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純電動(dòng)汽車?yán)涿街崩潆姵責(zé)峁芾硐到y(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

2020-10-26 20:54:38·  來(lái)源：新能源汽車熱管理仿真技術(shù)  
　
針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池能量密度逐漸上升及快充過(guò)程中電池發(fā)熱量大的問(wèn)題，本文提出采用蜂窩型單面吹脹鋁板作為電池冷板的一種新型冷媒直冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，充分利
針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池能量密度逐漸上升及快充過(guò)程中電池發(fā)熱量大的問(wèn)題，本文提出采用蜂窩型單面吹脹鋁板作為電池冷板的一種新型冷媒直冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，充分利用制冷劑在流道內(nèi)的高沸騰傳熱潛熱處理動(dòng)力電池?zé)嶝?fù)荷。為了研究此冷媒直冷熱管理系統(tǒng)的運(yùn)行性能，構(gòu)建了新型直冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置，并在UDDS 標(biāo)準(zhǔn)工況下開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究。測(cè)試結(jié)果表明：在6kW下的最大設(shè)計(jì)發(fā)熱量下，系統(tǒng)在150 s左右可快速響應(yīng)熱管理需求，具有較快的溫度響應(yīng)特性；電池冷板表面平均溫度可控制在15~20℃的最佳溫度區(qū)間，并達(dá)到溫差小于 4 ℃的良好均溫性，且系統(tǒng)COP 穩(wěn)定在2.8以上基于鋰離子電池?zé)崽匦匝芯堪l(fā)現(xiàn)，其最佳工作溫度區(qū)間為 25~35 ℃[4]且模組溫度均一性應(yīng) 在5℃以內(nèi)。因此，開(kāi)發(fā)高效可靠的動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，保證合理的工作溫度區(qū)間以及均溫 性是純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)提升效率、壽命、改善 續(xù)航里程以及保證安全性能的關(guān)鍵技術(shù)之一。
 
基于冷卻液冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)現(xiàn)已被廣泛使用冷媒直冷系統(tǒng)在液冷系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)整車熱管理系統(tǒng)進(jìn)行高度集成，將電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS, battery thermal managementsystem) 與艙內(nèi)HVAC系統(tǒng)耦合于電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)，動(dòng)力電池通過(guò)直冷冷板直接與制冷劑進(jìn)行換熱。與液冷系統(tǒng)利用冷卻液顯熱相比，直冷系統(tǒng)利用制冷劑的汽化潛熱來(lái)滿足電池?zé)嵝枨?，系統(tǒng)冷卻效率提升近5倍，且省去了冷卻液二次回路，使整車熱管理系統(tǒng)部件大大減少，成本與重量降低的同時(shí)消除熱滯后性、提升系統(tǒng)安全性，故直冷系統(tǒng)將是電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[。Cen Jiwen等將傳統(tǒng)管翅式結(jié)構(gòu)和新型鋁殼結(jié)合，為圓形電池設(shè)計(jì)了新型的直冷散熱框架，結(jié)果表明模組溫度可控制在合理的溫度區(qū)間內(nèi)，在1.5C的放電速率下電池模組溫差可保持在4℃以內(nèi)。但是其冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜且與我國(guó)大部分廠商所采用的方形電池模組不適配。何賢等設(shè)計(jì)并研制了一8 kW 直冷電池冷卻機(jī)組，結(jié)果表明系統(tǒng)冷卻性能滿足要求，冷板進(jìn)出口最大溫差小于5℃?？偨Y(jié)現(xiàn)有直冷系統(tǒng)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)者均未對(duì)直冷系統(tǒng)電池冷板設(shè)計(jì)詳細(xì)表述，少數(shù)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的冷板結(jié)構(gòu)不適合于主流方形模組形式。針對(duì)上述問(wèn)題本文提出一種采用新型蜂窩型單面吹脹鋁板的直冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)口琴管流道相比，增大部件傳熱面積，可提升系統(tǒng)冷卻速率，搭建了新型吹脹冷板系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)并在UDDS測(cè)試工況環(huán)境溫度下對(duì)系統(tǒng)溫度控制特性包括響應(yīng)時(shí)間、冷卻性能以及 均溫性進(jìn)行測(cè)試和討論。
 
