胡遠(yuǎn)志,羅毅.純電動(dòng)汽車制冷工況下電池直冷優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2023,37(02):123-133.

摘要：

針對(duì)某款純電動(dòng)汽車相對(duì)獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、電機(jī)熱管理系統(tǒng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)一種滿足夏季制冷工況電池直冷的集成式熱管理系統(tǒng)。首先在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上搭建電池生熱模型，并且將電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中電池冷卻方式由液冷改為更高效的冷媒直冷，然后搭建一維整車熱管理系統(tǒng)優(yōu)化模型，并在新歐洲駕駛循環(huán)工況下仿真測(cè)試。仿真結(jié)果表明：采用電池直冷后整車熱管理系統(tǒng)對(duì)乘員艙、電池及其溫差都有更好的溫控效果，相比于液冷系統(tǒng)其制冷能效比提高 0.47，整車電能消耗可降低3.1％ 。

０ 引言

隨著純電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，整車熱管理系統(tǒng)逐漸成為提高整車性能的關(guān)鍵所在［１］?，F(xiàn)如今純電動(dòng)汽車的三大熱管理子系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、電機(jī)電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)仍相對(duì)獨(dú)立，通過(guò)整合三大熱管理子系統(tǒng)提高能源利用率，對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展具有重要意義［２ － ４］。歐陽(yáng)東［５］ 設(shè)計(jì)了純電動(dòng)汽車熱泵空調(diào)與動(dòng)力電池組交互熱管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電池組的產(chǎn)熱量和空調(diào)制熱量交互利用。胡永軍［６］將空調(diào)冷媒通入電池直冷板中冷卻電池或者吸收電池?zé)崃?，系統(tǒng)可以在 ９ 種工作模式下進(jìn)行切換，滿足整車在各類復(fù)雜環(huán)境及工況下的熱管理需求。王戎等［７］ 設(shè)計(jì)了一種采用熱泵空調(diào)技術(shù)的燃料電池汽車整車熱管理系統(tǒng)，在冬季實(shí)現(xiàn)了燃料電池廢熱的利用，達(dá)到了降低整車能耗、提高續(xù)航里程的目的。

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的核心部件，需處于最佳工作溫度范圍內(nèi)［８］。隨著電池工作溫度逐步升高，其冷卻需求逐步提高，冷媒直冷是將空調(diào)回路的制冷劑導(dǎo)入電池直冷板，通過(guò)相變吸熱的方式吸走電池的熱量，其換熱效率是液冷單相換熱方式的 ３ 倍，且兩相流的溫度是恒定的，電池單體溫度均勻性更好［９ － １２］。

本文針對(duì)某款純電動(dòng)車型整車熱管理系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立分開(kāi)，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種綜合考慮三大子系統(tǒng)的集成式整車熱管理系統(tǒng)。首先，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立了電池生熱模型并驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性；然后，在 AMEsim軟件中搭建一維整車熱管理系統(tǒng)模型，并在夏季高溫工況下仿真分析所建立模型的合理性；最后，對(duì)比分析了直冷與液冷方式對(duì)動(dòng)力電池和整車性能的影響，為電動(dòng)汽車整車熱管理系統(tǒng)的發(fā)展提供了一種思路。

１鋰離子電池建模與仿真 

１.1 鋰離子電池生熱機(jī)理 

如圖 １ 所示，鋰離子電池主要由 ３ 部分構(gòu)成：正負(fù)電極、隔膜、電解質(zhì)。左邊是電池負(fù)極，右邊是電池正極［１３］。放電時(shí)，電流從正極到負(fù)極，電子從負(fù)極到正極。首先，活性鋰從負(fù)極顆粒由內(nèi)向外擴(kuò)散，在負(fù)極固液相界面處發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)失去一個(gè)電子而生成鋰離子和電子。電子經(jīng)過(guò)電解液、集流體和外電路到達(dá)正極，鋰離子通過(guò)電解液、隔膜到達(dá)正極。在正極固液相界面處鋰離子和電子再次發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，鋰離子與電子結(jié)合生成活性鋰，活性鋰在正極顆粒由外向內(nèi)集中。充電過(guò)程鋰離子和電子的遷移路徑與放電時(shí)相反［１４ － １６］。

