摘 要：文章基于純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池利用前端散熱器進(jìn)行降溫的過(guò)程，采用仿真與試驗(yàn)結(jié)合的方式對(duì)水泵轉(zhuǎn)速與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速分別對(duì)動(dòng)力電池溫控回路的冷卻液水溫及電池降溫速度的影響進(jìn)行分析。從分析與測(cè)試結(jié)果得出，高擋風(fēng)扇相對(duì)低擋風(fēng)扇在約100min的降溫過(guò)程中電池溫度低1℃以上，而高水泵相對(duì)低水泵的影響很小，在1℃以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē)；熱管理；電池冷卻

前言

純電動(dòng)汽車(chē)裝配的動(dòng)力電池有多種冷卻方式[1-2]，其中液冷方式的動(dòng)力電池包冷卻時(shí)通過(guò)較低溫度的冷卻液與動(dòng)力電池進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到對(duì)動(dòng)力電池降溫的目的。所以在對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行冷卻前，首先需對(duì)冷卻液進(jìn)行降溫，其中冷卻液降溫一般有兩種方式，一種為通過(guò)電池冷卻器（Chiller）與汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑進(jìn)行熱交換后降溫，另一種方式為與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換而降溫，如圖1所示。

基于散熱器冷卻的方式，由于其受電池冷卻液流量及風(fēng)量的影響，也就是水泵的轉(zhuǎn)速及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速會(huì)影響散熱器對(duì)外換熱的速度及電池本身的換熱量。前期研究一般針對(duì)單電池包冷卻進(jìn)行分析[3-4]。本文對(duì)某純電動(dòng)車(chē)汽車(chē)包含溫控系統(tǒng)的液冷動(dòng)力電池降溫過(guò)程進(jìn)行仿真及試驗(yàn)，對(duì)比不同風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速對(duì)電池降溫速度的影響。為排除在運(yùn)行過(guò)程中電池負(fù)荷不一致的影響，僅分析怠速工況下動(dòng)力電池的降溫過(guò)程。


圖1 某款純電動(dòng)汽車(chē)溫控系統(tǒng)架構(gòu)示意

01  前端模塊進(jìn)風(fēng)量的分析

在電池靜置降溫過(guò)程中電池散熱器需在前艙與環(huán)境進(jìn)行換熱，所以首先對(duì)整車(chē)的前端散熱模塊在不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量進(jìn)行分析。前端模塊主要包括電池散熱器，冷凝器及電驅(qū)散熱器。從進(jìn)風(fēng)方向看，電驅(qū)散熱器布置在冷凝器和電池散熱器后，本次分析主要關(guān)注電池散熱器高速與低速擋風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下的進(jìn)風(fēng)量。

前端模塊下的高低擋位風(fēng)扇轉(zhuǎn)速設(shè)置如表1所示，基本參數(shù)如表2所示。

表1 高低擋位下左右風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速


表2 前端模塊散熱器


將前端模塊的空氣流動(dòng)三維流場(chǎng)看作不可壓縮流動(dòng)[5-6]，其基本控制方程表示如下[7]。

通過(guò)三維仿真分析，得到電池散熱器在高低擋風(fēng)扇下的流場(chǎng)如圖2所示。


圖2 電池散熱器在高低速擋風(fēng)扇下的風(fēng)速分布

依據(jù)圖3所示的溫控系統(tǒng)搭建一維仿真模型，電池溫控回路中冷卻介質(zhì)為乙二醇水溶液（體積比1：1）。


圖3 系統(tǒng)一維仿真分析模型

分析得到電池溫控系統(tǒng)流阻曲線，與水泵兩種轉(zhuǎn)速下的工作曲線進(jìn)行對(duì)比如圖4。


圖4 冷卻液溫控系統(tǒng)流阻曲線及水泵性能曲線

得出兩種水泵占空比下冷卻液流量為：工作點(diǎn)1為90%水泵轉(zhuǎn)速時(shí)系統(tǒng)流量11L/min，工作點(diǎn)2 為50%水泵轉(zhuǎn)速時(shí)系統(tǒng)流量 7.7L/min。兩工作點(diǎn)的水泵功率分析為 56W 和31W，分析結(jié)果如表3所示。

