摘要：利用一維分析軟件KULI建立了某新能源車型空調(diào)系統(tǒng)仿真模型，該模型基于幾何參數(shù)和實驗數(shù)據(jù)建立，實現(xiàn)了空調(diào)制冷性能和電池包冷卻性能耦合仿真。模型基于電池包發(fā)熱特性以及空調(diào)系統(tǒng)各邊界條件，在對整個空調(diào)制冷性能、電池包冷卻性能進行了耦合仿真分析后，結(jié)合性能目標對整車空調(diào)系統(tǒng)提出了優(yōu)化方案。最后通過試驗驗證了優(yōu)化方案的可行性，優(yōu)化后的空調(diào)系統(tǒng)可同時滿足整車制冷性能需求以及電池包冷卻性能需求。新能源整車集成熱管理系統(tǒng)由電池包熱管理、乘客艙熱管理和電機驅(qū)動系統(tǒng)熱管理中的2個或3個子系統(tǒng)組成，各熱管理子系統(tǒng)的性能相互影響，存在復(fù)雜的耦合關(guān)系。新能源整車集成熱管理系統(tǒng)反映在空調(diào)系統(tǒng)方面即是乘客艙熱管理和電池包冷卻系統(tǒng)。吳曉敏等分析了中間換熱器出入口條件的改變對整個空調(diào)系統(tǒng)的影響，吳忠杰等研究了夾套式液體冷卻的電池熱管理系統(tǒng)對鎳氫動力電池組冷卻性能的影響。近年來對整車空調(diào)系統(tǒng)及熱管理的研究往往針對某單一系統(tǒng)展開，割裂了各個子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，忽視了對整車層面熱管理系統(tǒng)性能的分析。對電池包冷卻系統(tǒng)來說，其包含電池包組件、電池包冷卻器(簡稱chiller)以及水泵，電池包通過chiller與空調(diào)系統(tǒng)進行換熱，從而實現(xiàn)降溫的目的。在不同工況下電芯溫升不同，放電倍率也不同，造成電池包在不同工況下的發(fā)熱量也不同。電池包內(nèi)部電芯的溫度變化與電池包在充電/放電過程中熱狀態(tài)相關(guān)，一方面電池內(nèi)的電芯在充電/放電過程中發(fā)熱，熱量積累導(dǎo)致溫度升高，另一方面空調(diào)系統(tǒng)通過chiller與電池包產(chǎn)生熱交換，把電芯的熱量帶出，達到給電池包降溫的目的。當電池包的發(fā)熱量和散熱量達到動態(tài)平衡時，電池包溫度即會趨于穩(wěn)定。

當chiller通過空調(diào)系統(tǒng)帶走的熱量小于電池包自身的發(fā)熱量時，電池包溫度就會上升，而電池包溫度上升，其放電功率將受到一定限制，導(dǎo)致發(fā)熱量下降，與chiller達到熱平衡狀態(tài)。當電池包溫度下降，放電功率增大，發(fā)熱量上升，需要通過chiller帶走的熱量增加，而chiller散熱量不變時，電池包散熱量小于發(fā)熱量，產(chǎn)生蓄熱，導(dǎo)致溫度上升，達到新的熱平衡狀態(tài)。

1 仿真模型的建立

以某型號新能源車型空調(diào)系統(tǒng)為例，使用一維仿真軟件KULI建立系統(tǒng)仿真模型，完整模型包含空調(diào)制冷循環(huán)及電池包冷卻循環(huán)?？照{(diào)系統(tǒng)工作原理如圖1所示?？照{(diào)制冷循環(huán)包括冷凝器、蒸發(fā)器、壓縮機及膨脹閥。電池包冷卻循環(huán)靠chiller進行冷媒與電池包冷卻液熱交換，并用冷卻液冷卻電池包，通過空調(diào)制冷循環(huán)將電池包發(fā)熱量帶出。當電池包有散熱需求時，截止閥3打開，電子膨脹閥EXV依據(jù)控制策略開啟一定開度，使得冷媒經(jīng)過電池包冷卻回路，通過chiller同冷卻液進行熱交換，同時電子水泵11運轉(zhuǎn)，使得電池包內(nèi)部冷卻液流量達到設(shè)計要求，且通過chiller與冷媒系統(tǒng)進行熱交換的冷卻液流量達到設(shè)計要求。