鋰離子電池在充、放電過(guò)程中，正、負(fù)極發(fā)生氧化還原反應(yīng)。

電池正極反應(yīng)：

電池負(fù)極反應(yīng)：

電池總反應(yīng)：

在上述充、放電過(guò)程中，鋰離子在電解質(zhì)溶液里擴(kuò)散受到的阻力包括濃差極化內(nèi)阻和電化學(xué)極化內(nèi)阻（統(tǒng)稱為極化內(nèi)阻） ，由于極化內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量稱為極化熱；電子在外電路遷移和鋰離子穿過(guò)隔膜受到的阻抗統(tǒng)稱為歐姆內(nèi)阻，由于歐姆內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量稱為焦耳熱。因此電池的產(chǎn)熱 Ｑｔ可表達(dá)為：

１.2 二階 ＲＣ 等效電路模型的建立

根據(jù)電池的充、放電原理和特性曲線，利用一些常用的電路元件，如電容、電阻等，經(jīng)過(guò)串、并聯(lián)后得到的電路與動(dòng)力電池具有相似的充、放電特性。本 文 建 立 的 二 階 ＲＣ 等 效 電 路 模 型 是 在THEVENIN 模型基礎(chǔ)上再串連一個(gè) ＲＣ 容阻，回路對(duì)電池的模擬精確度更高，其結(jié)構(gòu)如圖 ２ 所示。

由基爾霍夫定律，電池放電時(shí)的輸出電壓：

式中：Ｖｂ為電池的開(kāi)路電壓，它與電池的荷電狀態(tài)量 SOC有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；Ｉ 為電池放電電流；Ｒｉ 為電池的歐姆內(nèi)阻，描述電池充、放電過(guò)程中端電壓的突變過(guò)程；Ｖ１ 為電池的濃差極化電壓；Ｒ１ 為電池的濃差極化電阻，Ｃ１ 為電池的濃差極化電容，Ｒ１和 Ｃ１ 構(gòu)成的容阻回路描述電池的濃差極化，表現(xiàn)為電池端電壓驟變后的快速變化現(xiàn)象；Ｖ２ 為電池的電化學(xué)極化電壓，Ｒ２ 為電池的電化學(xué)極化電阻，Ｃ２ 為電池的電化學(xué)極化電容，Ｒ２ 和 Ｃ２ 構(gòu)成的容阻回路描述電池的電化學(xué)極化，表現(xiàn)為電池端電壓驟變后的緩慢變化現(xiàn)象。

１.3 模型參數(shù)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)

電池模型參數(shù)的準(zhǔn)確辨識(shí)直接關(guān)系到模型的準(zhǔn)確性，從而影響電池生熱數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。從所建立的電池等效電路模型可知，共有 ６ 個(gè)待辨識(shí)參數(shù)，即 Ｖｂ 、Ｒｉ、Ｒ１ 、Ｃ１ 、Ｒ２ 、Ｃ２ 。

1.3.1 靜置標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

電池的開(kāi)路電壓OCV和荷電狀態(tài) SOC 有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，本文利用靜置標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲取兩者關(guān)系曲線，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為 32ＡＨ ／ 3.7Ｖ 的鋰離子電池。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

１） 電池靜置：將電池處于滿電狀態(tài)下充分靜置 12 ｈ。

２） 電池恒流放電過(guò)程快速標(biāo)定：把 SOC等距分成 10 份，即一次放電 10％ ，對(duì)電池以 １Ｃ 恒流放電 ６ ｍｉｎ，靜置 １ ｈ，此時(shí)記錄電池的端電壓，即SOC 為0.9 時(shí)的開(kāi)路電壓，重復(fù)這個(gè)步驟 １０ 次，即可辨識(shí)出電池的開(kāi)路電壓。 

３） 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理：測(cè)量步驟 ２）中的放電靜置過(guò)程中的電壓值極大值，線性擬合曲線如圖 ３。

1.3.2 ＨＰＰＣ 充放電實(shí)驗(yàn)