1 新型吹脹冷板直冷系統(tǒng)
系統(tǒng)原理新型吹脹冷板直冷系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱：直冷統(tǒng))系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。直冷系統(tǒng)由電動(dòng)渦旋壓縮機(jī)、平行流微通道換熱器、電池冷板、電子膨脹閥、儲(chǔ)液器、氣液分離器等主要部件組 成。直冷系統(tǒng)的工作原理為電動(dòng)壓縮機(jī) 1 排出的 高溫高壓制冷劑蒸氣經(jīng)艙外換熱器 2 冷凝、在儲(chǔ) 液器 4 后分流至兩個(gè)子回路，分別流經(jīng)電子膨脹 閥 5、9 節(jié)流后進(jìn)入電池冷板 6 以及艙內(nèi)蒸發(fā)器 10 蒸發(fā)吸熱，匯合流經(jīng)氣液分離器 13 以過(guò)熱狀 態(tài)回到壓縮機(jī)，完成一個(gè)完整的直冷冷卻循環(huán)。
 
1.2 電池冷板設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)口琴管式流道存在著分流困難和傳熱 面積較小的缺點(diǎn)，圖 2 所示為 3 種流道單元結(jié)構(gòu) 的仿真結(jié)果，傳熱單元固體域設(shè)置內(nèi)熱源，外壁面與環(huán)境對(duì)流傳熱，介質(zhì)流經(jīng) 3 種不同結(jié)構(gòu)的流 道對(duì)仿真單元進(jìn)行冷卻。在計(jì)算域面積相等和仿 真工況相同的前提下，與傳統(tǒng)的口琴管流道冷板結(jié)構(gòu)(Ⅰ)相比，四邊形流道(Ⅱ)與蜂窩型流道(Ⅲ) 的流動(dòng)阻力雖然增加，但是蜂窩型流道（Ⅲ）的 固體域平均溫度較Ⅰ的低且整體溫差更小，說(shuō)明 Ⅲ能夠在有效增強(qiáng)流固耦合傳熱、提升傳熱效率 的同時(shí)實(shí)現(xiàn)固體域側(cè)較佳的均溫性能。
 
 
圖 2 不同結(jié)構(gòu)流道仿真結(jié)
 
 
圖 3 電池冷板上下表面結(jié)構(gòu)
基于上述學(xué)術(shù)思想，本文設(shè)計(jì)并試制了如圖 3 所示的新型蜂窩型流道單面吹脹鋁板，電池冷 板與動(dòng)力電池接觸側(cè)結(jié)構(gòu)為平面，適用于主流方 形電池模組，下表面為蜂窩型六邊形流道。所試制的電池冷板流道寬度為 10 mm，流道高度為 3mm，電池冷板整體厚度為 5 mm，單塊電池冷板面積為 0.56 m2。
 
實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 電池冷板側(cè)夾層結(jié)構(gòu)如圖4 所示，電池冷板 側(cè)為 5 層夾層結(jié)構(gòu)，加熱板與電池冷板間鋪設(shè)厚 度為 0.5 mm 的導(dǎo)熱墊片，底部與頂部布置 2 mm 厚的保溫板并采用高粘泡棉將整個(gè)電池冷板側(cè)進(jìn)行密封以減少電加熱模擬熱源的漏熱以及消 除環(huán)境溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的影響?；趯?shí)際電池模 組分布，沿流程在每個(gè)模組中心點(diǎn)冷板表面布置 K 型熱電偶測(cè)量電池冷板表面溫度，溫度測(cè)點(diǎn) T1~T8 位置分布如圖 4 所示。電池冷板側(cè)傳熱過(guò) 程由 4 個(gè)傳熱環(huán)節(jié)組成，熱平衡關(guān)系式如式（1） 所示
 
 
圖 4 電池冷板側(cè)夾層結(jié)構(gòu)
 