圖1 空調(diào)系統(tǒng)工作原理圖在仿真分析過程中，將空調(diào)制冷分為兩個部分，一個是冷媒側(cè)的換熱，包含各個空調(diào)系統(tǒng)的零部件；另一個是空氣側(cè)的換熱，空氣通過冷凝器和蒸發(fā)器與冷媒進行熱交換，即將外界環(huán)境的高溫空氣冷卻后送入乘客艙，同時將乘客艙內(nèi)的熱量傳遞到外界環(huán)境中。制冷回路中各零部件可以用傳熱介質(zhì)描述其工作狀態(tài)和性能。系統(tǒng)以及各元件之間的介質(zhì)流動現(xiàn)象存在以下假設(shè)：1)冷媒在蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)部做一維流動，流動狀態(tài)僅沿管長方向變化，忽略軸向變化及重力影響，且認為在一個計算微元內(nèi)流體均勻分布，狀態(tài)相同。2)忽略蒸發(fā)器和冷凝器管壁的熱阻，同時忽略管壁在軸向的熱量交換。3)空氣做一維流動，氣流均勻分布在散熱器的迎風面上。4)壓縮機的工作特性由壓縮比、壓縮機轉(zhuǎn)速和壓縮機排量共同決定，與其他參數(shù)無關(guān)。5)冷媒在膨脹閥內(nèi)絕熱流動。6)根據(jù)壓縮機模型及單體試驗數(shù)據(jù)計算出不同轉(zhuǎn)速及壓比下的無量綱常數(shù)(等熵效率及容積效率等)，并將在不同轉(zhuǎn)速及壓比下的無量綱常數(shù)輸入仿真軟件，用于模擬壓縮機性能。如圖2所示,建立chiller單體臺架模型,并對chiller進行零部件冷媒側(cè)和水側(cè)換熱性能仿真。將性能仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)對標，當水側(cè)仿真得出的換熱量與試驗數(shù)據(jù)的誤差基本控制在3%以內(nèi)，且chiller冷媒側(cè)進口溫度和冷媒側(cè)出口溫度差值在2～3 ℃，表示chiller零部件仿真模型建模完成。

圖2 chiller單體臺架模型本文使用穩(wěn)態(tài)雙蒸發(fā)器空調(diào)及電池包冷卻耦合仿真模型，如圖3所示，并按空調(diào)性能測試規(guī)范要求進行制冷及電池包冷卻系統(tǒng)仿真計算。

圖3 穩(wěn)態(tài)雙蒸發(fā)器空調(diào)及電池包冷卻耦合仿真模型

2 電池包冷卻對乘客艙制冷的影響

電池包在不同環(huán)境溫度、不同行車工況下其發(fā)熱量不同，需要空調(diào)系統(tǒng)通過chiller帶走的散熱量也不同。表1是某項目電池包發(fā)熱量。表1 某項目電池包發(fā)熱量

在仿真中，使用其行車時最大發(fā)熱量1.6 kW作為熱源，來模擬電池包熱負荷。仿真計算結(jié)果見表2。表2 帶電池包冷卻的仿真計算結(jié)果

分析在相同的冷凝器和蒸發(fā)器進風工況下，電池包冷卻回路開啟與否時，對乘員艙制冷性能的影響。電池包冷卻回路開啟后，蒸發(fā)器的出口冷媒溫度在3個工況下增加2.66～3.10 ℃，蒸發(fā)器內(nèi)的冷媒流量有所減小，同時同等蒸發(fā)器進風溫度條件下，蒸發(fā)器制冷量下降了1 kW左右。因此，針對電池冷卻回路開啟后，乘客艙制冷性能受到較大影響的問題，本文采取以下兩個措施以提高空調(diào)系統(tǒng)性能：1)加大冷凝器前端進風量；2)加大chiller換熱面積。