混合脈沖功率性能試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱 HPPC）是在電池可用的充放電電壓范圍內(nèi)，使用一個(gè)包括放電和反饋充電脈沖在內(nèi)的測(cè)試制度來(lái)確定其動(dòng)態(tài)功率能力，其測(cè)試目的是得到電池容阻參數(shù)。具體的混合功率特性測(cè)試制度見(jiàn)表 １ 所示。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

１） 實(shí)驗(yàn)先以 63 Ａ 的大電流對(duì)滿電狀態(tài)的電池放電10 ｓ，接著靜置３min，使電池端電壓有一定的恢復(fù)；

２） 然后再以 47Ａ 的電流充電 10 ｓ，接著靜置３ min； 

３） 再進(jìn)行一次定容恒流放電，加上脈沖過(guò)程中放出的容量總共放出 10％ 的容量。

重復(fù)上述步驟 10次，得到 HPPC循環(huán)測(cè)試試驗(yàn)的電流、端電壓響應(yīng)曲線如圖 ４。

1.3.3 參數(shù)辨識(shí)

以 SOC 為 60％ 作樣本，對(duì)電池等效電路模型參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)。圖 ５ 為 SOC為 60％ 下的脈沖充放電電流及其端電壓響應(yīng)曲線。

 電池端電壓出現(xiàn)驟然下降是由于歐姆內(nèi)阻 Ｒｉ所導(dǎo)致的，故此電路模型的歐姆內(nèi)阻可直接由歐姆定律得到，導(dǎo)入 １ ～ ２ 段端電壓變化數(shù)據(jù)可以得到：

放電過(guò)程中電池緩慢端電壓緩慢下降 ２ ～ ３階段可以看作 ２ 階 ＲＣ 電路零狀態(tài)響應(yīng)過(guò)程。其端電壓響應(yīng)方程：

式中：Ｖｂ為電池的開(kāi)路電壓；Ｉ 為電池放電電流；Ｒｉ為電池的歐姆內(nèi)阻；Ｒ１ 為電池的濃差極化電阻；Ｃ１為電池的濃差極化電容；Ｒ２ 為電池的電化學(xué)極化電阻；Ｃ２ 為電池的電化學(xué)極化電容。

利用 Matlab 的 CFTool 擬合工具箱完成等效電路模型中剩余 ４ 個(gè)參數(shù)的辨識(shí)。由式（６）可知，電池在放電過(guò)程中輸出電壓會(huì)成指數(shù)函數(shù)的形式下降，故本文采用指數(shù)擬合法來(lái)擬合電池端電壓下降曲線，便可得到等效電路模型中 ２ 個(gè)的 ＲＣ 容阻回路的參數(shù)。在擬合時(shí)已經(jīng)知道電池 SOC 為６０％ 狀態(tài)下的初始電壓，且已用歐姆定律計(jì)算得到電池的歐姆內(nèi)阻，故在 Matlab 擬合工具箱中輸入簡(jiǎn)化的自定義函數(shù)如下：

導(dǎo)入圖 ５ 放電階段 ２ ～ ３ 電壓緩慢下降數(shù)據(jù)，在 Matlab  中對(duì)參數(shù)進(jìn)行擬合，得到式（７）中的未知參數(shù) Ｋ１ 、Ｋ２ 、Ｒ１ 、Ｒ２ 。然后根據(jù)式（８）和式（９）即可求得 Ｃ１ 、Ｃ２ 。

按上述方法對(duì)不同SOC 狀態(tài)下的端電壓響應(yīng)曲線進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，求得的電池模型中各參數(shù)與SOC 對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 ２ 所示。

1.4 試驗(yàn)驗(yàn)證電池模型

根據(jù)前文所建立的二階 RC 等效電路模型及模型參數(shù)辨識(shí)試驗(yàn)結(jié)果，在 Simulink 中搭建等效電路仿真模型結(jié)構(gòu)如圖 ６ 所示。