式中：I 、 U 分別為調(diào)壓器測(cè)量電流與電壓，A、V；λ1與 λ2分別為導(dǎo)熱硅脂與電池冷板導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m?K)；h為板內(nèi)對(duì)流換熱表面 傳熱系數(shù)，W/(m2?K)；?T 為流固溫差，K；r 為制冷劑汽化潛熱，J/kg；qm為制冷劑質(zhì)量流量， kg/s；Ai(i=1,2,3)為各環(huán)節(jié)傳熱面積，m2?；谏鲜鲭姵乩浒鍌?cè)測(cè)試結(jié)構(gòu)，搭建如圖 5 所示的測(cè)試臺(tái)架。壓縮機(jī)通過(guò) CAN 總線與控制 系統(tǒng)通信從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，根據(jù)電池冷板出 口過(guò)熱度通過(guò) LIN 總線調(diào)節(jié)電子膨脹閥開(kāi)度，艙外風(fēng)機(jī)風(fēng)量通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。測(cè)試 樣機(jī)采用 8 組硅橡膠加熱板模擬動(dòng)力電池的發(fā) 熱功率，加熱板尺寸根據(jù)模組尺寸進(jìn)行定制，單塊加熱板尺寸為 306 mm×735 mm，模擬熱源配置大功率調(diào)壓器通過(guò)調(diào)節(jié)供電電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)加熱 功率的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)采用的制冷劑為 R134a，利用 制冷劑的汽化潛熱吸收熱源熱量，結(jié)合制冷劑處 于兩相區(qū)域時(shí)忽略壓降前提下溫度恒定的熱力 學(xué)特性來(lái)實(shí)現(xiàn)電池模組的高效冷卻與均溫性能。系統(tǒng)上位機(jī)采用 NI LabView 進(jìn)行系統(tǒng)壓縮機(jī)等 部件的控制以及部分?jǐn)?shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)，熱電偶溫 度采用 Agilent 34901 模塊采集。系統(tǒng)所有連接 管路布置有保溫棉，減少管道漏熱，每個(gè)工況預(yù) 熱 15 min，測(cè)試時(shí)間為 10 min，取系統(tǒng)性能參 數(shù)穩(wěn)定部分進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與測(cè)試結(jié)果分析。新型吹脹冷板直冷系統(tǒng)關(guān)鍵部件特性參數(shù)如表 1 所 示。
 
圖 5 測(cè)試系統(tǒng)示意圖
表 1 關(guān)鍵部件參數(shù)
 
2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析
 
2.1 系統(tǒng)不確定度分析
直冷系統(tǒng)主要部件進(jìn)出口布置高精度鉑電 阻和壓力傳感器。電動(dòng)壓縮機(jī)功率通過(guò)直流電壓和電流變送器測(cè)量，模擬熱源功率通過(guò)調(diào)壓器讀 數(shù)與所測(cè)量電流獲得?？諝鈧?cè)進(jìn)出口布置溫濕度 傳感器，空氣流速通過(guò)高精度風(fēng)速變送器測(cè)量， 冷板表面溫度采用 K 型熱電偶測(cè)量。
為了評(píng)估冷媒直冷熱管理系統(tǒng)的系統(tǒng)性能， 需利用所測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)功耗、換熱量和 COP 等系統(tǒng)性能參數(shù)。系統(tǒng)部件熱力學(xué)平衡
 
式中：Wsys 為系統(tǒng)功耗，kW；∑(qmh)in為進(jìn) 口焓值乘以質(zhì)量流量，kW；∑Qin為輸入熱量， kW；∑(qmh)out為出口焓值乘以質(zhì)量流量，kW；∑Qout為輸出熱量，kW。
系統(tǒng)能效比
 
式中：Qevap為電池冷板側(cè)換熱量，kW，利 用電池冷板進(jìn)出口焓差進(jìn)行計(jì)算；Wsys 為系統(tǒng)功 耗，kW，為壓縮機(jī)功耗與艙外風(fēng)機(jī)電耗之和。對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行不確定度分析，對(duì)于系統(tǒng)換 熱量、COP等非直接測(cè)量的系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)Moffat 公式來(lái)計(jì)算實(shí)驗(yàn)不確定度。經(jīng)過(guò)計(jì)算， 冷媒直冷熱管理系統(tǒng)在所給定工況下，制冷量與 COP 的不確定度分別為 6.2%與8.3%。
 
