎng)期耐用性和維護(hù)便捷性。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)組件易于拆卸和更換，大大減少了維修時(shí)間和成本。同時(shí)，系統(tǒng)還具備自我診斷功能，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并報(bào)告潛在的故障，確保車輛運(yùn)行的安全性和可靠性。

3.2 熱管理系統(tǒng)布置優(yōu)化方案

根據(jù)以上所提出的底盤(pán)車輛散熱系統(tǒng)布局規(guī)劃中所出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行了布局的優(yōu)化研究。它去掉了原來(lái)的動(dòng)力總成框架，把原來(lái)布置在發(fā)動(dòng)機(jī)框架和車體之間的懸掛換成了發(fā)動(dòng)機(jī)艙的橫梁和電動(dòng)傳動(dòng)設(shè)備的中間。并以艙室的梁為承載物，對(duì)其有關(guān)元件進(jìn)行了適當(dāng)?shù)呐渲?，在不震?dòng)的艙室梁上，橫向地配置板式換熱器、 PTC水加熱器、三通水閥、加熱水泵等零部件。與原有的底盤(pán)設(shè)計(jì)相比，新設(shè)計(jì)的底盤(pán)在振動(dòng)、回油、流阻、防水等方面均有較大提高，在保持車身緊湊的同時(shí)，能夠兼顧車輛各個(gè)方面的各項(xiàng)性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了全電動(dòng)汽車座艙和動(dòng)力電池散熱系統(tǒng)的合理布局。

3.2.1 振動(dòng)改善

提出了一種新的結(jié)構(gòu)形式，即將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)裝置置于發(fā)動(dòng)機(jī)艙梁之下，通過(guò)懸掛來(lái)緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)。通過(guò)這種方式，可以使設(shè)置在艙室梁上部的散熱元件不受震動(dòng)擾動(dòng)，從而可以防止傳動(dòng)裝置振源處的震動(dòng)直接傳導(dǎo)給散熱元件，從而有效地避免管道發(fā)生振動(dòng)破壞的危險(xiǎn)。如表1所示，冷卻管內(nèi)只有兩條與壓縮機(jī)相關(guān)的管道具有振動(dòng)傳輸通道，與基本車輛相比，顯著地減小了，而熱水管中的全部管道都沒(méi)有與振動(dòng)源相連，可以避免管道發(fā)生振蕩破壞的危險(xiǎn)，也可以降低由于管道的長(zhǎng)度而造成的減振費(fèi)用。

3.2.2 積油改善

作為空調(diào)機(jī)組的“心”，其良好的潤(rùn)滑與散熱關(guān)系到機(jī)組的“心臟”能否平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。壓縮機(jī)的潤(rùn)滑方式是依靠壓縮機(jī)內(nèi)的聚醋酸（POE）潤(rùn)滑油來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而機(jī)油的循環(huán)對(duì)于保持壓縮機(jī)的正常潤(rùn)滑非常關(guān)鍵，通常需要將系統(tǒng)的流動(dòng)阻力控制在一定范圍內(nèi)，不然就會(huì)出現(xiàn)回油不順暢或者零件上有油。在增設(shè)了一套熱力管理后，因增設(shè)了多個(gè)支路，從而增大了燃油沉積的危險(xiǎn)性。在原有的配置方式中，將與板式換熱器相連的低壓管抽頭位置置于系統(tǒng)的最高端與蒸發(fā)器間，模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在壓力的影響下，壓力管道中的三通口返回的機(jī)油會(huì)因自身的重量而流入蒸發(fā)器內(nèi)，從而產(chǎn)生積炭。為此，通過(guò)對(duì)支管結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，將板式熱交換器的低壓支管盡可能地設(shè)置在壓氣機(jī)吸入口附近，既能減少回流路徑，又能防止油進(jìn)入其它換熱設(shè)備，模擬計(jì)算顯示，該方案對(duì)回流油有較好的效果。

3.2.3 其他改善

這一次的熱管理系統(tǒng)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)也針對(duì)原有底盤(pán)存在的諸多缺陷進(jìn)行了改進(jìn)，給出以下改進(jìn)：

（1）與之相應(yīng)的空調(diào)熱管理部件如板式換熱器、 PTC水加熱器、三通水閥、加熱水泵等，其設(shè)置緊密并大致在一個(gè)平面上，并且彼此之間的管線都比較少，而管道的直線部分則比較多，并且方向比較合理。由表3的比較可知，熱風(fēng)管道的長(zhǎng)度明顯減少，管道內(nèi)的流體阻力也得到了明顯的減少，整體的散熱效果也得到了明顯的改善。

（2）除了壓氣機(jī)之外，板式換熱器、ITC水加熱器和加熱水泵等部件都設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的上部，遠(yuǎn)離地板，這樣可以避免車輛涉水和濺水等水密的危險(xiǎn)。

（3） PTC熱水加熱器和加熱泵安裝在艙室的梁上，與電氣傳動(dòng)組件保持一定的距離，這樣可以避免 EMI，減少EMC隱患。

（4）將板式換熱器、PTC水加熱器和加熱水泵等電氣裝置設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的梁上，便于操作，便于拆除和維護(hù)。

4 結(jié)論

總之，在設(shè)計(jì)散熱設(shè)備時(shí)，應(yīng)充分考慮管路設(shè)計(jì)布局，零部件間隙對(duì)環(huán)境的要求，固定可靠性，組裝可行性，拆卸與維護(hù)的方便性和設(shè)計(jì)的美感。在汽車研發(fā)階段，首先要對(duì)總體布局方案進(jìn)行多個(gè)指標(biāo)的權(quán)衡和驗(yàn)證，以求最佳方案。

在研制成功后，要在實(shí)車試車中多次測(cè)試和完善，以滿足預(yù)期的要求。通過(guò)對(duì)全電動(dòng)車輛散熱系統(tǒng)布局的研究，提出了一套適合于全電動(dòng)車輛散熱方案的優(yōu)化配置方案。

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