使用不規(guī)則放電電流驗(yàn)證電池模型的準(zhǔn)確性，實(shí)測(cè)的端電壓變化曲線與仿真結(jié)果曲線如圖 ７所示。

從圖 ７ 可以看出 ２ 條曲線重合度較高，經(jīng)計(jì)算最大誤差不超過(guò) ５％ ，驗(yàn)證了電池等效電路模型仿真結(jié)果較為準(zhǔn)確。但電池等效電路模型的準(zhǔn)確搭建并不能說(shuō)明電池生熱模型的準(zhǔn)確性，需將電池等效電路模型參數(shù)設(shè)置到電池單體數(shù)據(jù)中并且不設(shè)置任何冷卻方式，在放電電流工況下仿真與電池恒溫箱的溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較驗(yàn)證電池生熱模型的準(zhǔn)確性。電池溫升實(shí)驗(yàn)步驟如下：

１） 提前將恒溫箱內(nèi)的環(huán)境溫度設(shè)置為35 ｈ，使電池溫度與恒溫箱設(shè)定溫度保持一致。

２） 對(duì)電池 １Ｃ 恒流放電至截止電壓。

３） 放電后的電池在恒溫箱內(nèi)靜置 2h，使電池溫度散熱至恒溫箱內(nèi)溫度。整理好放電過(guò)程中電池表面溫度數(shù)據(jù)。

重復(fù)上述步驟且將放電電流依次改為 ２Ｃ 和３Ｃ，仿真得到的電池溫升數(shù)據(jù)與在電池恒溫箱里測(cè)得的電池溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖 ８ 所示。

從圖 ８ 看出，所建立的電池溫升模型仿真數(shù)據(jù)與電池溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在各種工況下誤差都在３ ℃以內(nèi)，驗(yàn)證了電池生熱模型的準(zhǔn)確性。

２ AMEsim模型搭建 

2.1 集成式熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文是在原某款純電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。原車熱管理系統(tǒng)夏季制冷工況工作原理如圖 ９ 所示。

整車熱管理系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)思路如下：

１） 重新設(shè)計(jì)兩換熱器參數(shù)，增加四通閥，將傳統(tǒng)空調(diào)改為熱泵空調(diào)，同時(shí)滿足乘員艙夏季制冷和冬季制熱需求，提高空調(diào)系統(tǒng)效率降低能耗。 

２） 考慮電機(jī)余熱利用，將原相對(duì)獨(dú)立的電機(jī)電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)與熱泵空調(diào)系統(tǒng)耦合，在 CHILLER 處低溫液態(tài)冷媒吸收電機(jī)側(cè)高溫冷卻水。

３） 根據(jù)電池結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)電池直冷板，將電池冷卻方式由液冷改為冷媒直冷，提高電池冷卻速率和電芯溫度均勻性。

改進(jìn)后的熱管理系統(tǒng)工作原理如圖 １０ 所示。

2.2 乘員艙熱負(fù)荷建模

乘員艙熱負(fù)荷主要由內(nèi)部熱負(fù)荷和外部熱負(fù)荷兩部分組成，內(nèi)部熱負(fù)荷主要是指乘員人體向車內(nèi)散發(fā)熱量，外部熱負(fù)荷包括太陽(yáng)輻射和車外熱量透過(guò)車身傳遞到車內(nèi)。如圖 １１ 所示，在車頂、車身圍板處，外部熱量經(jīng)車身壁面?zhèn)鲗?dǎo)至車內(nèi)；在透明的車窗玻璃處，外部熱量不僅由熱傳導(dǎo)方式傳 遞， 還 存 在 一 部 分 太 陽(yáng) 輻 射 的 透 射 熱量［１７］。計(jì)算相關(guān)傳熱系數(shù)如表 ３ 所示。

對(duì)于乘員艙熱負(fù)荷的計(jì)算，本文主要考慮６ 個(gè)影響因素，具體熱負(fù)荷理論計(jì)算公式為

式中：ＱＲ 外部熱環(huán)境經(jīng)車身頂板傳導(dǎo)至車內(nèi)的熱量；ＱＳ 外部熱環(huán)境經(jīng)車身側(cè)板傳導(dǎo)到車內(nèi)的熱量；ＱＡ、ＱＢ 、ＱＣ 分別為太陽(yáng)透過(guò)前玻璃、側(cè)玻璃、后玻璃輻射到車內(nèi)的熱量；ＱＰ 為車內(nèi)乘員人體散發(fā)熱量。