表3 溫控系統(tǒng)在兩種水泵轉(zhuǎn)速下分析結(jié)果


02  電池降溫過(guò)程仿真分析

基于以上風(fēng)量及冷卻液流量分析結(jié)果，分析風(fēng)扇高低擋轉(zhuǎn)速與水泵高低轉(zhuǎn)速對(duì)電池降溫過(guò)程的影響，分析工況如下：

表4 風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速對(duì)電池降溫分析工況


其中散熱器的整體換熱量可根據(jù)傳熱單元數(shù)法進(jìn)行分析，其整體換熱系數(shù)計(jì)算如下式[8]。


式中，kA為整體換熱系數(shù)，d為水力直徑，Nu為努塞爾數(shù)，λ為流體的熱導(dǎo)率，A為換熱面積，Gwall為固體導(dǎo)熱率，下標(biāo)代表氣側(cè)與液側(cè)流體。

分析中忽略電池端的負(fù)載，所以排除電池自發(fā)熱的影響，動(dòng)力電池為高溫降溫過(guò)程，得到電池入水溫和電池平均溫的變化如圖5和圖6所示。


圖5 不同風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速下電池入水溫變化


圖6 不同風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速下電池平均溫度變化

從仿真結(jié)果看，風(fēng)扇高低轉(zhuǎn)速對(duì)電池入水溫及電池平均溫的影響大于水泵轉(zhuǎn)速。高擋風(fēng)扇對(duì)低擋風(fēng)扇可使電池溫度下降 1℃以上，而高速水泵對(duì)低速水泵電池溫度下降小于 1℃，另外電池水泵在高低轉(zhuǎn)速下的功率相差約25W，風(fēng)扇擋位在高低擋位下的功率相差約317W。

03  電池降溫過(guò)程試驗(yàn)分析

同樣針對(duì)整車(chē)怠速工況，對(duì)比高低速風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速對(duì)動(dòng)力電池降溫速度影響，試驗(yàn)工況如下表所示。

表5 電池降溫速度影響試驗(yàn)工況


針對(duì)以上測(cè)試工況得到不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及水泵轉(zhuǎn)速電池入水溫變化曲線和電池平均溫度變化曲線如圖7和圖8所示。


圖7 不同風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速下電池入水溫變化


圖8 不同風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速下電池平均溫度變化

仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比，環(huán)境溫度為25℃，將測(cè)試的動(dòng)力電池入水溫度與電池平均溫度值變化曲線與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如下圖所示。


圖9 仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

從以上對(duì)比可知，快冷與慢冷模式的入水溫及電池平均溫仿真與測(cè)試數(shù)據(jù)較接近，仿真結(jié)果具有工程參考意義。

04  總結(jié)

本文分析了純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池通過(guò)散熱器散熱過(guò)程中水泵與風(fēng)扇對(duì)冷卻液溫度和動(dòng)力電池溫度的影響。針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)怠速降溫過(guò)程，通過(guò)三維及一維結(jié)合的仿真方式，得出高速擋風(fēng)扇相對(duì)低速風(fēng)扇最終電池溫度低 1℃以上，而高速水泵相對(duì)低速水泵的影響在 1℃以內(nèi)，并通過(guò)動(dòng)力電池的降溫試驗(yàn)證得出了相同結(jié)論。對(duì)通過(guò)散熱器冷卻的液冷動(dòng)力電池散熱有一定的指導(dǎo)意義。

來(lái)源：期刊《汽車(chē)實(shí)用技術(shù)》，作者：胡福勝，歐陽(yáng)陳志，朱林培