2.2 系統(tǒng)冷卻性能
 圖 6 所示為在 UDDS 測(cè)試工況環(huán)境溫度 30 ℃下給定硅橡膠加熱板模擬電池發(fā)熱量為 5 kW 時(shí)，電池冷板上表面溫度隨時(shí)間的變化。
 
圖 6 5 kW 工況下電池冷板溫度隨時(shí)間的變化
測(cè)試系統(tǒng)部件啟動(dòng)時(shí)序?yàn)閴嚎s機(jī)啟動(dòng)后 15 s 開(kāi)啟模擬熱源，由于新型吹脹直冷系統(tǒng)的高效 冷卻特性，冷板進(jìn)口處表面溫度下降很快，經(jīng)過(guò) 40 s 平均溫度從 30 ℃降至20 ℃以下，但在系統(tǒng) 運(yùn)行初期，電池冷板出口處制冷劑過(guò)熱度過(guò)大、 冷板與制冷劑間的對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)較小， 故電池冷板出口處表面溫度呈先短暫上升后快速下降的趨勢(shì)，并在 150 s 左右整塊冷板測(cè)點(diǎn)溫 度分布滿足溫控要求，在300 s 后冷板溫度保持 動(dòng)態(tài)平衡。通過(guò)上述分析可知，系統(tǒng)具備較快的 冷卻速率，能夠快速響應(yīng)電池側(cè)熱管理需求。
 
2.3 系統(tǒng)均溫性能
制冷劑在冷板內(nèi)熱力過(guò)程為管內(nèi)沸騰強(qiáng)制 對(duì)流傳熱。在忽略管內(nèi)壓降的理想狀態(tài)下，制冷劑壓力保持恒定，結(jié)合兩相區(qū)溫度壓力一一對(duì)應(yīng)的熱力學(xué)特性，溫度將保持恒定。在實(shí)際傳熱過(guò) 程中，隨著制冷劑在冷板內(nèi)流動(dòng)，由于壓降的存 在，冷板內(nèi)部制冷劑溫度將沿流程逐漸下降，在 流程中某一點(diǎn)處達(dá)到最低值直至過(guò)熱之后溫度逐漸上升。電池冷板與內(nèi)部制冷劑之間的傳熱過(guò) 程為強(qiáng)制對(duì)流傳熱，冷板表面溫度沿流程同樣將 先下降，但 冷板溫度上升臨界點(diǎn)與制冷劑存在差 異，當(dāng)冷板內(nèi)部制冷劑干度上升至某一臨界點(diǎn)，制冷劑流型發(fā)生變化時(shí)，傳熱惡化導(dǎo)致對(duì)流換熱 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降，冷板溫度逐漸上升。如前所述，每塊電池冷板布置 8 個(gè) K 型熱電偶，按照冷卻工況下進(jìn)口到出口熱電偶標(biāo)號(hào)為 T1~T8。圖 7 所示為在模擬模組充放電發(fā)熱功率 為 6 kW 時(shí)，電池冷板表面溫度分布隨時(shí)間的變化。由圖 7 可知，T1~T8 的溫度變化趨勢(shì)滿足上 述理論，電池冷板溫度沿流程一直降至最低點(diǎn) T6，在 T6 之后溫度開(kāi)始呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明在 T6 附近冷板內(nèi)部傳熱開(kāi)始惡化，對(duì)流傳熱換熱 量減小。在控制電池冷板出口過(guò)熱度為 2K 時(shí)， 考慮冷板進(jìn)出口管徑變化造成壓降帶來(lái)的閃發(fā)， 電池冷板大部分面積制冷劑狀態(tài)將始終處于兩 相區(qū)，故電池冷板出口表面溫度與入口基本相 等
 