車身壁面多屬均勻壁面，因此，它的傳熱可以按照多層均勻壁面?zhèn)鳠嵊?jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：Ｑｉ 為傳熱量；Ｋｉ 為傳熱系數(shù)；Ｆｉ 為傳熱面積；ｔＨ 為車外空氣溫度；ｔＢ 為車內(nèi)空氣溫度。

其中含空氣夾層的車頂、車身圍板結(jié)構(gòu)的換熱系數(shù) Ｋｉ 為

式中：αＨ 為外表面放熱系數(shù)；αＢ 為內(nèi)表面放熱系數(shù)；δ 為隔熱材料厚；λ 為隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)；Ｒａ 為空氣夾層熱阻。

在車窗玻璃處，由太陽(yáng)輻射引起的以輻射換熱傳入車內(nèi)的熱量為

2.3 熱管理系統(tǒng)建模

本文所研究的整車集成式熱管理系統(tǒng)重點(diǎn)在于分析夏季工況下將電池傳統(tǒng)的液冷方式優(yōu)化設(shè)計(jì)為電池直冷后的優(yōu)缺點(diǎn)，無(wú)論是電池液冷還是直冷，電機(jī)的散熱方式不會(huì)發(fā)生變化，故在搭建整車熱管理系統(tǒng)模型時(shí)考慮到簡(jiǎn)化模型和節(jié)省計(jì)算資源而忽略掉電機(jī)的散熱模型搭建。

2.3.1 空調(diào)系統(tǒng)模型搭建

本課題擬將原車的傳統(tǒng)空調(diào)改型為熱泵空調(diào)，暫時(shí)不考慮冬季工況，直接取用原車空調(diào)系統(tǒng)模型參數(shù)。傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、膨脹閥、車內(nèi)冷凝器、車外蒸發(fā)器、儲(chǔ)液瓶、截止閥等部件。壓縮機(jī)為固定排量壓縮機(jī)，直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)其兩端的電壓大小實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)；考慮到下一步冬季工況下熱泵空調(diào)制冷劑流向的改變，膨脹閥類型選用雙流向電子膨脹閥；冷凝器類型為微通道平行流換熱器，蒸發(fā)器類型為 Ｕ 行管板翅式換熱器。壓縮機(jī)質(zhì)量流量、焓流量和各換熱器傳熱相關(guān)理論計(jì)算不再贅述。各部件相關(guān)參數(shù)如表 ４—６ 所示。

2.3.2 電池直冷模型搭建

本文所研究的純電汽車鋰離子電池單體額定電壓為 3.7 Ｖ，一個(gè)電池模組由 １０ 個(gè)電池單體串聯(lián)而成，１０ 個(gè)電池模組串聯(lián)構(gòu)成總額定電壓為370V，總?cè)萘繛?６０ ＡＨ 的電池包。在搭建完電池模型后的參數(shù)輸入處，將前文電池靜置標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得到的電池開(kāi)路電壓與荷電狀態(tài)關(guān)系數(shù)據(jù)和ＨＰＰＣ充放電實(shí)驗(yàn)得到的電池容阻參數(shù)輸入到該電池模型中。在對(duì)電池?zé)豳|(zhì)量塊建模時(shí)，為了分析電池包內(nèi)單體溫度均勻性，故要在一個(gè)模組內(nèi)搭建 １０ 個(gè)電池單體，然后封裝成一個(gè)模組后與其他模組相串聯(lián)。１０ 個(gè)模組各自與電池直冷板相連傳遞熱量，熱質(zhì)量塊之間通過(guò)熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)熱量交換，并且將考慮到車速的電池與環(huán)境對(duì)流換熱也搭建在模型中。電池直冷板材料為純鋁，其流道長(zhǎng)度、換熱面積及水力直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)都是實(shí)際測(cè)量。電池及其直冷板熱物性相關(guān)參數(shù)如表 ７所示。

