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基于電機(jī)余熱回收的電動(dòng)汽車熱管理性能分析

2021-11-30 17:49:10·  來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  作者：朱波等  
　
文章來(lái)源:1.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院2.合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院,3.拉夫堡大學(xué)0引言為應(yīng)對(duì)環(huán)境污染等全球問(wèn)題,發(fā)展純電動(dòng)汽車成為我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的重
文章來(lái)源:1.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院2.合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院,3.拉夫堡大學(xué)
0引言
為應(yīng)對(duì)環(huán)境污染等全球問(wèn)題,發(fā)展純電動(dòng)汽車成為我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的重要戰(zhàn)略.而低溫環(huán)境對(duì)純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程和充放電等性能是一個(gè)非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn).在低溫環(huán)境中,動(dòng)力電池可用能量和可輸出功率衰減嚴(yán)重,且長(zhǎng)期在低溫工作會(huì)加速電池老化?縮短使用壽命.因此,電動(dòng)汽車熱管理技術(shù)成為緩解里程焦慮,保證電池?電機(jī)工作性能的關(guān)鍵技術(shù)之一.
目前,在低溫環(huán)境下行車過(guò)程中,應(yīng)用較多的電池加熱方式主要有通過(guò)PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)為電池加熱和通過(guò)換熱器利用電機(jī)余熱為電池加熱.PTC材料是一種對(duì)溫度敏感的半導(dǎo)體電阻材料,當(dāng)PTC溫度超過(guò)設(shè)定的溫度閾值時(shí),其電阻會(huì)顯著增加,可將加熱器的溫度維持在一定水平.PTC加熱器(后文簡(jiǎn)稱為PTC)給鋰電池加熱會(huì)大幅消耗鋰電池能量,加劇里程焦慮.通過(guò)換熱器利用電機(jī)余熱為電池加熱是比較新型的電池加熱方式,可以縮短PTC開(kāi)啟時(shí)間,減少電池能耗.但由于換熱器換熱利用率不高,難以充分利用電機(jī)余熱.
為了進(jìn)一步提高行車過(guò)程中的電池加熱效率,有部分學(xué)者嘗試將電機(jī)熱管理系統(tǒng)與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)串聯(lián),采用比例閥與四通閥將電機(jī)冷卻液進(jìn)行分流,通過(guò)控制進(jìn)入電機(jī)散熱器的流量,改變進(jìn)入電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻液溫度.考慮到分流后進(jìn)入電池回路的熱量只是電機(jī)余熱的一部分?并未充分利用電機(jī)余熱,本文提出了一種新型集成熱管理系統(tǒng)(后文簡(jiǎn)稱集成熱管理系統(tǒng))采用電磁開(kāi)關(guān)閥直接實(shí)現(xiàn)電機(jī)熱管理系統(tǒng)與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的串并聯(lián),制定低溫環(huán)境下集成熱管理系統(tǒng)控制策略,并在不同低溫環(huán)境下進(jìn)行了仿真分析.結(jié)果表明,集成熱管理系統(tǒng)在電池溫度維持及電池能耗方面均優(yōu)于傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),有效緩解里程焦慮.
1基于電機(jī)余熱回收的電動(dòng)汽車集成熱管理
1.1集成熱管理系統(tǒng)構(gòu)型
本文提出的集成熱管理系統(tǒng)如圖1所示.電機(jī)熱管理系統(tǒng)?電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)通過(guò)閥1?閥3等實(shí)現(xiàn)流通換熱,空調(diào)和電池通過(guò)閥6?閥7等實(shí)現(xiàn)熱交換.其中電機(jī)外部包有保溫材料,以充分利用電機(jī)余熱.
根據(jù)閥的不同狀態(tài),電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可以分為4種工作模式,如表1所示.閥狀態(tài)由8位2進(jìn)制數(shù)組成,從左到右第1~7位分別表示閥1~7,其中第8位為PTC開(kāi)啟信號(hào).其中閥1和閥3斷開(kāi)即為傳統(tǒng)并聯(lián)構(gòu)型模式.

模式1表示電機(jī)與電池流通循環(huán),利用電機(jī)余熱為電池加熱.PTC開(kāi)啟給電池加熱;模式2電機(jī)與電池流通循環(huán),利用電機(jī)余熱為電池加熱,PTC關(guān)閉;模式3表示電池小循環(huán)運(yùn)行,此時(shí)電機(jī)及PTC均不為電池加熱;模式4表示電池大循環(huán)運(yùn)行,電池的熱量通過(guò)散熱器散掉.
1.2電池?zé)峁芾砟Ｐ?/span>
目前動(dòng)力電池主要采用的是鋰離子電池,其熱交換模型為:

式(1)中:Qa-w為環(huán)境溫度與冷卻液的對(duì)流換熱功率;Qx-w為電機(jī)?散熱器?PTC對(duì)冷卻液的換熱功率;Qb-w為電池包對(duì)冷卻液的換熱功率;Cw為冷卻液比熱容;mw為冷卻液質(zhì)量;Tw為冷卻液溫度.