圖七
圖 8 所示為電池冷板最大溫差隨加熱功率的變化。由圖 8 可知，在加熱功率 3~6 kW 區(qū)間 內(nèi)，保證電池冷板均溫性的前提下,直冷系統(tǒng)冷 板表面溫度能控制在 15~20 ℃，隨著模擬熱源加 熱率的增加，電池冷板表面溫度上升，當(dāng)發(fā)熱功率從 3 kW 增至 6 kW 時(shí)，電池冷板表面最高溫 度從 17.45 ℃增至 20.86 ℃。另一方面，隨著發(fā) 熱功率的增加冷板表面最大溫差上升，均溫性能下降，這是由于冷板內(nèi)的沿程阻力和局部阻力增 大。但在給定的功率區(qū)間內(nèi)，冷板表面的最大溫 差均能精準(zhǔn)地控制在 4 ℃以內(nèi)，滿足電池模組之間所需的均溫性要求
 
圖 8 電池冷板最大溫差隨加熱功率的變化
 
2.4 冷板壓降性能
圖 9所示為電池冷板進(jìn)出口壓降隨加熱功率的變化。由圖 9可知，隨著加熱功率的增加， 系統(tǒng)制冷劑質(zhì)量流量增加，冷板內(nèi)制冷劑流速增 大，冷板的壓降逐漸增大，在最大加熱功率 6 kW 時(shí)，電池冷板的進(jìn)出口壓降最大為 89 kPa。經(jīng)過(guò) 分析，由于進(jìn)出口處管徑的突變，此處壓降占總壓降的比例較大，雖然冷板內(nèi)部流道與直流道相 比壓降會(huì)上升，但六邊形流道在可接受的壓降范 圍內(nèi)達(dá)到較佳的均溫性
 
圖 9 電池冷板進(jìn)出口壓降隨加熱功率的變化
2.5 系統(tǒng)整體性能
圖 10 所示為在 UDDS 標(biāo)準(zhǔn)工況環(huán)境溫度 下，調(diào)節(jié)膨脹閥控制冷板出口過(guò)熱度 2 K，系統(tǒng)高低壓壓力與 COP 隨加熱功率的變化
 
圖 10 系統(tǒng)高低壓與 COP 隨加熱功率的變化
由圖 10 可知，為了滿足電池冷板溫度區(qū)間和均溫性，隨著加熱功率的增加，電動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速增加、系統(tǒng)制冷劑質(zhì)量流量上升，且系統(tǒng)壓降增加，故高低壓壓差上升，系統(tǒng) COP 下降。當(dāng) 加熱功率從 3 kW 增至 6 kW 時(shí)，系統(tǒng)能效雖然 從 3.42 降至 2.82，但在給定的工況區(qū)間內(nèi)，COP 均穩(wěn)定在 2.8 以上。
 
3 結(jié)論
本文提出采用新型蜂窩型單面吹脹鋁板作 為電池冷板的新型冷媒直冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，設(shè)計(jì)了新型冷板并搭建了系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架，基于測(cè)試 結(jié)果，對(duì)冷板控溫性能和系統(tǒng)整體性能進(jìn)行分 析。得到如下結(jié)論：
1）新型吹脹冷板與傳統(tǒng)口琴管流道相比增加了動(dòng)力電池側(cè)傳熱面積，系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)動(dòng) 力電池側(cè)的熱需求，實(shí)現(xiàn)快速冷卻。在給定加熱 功率 5 kW 下，電池冷板平均溫度從 30 ℃降至
20 ℃左右所需時(shí)間約為 150 s，與液冷系統(tǒng)和口 琴管流道相比，系統(tǒng)冷卻效率高。
2）新型吹脹冷板直冷系統(tǒng)在發(fā)熱功率 3~6 kW 區(qū)間內(nèi)，電池冷板溫度能控制在 15~20 ℃， 最大溫差保持在 4 ℃以下，滿足動(dòng)力電池溫控與 均溫性要求。測(cè)點(diǎn) T1~T6 的溫度由于內(nèi)部壓降而逐漸下降，之后 T6~T8 的溫度因干度上升和 傳熱惡化而逐漸上升，冷板壓降隨制冷量的增大 而增大，在 6 kW 時(shí)壓降最大為 89 kPa。
3）UDDS 工況控制冷板出口過(guò)熱度 2 K， 系統(tǒng) COP 隨加熱功率的上升和系統(tǒng)高低壓壓差 上升而降低，穩(wěn)定在 2.8 以上。
 
 
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