２.4 整車動(dòng)力系統(tǒng)建模

整車動(dòng)力系統(tǒng)模型包括整車及其控制器、駕駛員、驅(qū)動(dòng)電機(jī)。其中，整車模型需要對(duì)車輛參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括質(zhì)量、氣動(dòng)與滾動(dòng)參數(shù)、輪胎參數(shù)、制動(dòng)參數(shù)；駕駛員模型的作用在于設(shè)定汽車的行駛工況下控制車輛的工作狀態(tài)。整車控制器用于接受駕駛員、電池、電機(jī)的信息，經(jīng)處理后向電機(jī)控制器和整車模型發(fā)送指令。建模相關(guān)參數(shù)如表 ８—１０ 所示。

３　 仿真結(jié)果

乘員艙熱負(fù)荷模型、空調(diào)及電池直冷系統(tǒng)模型、整車動(dòng)力性模型共同組成了純電動(dòng)整車熱管理系 統(tǒng) AMEsim 仿 真 模 型， 如 圖 １２ 所 示。以 NEDC工況作為測(cè)試工況，開(kāi)展系統(tǒng)的制冷測(cè)試驗(yàn)證所建立模型的合理性，并與原傳統(tǒng)液冷系統(tǒng)對(duì)比分析該系統(tǒng)的優(yōu)越性。NEDC 仿真工況如圖 １３所示。

3.1 制冷仿真測(cè)試

為模擬夏季高溫工況，在 AMEsim軟件中設(shè)置太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為 1000W/m2 太陽(yáng)輻射角度為相對(duì)地平線90°。環(huán)境初始溫度分別設(shè)置為 35、40、45 ℃ ，電池的初始溫度與環(huán)境初始溫度保持一致，考慮到夏季乘員艙的密閉性和熱傳導(dǎo)性，乘員艙初始溫度應(yīng)略高于環(huán)境溫度，車輛運(yùn)行工況設(shè)置為NEDC工況。上述條件下進(jìn)行仿真測(cè)試，得到圖 14 乘員艙溫度變化曲線。

當(dāng)乘員艙初始溫度分別設(shè)置為 40、45、50℃時(shí)，首次達(dá)到目標(biāo)溫度所需的時(shí)間分別為 109、123、157 ｓ，同時(shí)不同的環(huán)境溫度在最終達(dá)到平衡時(shí)的溫度不一致，當(dāng)外界環(huán)境溫度越高時(shí)，其平衡溫度就越高。在本次仿真中最后的穩(wěn)定溫度分別維持在 24.6、25.2、25.7 ℃ ?？傮w來(lái)看，在夏季高溫 NEDC 工況下，乘員艙溫度能迅速降低至目標(biāo)溫度，并且在后續(xù)的車輛運(yùn)行過(guò)程中其溫度始終保持在合理范圍內(nèi)，不隨車速的改變而產(chǎn)生巨大波動(dòng)。

與乘員艙溫度變化曲線相比，電池的溫度變化更劇烈，這是因?yàn)殡姵氐纳鸁崃侩S著車速的變化而變化，如圖 １５ 所示。車輛在初始行駛階段，電池在冷媒吸熱的作用下迅速降低至目標(biāo)值，電池首次達(dá)到最佳溫度 ２５ ℃ 所需的時(shí)間分別 61、 141、265 ｓ，此后在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)波動(dòng)，在后續(xù)的郊區(qū)高速工況下，電池的生熱量要大于直冷板的散熱量，在此階段電池的溫度升高至最大值36 ℃左右，在隨后的減速停車階段，電池的散熱量大于生熱量，溫度也隨之迅速降低?？傮w來(lái)看，電池的溫度在第一次達(dá)到目標(biāo)值后雖有所波動(dòng)，但其最高溫度仍在目標(biāo)域值內(nèi)。

在不同的環(huán)境溫度下 SOC 變化曲線如圖 １６，環(huán)境溫度越高時(shí)，乘員艙所需的制冷量越大導(dǎo)致電池 SOC下降值越大。當(dāng)設(shè)置初始環(huán)境溫度分別為 35、40、45 ℃ 時(shí)，電池 SOC 最終下降至 86.3％ 、84.6％ 、82.9％ ，電量損耗在合理范圍內(nèi)，在 NEDC后期的郊區(qū)工況下，隨著車速的增加導(dǎo)致耗電量越大，電池的 SOC 下降速率越大。