式(2)中:h1為環(huán)境溫度與冷卻液的換熱系數(shù);h2為冷卻液與電池包的換熱系數(shù);Tb為動(dòng)力電池溫度;Ta為環(huán)境溫度;QP,R-w為電池散熱器或PTC對(duì)冷卻液的換熱功率;qcell為鋰離子電池的生熱速率;Qm-w為電機(jī)對(duì)冷卻液的換熱功率.
1.3低溫環(huán)境下集成熱管理系統(tǒng)控制策略
根據(jù)能量守恒,電池溫度變化取決于外部加熱?自身制熱總功率?電池?zé)彷椛?熱對(duì)流等散熱總功率的變化;具體地,電池溫度?冷卻液溫度?環(huán)境溫度以及電磁閥信號(hào)等相關(guān)關(guān)系式為:

當(dāng)某一工作模式信號(hào)為0時(shí),此時(shí)此工作模式下所有電磁閥均為0信號(hào),相關(guān)循環(huán)回路冷卻液對(duì)電池包的有效冷卻(加熱)功率為0,表明此循環(huán)回路對(duì)電池包的溫度沒(méi)有影響,電池包溫度取決于其他工作模式信號(hào)為1的循環(huán)回路.
集成熱管理系統(tǒng)需根據(jù)環(huán)境溫度?各運(yùn)行部件循環(huán)回路冷卻液溫度等狀態(tài)進(jìn)行模式切換,將動(dòng)力電池的溫度控制在25℃附近.因此,本文提出了如圖2所示的集成熱管理系統(tǒng)邏輯控制策略.圖中Tbat為電池溫度.處于低溫環(huán)境時(shí),電池進(jìn)入工作模式1;當(dāng)Tbat≥15℃時(shí),進(jìn)入工作模式2;此時(shí)PTC關(guān)閉,由于電池的熱輻射以及熱對(duì)流散熱,電池溫度可能降低,若Tbat<13℃,則又返回到工作模式1;當(dāng)tbat≥26℃時(shí),進(jìn)入工作模式3;此時(shí)ptc及電機(jī)余熱均不為電池加熱,電池溫度可能降低,若tbat<25℃,則又返回到工作模式2;若tbat≥30℃,進(jìn)入工作模式4.需要注意的是,上述策略中13℃< span="">?15℃?25℃?26℃以及30℃等溫度閾值可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整,本文僅依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取未作優(yōu)化.

2仿真分析
2.1仿真設(shè)定
為驗(yàn)證該集成熱管理系統(tǒng)的性能?全面反映該結(jié)構(gòu)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性,本文在AMESim中建立電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)仿真模型,將集成熱管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行對(duì)比仿真.傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制策略與圖2集成熱管理系統(tǒng)控制策略相似,不同之處為只有圖2中的電池工作模式1?3?4,電池工作模式1中只有PTC加熱,當(dāng)Tbat≥15℃時(shí),進(jìn)入工作模式3;此時(shí)PTC關(guān)閉,電池溫度可能降低,若Tbat<13℃,則又返回到工作模式2;當(dāng)tbat≥30℃時(shí),進(jìn)入工作模式4,電池進(jìn)行散熱.< span="">
整車集成熱管理系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表2所示.仿真環(huán)境溫度分別設(shè)置為-10℃?-5℃?0℃.仿真工況為10個(gè)CLTC(中國(guó)循環(huán)工況).

2.2結(jié)果分析
電池溫度如圖3?圖4所示.顯然,圖中均有兩個(gè)階段,一個(gè)階段電池溫度快速上升,另一階段電池溫度緩慢上升且最終維持在某一溫度處.為方便描述,圖中構(gòu)型A為集成熱管理系統(tǒng),構(gòu)型B為傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng).


在圖3?圖4中,電池溫度由環(huán)境溫度第一次加熱到15℃,此階段定義為電池加熱階段.加熱階段結(jié)束后直到電池溫度大于30℃,此階段定義為電池保溫階段.加熱階段電池溫度圖及PTC開(kāi)關(guān)信號(hào),如圖5~7所示,其中加熱起點(diǎn)分別為環(huán)境溫度,加熱終點(diǎn)為15℃(即策略中PTC開(kāi)關(guān)信號(hào)首次關(guān)閉點(diǎn)),實(shí)線代表集成熱管理系統(tǒng),虛線代表傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),黑色為電池溫度,紅色為PTC開(kāi)關(guān)信號(hào).
由加熱階段電池溫度曲線可以看出,細(xì)實(shí)線代表的A構(gòu)型電池溫度始終在細(xì)虛線表示的B構(gòu)型電池溫度的上方,即集成熱管理系統(tǒng)電池溫度上升曲線斜率高于傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng).由PTC開(kāi)關(guān)信號(hào)線可以看出,集成熱管理系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),PTC提前關(guān)閉(即電池溫度更快到達(dá)15℃).不同低溫環(huán)境下(-10℃~0℃),集成熱管理系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),加熱階段所需時(shí)間分別縮短了343s?250s?111s.加熱階段所需時(shí)間如表3所示.保溫階段的平均溫度統(tǒng)計(jì)如表4所示.

