陳 皓，劉雙喜

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津300300）

0 引言

隨著全球金融危機(jī)、生態(tài)環(huán)境惡化與能源、資源枯竭等問(wèn)題的加劇，大力研究和利用電動(dòng)汽車相關(guān)技術(shù)及促進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展已成為世界汽車工業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)新焦點(diǎn)[1]。目前歐美以及日本對(duì)于電動(dòng)汽車的研究已經(jīng)日趨完善，電動(dòng)汽車的電池、電機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)的研究在全球也是處于領(lǐng)先地位，對(duì)于熱管理技術(shù)方向而言美國(guó)的A123電池、日本的東芝電池等，在電池性能隨溫度影響方面做得相當(dāng)成功，而國(guó)內(nèi)的一些電池廠商在這方面還有待加強(qiáng)，電池的熱管理性能整體參差不齊，電池的冷熱適應(yīng)性不強(qiáng)，電池的溫度均勻性較差。

電動(dòng)汽車的熱管理，特別是電池的熱管理直接關(guān)系到整個(gè)電動(dòng)車的使用性能以及壽命和安全性等方面的內(nèi)容，需要特別重視。電動(dòng)汽車中電池是動(dòng)力供應(yīng)部分，如何提高電動(dòng)汽車整車的性能以及安全性能需要著重從電池方面入手，目前的電動(dòng)汽車常選用鋰電池作為動(dòng)力電源，在鋰離子電池的熱管理工作中需要根據(jù)鋰離子的具體發(fā)熱方式進(jìn)行管理，通過(guò)對(duì)電池包結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)進(jìn)行熱管理的方式和策略設(shè)定，從而保證整個(gè)電池組在合理的溫度范圍內(nèi)正常工作。通常的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要是在電池溫度較低的情況下做好預(yù)熱，保障低溫充放電的高效和安全，其次是電池長(zhǎng)時(shí)間工作之后溫度升高，熱管理系統(tǒng)能保證電池的有效散熱，避免因?yàn)闇囟冗^(guò)高造成的安全事故，此外，也要特別注意電池包電池單體之間的溫度均衡性，避免產(chǎn)生過(guò)大的溫度差異，造成局部過(guò)熱，影響電池的壽命和安全。

純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)通常包含電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器熱管理系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等三大系統(tǒng)[2]。本文從熱管理三大系統(tǒng)互相耦合關(guān)聯(lián)的角度出發(fā)，利用流體一維分析軟件Kuli分析熱管理系統(tǒng)之間的相互性能，在保證整車?yán)m(xù)駛里程的前提下，努力提升整車熱管理各系統(tǒng)的性能[3]。

目前純電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)比較常用的布置是電池冷卻與空調(diào)制冷系統(tǒng)進(jìn)行耦合，電池加熱和乘員艙冬天采暖用水PTC（Positive Temperature Coefficient）加熱器，電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等采用水冷系統(tǒng)[4]，如圖1所示。

圖1 熱管理系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)

圖1 中蒸發(fā)器和暖通芯體在空調(diào)HVAC中，作用是在夏季和冬季分別給乘員艙降溫或者加熱，電池的冷卻利用chiller與空調(diào)系統(tǒng)耦合，PTC同時(shí)供給冬季時(shí)乘員艙的采暖和電池的加熱[5]，電機(jī)、電機(jī)控制器等部件只需要在夏季工作溫度較高時(shí)適當(dāng)?shù)睦鋮s，所用它們共用一套冷卻循環(huán)回路。

1 性能目標(biāo)需求

根據(jù)本文所研究的車型和車輛的整體性能定位，從多款對(duì)標(biāo)車型中總結(jié)歸納出乘客空調(diào)制冷系統(tǒng)性能需求目標(biāo)如表1所示，電池冷卻系統(tǒng)性能需求如表2所示，這里制定的需求目標(biāo)即為熱管理性能所要達(dá)到的性能指標(biāo)要求。

表1 空調(diào)制冷系統(tǒng)性能需求

表2 空調(diào)冷卻系統(tǒng)性能需求

在本次性能分析中，制定空調(diào)性能目標(biāo)為環(huán)境溫度40℃、濕度50%條件下，怠速時(shí)乘員艙平均溫度不大于28℃，40 km/h時(shí)乘員艙平均溫度不大于24℃，80 km/h時(shí)乘員艙平均溫度不大于23℃。電池冷卻的性能目標(biāo)為各工況下電池包出水溫度不大于23±2 ℃。

2 模型介紹

由于電池包通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)的chiller進(jìn)行冷卻，故將空調(diào)制冷系統(tǒng)和電池冷卻系統(tǒng)搭建在同一個(gè)模型中進(jìn)行仿真計(jì)算。

本次計(jì)算搭建的一維模型，采用一維分析軟件kuli，基于圖1的熱管理系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)搭建，如圖2所示。