3.2 直冷與液冷仿真對(duì)比

圖 １７ 為電池直冷與液冷降溫曲線。在電池初始溫度設(shè)置為 ３５ ℃下降溫分析，可以看出電池采用直冷降溫速率更快，第一次達(dá)到目標(biāo)值的時(shí)間分別為 140、357 ｓ，并且采用直冷冷卻方式的電池平均溫度26.3 ℃ ，低于采用液冷方式電池平均溫度 28.9℃ 。但采用直冷方式電池溫度波動(dòng)更劇烈，這是因?yàn)橹崩浒鍍?nèi)冷媒的質(zhì)量流量是隨著整車工況波動(dòng)，但采用液冷方式冷媒的制冷量先傳遞給冷卻液，使得對(duì)電池制冷能力的變化沖擊更小。

為分析電池包內(nèi)單體溫度均勻性，選取一個(gè)模組內(nèi)位置處于直冷板前端和直冷板后端的電芯，即溫差最大的 ２ 個(gè)電芯做差值計(jì)算得到溫差曲線如圖 18。電池液冷溫差明顯高于電池直冷溫差，這是因?yàn)橹评鋭┰谥崩浒鍍?nèi)蒸發(fā)時(shí)處于溫度恒定的兩相流狀態(tài)，而液冷方式的冷卻液在流程過(guò)程中吸熱而溫度上升，所以采用直冷方式后的電池溫度均勻性明顯優(yōu)于液冷。

為分析電池直冷與液冷對(duì)整車能耗的影響，設(shè)置初始環(huán)境溫度為 35℃ ，整車運(yùn)行工況設(shè)置NEDC工況，得到如圖 １９ 所示 SOC 變化曲線。最終，采 用 直 冷 和 液 冷 電 池 SOC分 別 下 降 至86.3％ 、83.2％ 采用電池直冷后的熱管理系統(tǒng)整車電能消耗可降低3.1％ 。對(duì)比分析熱管理系統(tǒng)制冷能效比 EER：

所有換熱器的換熱量用進(jìn)出口焓差值計(jì)算，壓縮機(jī)的功耗用式（１５）計(jì)算而得。

經(jīng)計(jì)算，采用電池液冷時(shí)的熱管理系統(tǒng)蒸發(fā)器制冷量為 1015.03 ｋＷ，電池?fù)Q熱器 CHILLER 的制冷量為 1118.83 ｋＷ，壓縮機(jī)功率最終穩(wěn)定在2.01 ｋＷ，系統(tǒng)能效比為 1.06；電池直冷時(shí)蒸發(fā)器制冷量為 1015.03ｋＷ， 電池直冷板制冷量為1280.45 ｋＷ，壓縮機(jī)功率最終穩(wěn)定在 1.5ｋＷ，系統(tǒng)能效比為1.53。采用電池直冷的熱管理系統(tǒng)能效比液冷系統(tǒng)提高了 0.47。

４ 結(jié)論

１） 通過(guò)電池靜置標(biāo)定試驗(yàn)和脈沖充放電實(shí)驗(yàn)辨識(shí)電池內(nèi)部容阻參數(shù)，搭建了電池的生熱模型，利用電池溫升特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了電池生熱模型的準(zhǔn)確性。 

２） 搭建了一種采用電池直冷的純電動(dòng)整車熱管理系統(tǒng)模型，仿真結(jié)果表明在夏季高溫工況下該系統(tǒng)對(duì)乘員艙、電池及有關(guān)溫差都具有很好的溫控效果。相比于原車采用液冷的整車熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能效比提高了 0.47，整車電能消耗降低 3.1％ 。

３） 本文改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種綜合考慮乘員艙、電池電機(jī)的集成式熱管理系統(tǒng)，為相關(guān)科研工作者提供了一種思路。下一步可在本文研究基礎(chǔ)上繼續(xù)研究冬季制熱工況下，回收電機(jī)余熱和熱泵預(yù)熱電池的集成式熱管理系統(tǒng)。