由圖2本文策略可知,理論上集成熱管理系統(tǒng)可以將電池溫度維持在25℃左右;由傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)策略可知,傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)只能將電池溫度維持在14℃左右.然而,由于工況和環(huán)境溫度的影響,實(shí)際上集成熱管理系統(tǒng)的電池保溫階段平均溫度并未達(dá)到25℃,但相對(duì)于傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的14℃,集成熱管理系統(tǒng)更接近電池適溫區(qū).
保溫階段集成熱管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電池溫度維持的方式有兩種:①電機(jī)余熱;②電機(jī)余熱+PTC.而傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是僅通過(guò)不斷啟停PTC維持電池溫度.集成熱管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在仿真過(guò)程中的PTC開(kāi)閉信號(hào)如圖8所示.
從圖8可知,集成熱管理系統(tǒng)的PTC在-10℃~0℃時(shí)只開(kāi)關(guān)一次,而傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的PTC需頻繁開(kāi)關(guān).PTC頻繁開(kāi)關(guān)引起放電倍率頻繁變化,且PTC開(kāi)啟會(huì)增大放電倍率,從而會(huì)加速電池容量的衰減.另一方面,電池的適溫區(qū)是25℃~40℃[21],相較于傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)將電池溫度維持在14℃左右,集成熱管理系統(tǒng)可將電池溫度保持在20℃附近?更有利于提升電池使用壽命.

不同環(huán)境溫度下集成熱管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的PTC能耗變化如圖9所示.顯然,加熱階段后,集成熱管理系統(tǒng)PTC能耗不再上升,而傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的PTC能耗則呈持續(xù)上升趨勢(shì).因此,集成熱管理系統(tǒng)PTC能耗更低.

低溫環(huán)境下電池溫度和PTC開(kāi)啟時(shí)間會(huì)直接影響到電池SOC變化,進(jìn)而影響電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程.為了分析集成熱管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在低溫環(huán)境下能耗差異,以及不同環(huán)境溫度對(duì)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的影響,本文將低溫環(huán)境(-10℃~0℃)以及常溫環(huán)境(25℃)下不同構(gòu)型在既定工況仿真終止SOC統(tǒng)計(jì)如圖10所示,不同低溫環(huán)境下與常溫環(huán)境下終止SOC差值統(tǒng)計(jì)如表5所示.

從圖10可知,在不同低溫環(huán)境下集成熱管理系統(tǒng)較傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在綜合能耗上均有不同幅度的降低,-10℃?-5℃?0℃環(huán)境下分別可提高7.70%?6.12%?4.39%的經(jīng)濟(jì)性.由表5可知,傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在不同低溫環(huán)境下的終止SOC較常溫環(huán)境下最大降低9.77%,而受益于電機(jī)余熱的充分利用,集成熱管理系統(tǒng)在不同低溫環(huán)境下的終止SOC較常溫環(huán)境降低不超過(guò)2.07%.由此可知,集成熱管理系統(tǒng)大幅削弱了環(huán)境溫度對(duì)于續(xù)駛里程的影響,可以有效緩解里程焦慮.
3結(jié)論
為提高續(xù)航里程?改善電動(dòng)汽車"里程焦慮"的問(wèn)題,本文提出了一種基于電機(jī)余熱回收的電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng),在低溫環(huán)境下利用電機(jī)與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的串并聯(lián)切換,滿足電池加熱與保溫的需求.
不同低溫環(huán)境下(-10℃~0℃)的仿真結(jié)果表明,集成熱管理系統(tǒng)在加熱階段較傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的加熱時(shí)間可縮短111~343s,可更快到達(dá)目標(biāo)溫度;在保溫階段,集成熱管理系統(tǒng)可通過(guò)電機(jī)余熱將電池溫度保持在20℃附近,不僅更接近電池適溫區(qū),而且避免了頻繁啟動(dòng)PTC加熱器,有利于延長(zhǎng)電池壽命?降低車輛總體使用成本.集成熱管理系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)余熱實(shí)現(xiàn)對(duì)電池溫度及PTC加熱器開(kāi)啟時(shí)間的改善,在不同環(huán)境溫度下(-10℃~0℃)可降低了4.39%~7.70%的綜合能耗;另一方面,集成熱管理系統(tǒng)將環(huán)境溫度對(duì)綜合消耗的影響從傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的9.77%降低到了2.07%,顯著緩解了環(huán)境溫度造成的里程焦慮問(wèn)題.
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