2.1 加大冷凝器前端進風量

從圖4可以看出，電池冷卻回路開啟后，在50 km/h工況下，蒸發(fā)器制冷量對冷凝器進風量相對最為敏感，提升冷凝器進風量能在一定程度上提升蒸發(fā)器制冷量，降低蒸發(fā)器出口溫度。而對于100 km/h及怠速工況下，冷凝器進風量對蒸發(fā)器制冷量相對不敏感。而在怠速時冷凝器進風量提升10%后，仍不能滿足制冷量需求，通過增大壓縮機轉(zhuǎn)速、加大chiller換熱面積的措施提升制冷量。

2.2 加大chiller換熱面積

對于chiller來說，其換熱量取決于冷媒質(zhì)量流和冷媒進出口焓差值。而chiller性能和電池包冷卻性能的一大評判因素是冷卻液水溫值，對同一套制冷系統(tǒng)來說，電池包制冷量一定時，chiller換熱面積越大，其冷卻液水溫越低。

1—冷凝器進風量減小10%;2—冷凝器進風量不變;3—冷凝器進風量增加10%圖4 不同冷凝器進風量下蒸發(fā)器換熱性能chiller冷媒側(cè)換熱有如下公式:Q=Δm·Δh式中：Q為換熱量；Δh為冷媒進出口焓差值；Δm為chiller內(nèi)部冷媒質(zhì)量流。電池包冷卻打開時，乘客艙制冷回路冷媒流量下降，制冷性能下降。使用更大換熱面積的chiller可以有效解決相關(guān)問題:1)在電池包制冷回路打開且制冷量需求不變的情況下，乘客艙空調(diào)打開：Δm下降，Δh下降，使得chiller內(nèi)部冷媒溫度上升，且進出口冷媒溫度差值上升，由于冷媒與水在chiller內(nèi)部的熱交換，導(dǎo)致chiller側(cè)出口水溫上升，即電池包入口水溫上升。2)在電池包制冷回路打開且制冷量需求不變的情況下，乘客艙空調(diào)關(guān)閉：Δm上升，Δh下降，使得chiller內(nèi)部冷媒溫度下降，且進出口冷媒溫度差值下降，通過冷媒與水在chiller內(nèi)部的熱交換，導(dǎo)致chiller側(cè)出口水溫，即電池包入口水溫下降。

3 試驗結(jié)果

為解決電池包冷卻回路開啟后，乘客艙制冷性能受影響較大的問題，采用提升冷凝器進風量，并提升怠速工況下壓縮機轉(zhuǎn)速，同時加大chiller換熱面積的措施。對比某新能源車型實施優(yōu)化措施前后的試驗數(shù)據(jù)，如圖5～7所示。在電池包冷卻方面，隨著試驗時間的變化，加大chiller換熱面積，當乘客艙空調(diào)打開時，chiller出口冷媒溫度相比優(yōu)化前變化不大，而chiller進口冷媒溫度升高，其冷媒焓差值增大，提升了chiller換熱效率，表征在電池包冷卻液側(cè)換熱上是chiller出口水溫下降，相應(yīng)的其進口水溫上升。

圖5 chiller優(yōu)化前后進出口冷媒溫度

圖6 chiller優(yōu)化前后進出口水溫在chiller開啟時，其乘客艙出風口平均溫度與優(yōu)化前相比基本不變，chiller換熱對乘客艙制冷幾乎沒有影響;優(yōu)化后乘客頭部(呼吸面)平均溫度略微低于優(yōu)化前，chiller換熱效率的提升對乘客艙制冷有一定貢獻。

圖7 優(yōu)化前后整車出風口平均溫度及乘客頭部平均溫度

4 結(jié)論

1)增加冷凝器進風量，能有效提高空調(diào)系統(tǒng)制冷性能，相同工況下，提高10%進風量，能貢獻7%的蒸發(fā)器制冷量。2)加大chiller換熱面積，在同等制冷量情況下能有效降低chiller進口冷媒低壓值和出口水溫，提高冷媒質(zhì)量流，進而提高chiller換熱效率，從而在節(jié)能的同時提高電池包冷卻性能。以某車型chiller出口水溫15 ℃為例，加大chiller換熱面積可將進口冷媒低壓值從243 kPa提升至315 kPa，極大降低了電池包冷卻對乘客艙制冷的影響。

作者：程 樹1,2，黃 炯1,2，曾志嶸1，李 鑫1，李明敏1

1.江鈴汽車股份有限公司產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)中心

2.江西省汽車噪聲與振動重點實驗室