圖2 一維kuli計(jì)算分析模型

3 熱量負(fù)荷計(jì)算

對(duì)空調(diào)制冷系統(tǒng)而言，各工況下乘員艙熱量負(fù)荷主要有車架對(duì)流換熱量、玻璃對(duì)流換熱量、電動(dòng)機(jī)漏熱量、乘客發(fā)熱量、新風(fēng)熱量和輻射熱量。

基于乘客空調(diào)制冷性能的目標(biāo)要求，計(jì)算各工況下乘員艙熱量負(fù)荷，如表3所示?？紤]到計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況的誤差，表3中熱量負(fù)荷=蒸發(fā)器制冷量*1.05，其中，1.05為空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用的裕度系數(shù)，為經(jīng)驗(yàn)值。

表3 熱量負(fù)荷計(jì)算結(jié)果

4 邊界條件輸入

在計(jì)算熱管理系統(tǒng)各項(xiàng)性能之前，需要搭建整車三維模型，計(jì)算冷凝器、散熱器等前端模塊的進(jìn)風(fēng)量，為一維性能計(jì)算提供邊界輸入以及空調(diào)制冷系統(tǒng)邊界條件輸入，如表4所示。

表4 空調(diào)制冷系統(tǒng)邊界條件輸入

電池系統(tǒng)邊界條件輸入，如表5所示。其中，認(rèn)為駐車快充模式車速為零，故各邊界條件和怠速工況相同。

表5 電池冷卻系統(tǒng)邊界條件輸入

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 乘客空調(diào)制冷系統(tǒng)分析

通過(guò)加載各計(jì)算工況，計(jì)算圖2所示的kuli模型，可以得出各工況下，空調(diào)系統(tǒng)制冷性能，如表6所示。此制冷系統(tǒng)功率為該空調(diào)系統(tǒng)可以為乘客乘員艙提供的空調(diào)制冷量，而乘員艙熱負(fù)荷值為乘員艙為達(dá)到目標(biāo)溫度（表1所示）所需的制冷量，如二者相等則為空調(diào)系統(tǒng)提供的制冷量剛好可以滿足乘客乘員艙的制冷，如熱負(fù)荷值大則表示空調(diào)系統(tǒng)不能提供乘員艙所需的制冷量，空調(diào)系統(tǒng)性能不足。

表6 空調(diào)系統(tǒng)制冷性能

由表6計(jì)算結(jié)果可以看出，各工況下，空調(diào)制冷功率都小于乘員艙熱負(fù)荷值，所以可以得出空調(diào)乘員艙制冷系統(tǒng)不滿足要求，空調(diào)系統(tǒng)性能需要優(yōu)化。

5.2 電池冷卻系統(tǒng)分析

同樣的計(jì)算模型如圖2所示，加載整車計(jì)算工況，可以計(jì)算出在各工況下，電池包出水溫度值，電池冷卻系統(tǒng)性能計(jì)算如表7所示。

表7 電池冷卻系統(tǒng)性能

將出水溫度的仿真值與目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比，由表7計(jì)算結(jié)果可以看出，在80 km/h工況，電池冷卻系統(tǒng)不滿足要求，其他工況，電池冷卻系統(tǒng)滿足要求。在車速較高的情況下，電池的放電功率較大，由電池性能MAP圖（此處略）中可以讀出電池的發(fā)熱量也隨之增大，所以在此工況下，導(dǎo)致了電池冷卻系統(tǒng)性能的不足。

5.3 熱管理系統(tǒng)優(yōu)化

從以上結(jié)果分析知空調(diào)乘員艙制冷系統(tǒng)在幾個(gè)工況下都不能滿足要求，電池冷卻系統(tǒng)在80 km/h工況，電池包出水溫度超過(guò)目標(biāo)值，需要對(duì)熱管理系統(tǒng)整體進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方案從以下幾個(gè)方面入手：第一，優(yōu)化前端模塊結(jié)構(gòu)，根據(jù)整車三維計(jì)算結(jié)果，增加前端模塊的導(dǎo)風(fēng)板，提升前端模塊的通風(fēng)量，如圖3所示；第二，增大冷凝器的迎風(fēng)面積，提升冷凝器本身的換熱性能。計(jì)算結(jié)果如表8。

圖3 前端模塊導(dǎo)風(fēng)板優(yōu)化

表8 熱管理系統(tǒng)優(yōu)化性能

優(yōu)化方向考慮到乘員艙空調(diào)制冷性能和電池包冷卻性能都在不同程度上達(dá)不到性能目標(biāo)要求，所以需要優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，而空調(diào)壓縮機(jī)作為一個(gè)重要的零部件，提升壓縮機(jī)的性能需要增加大量的成本，因此在優(yōu)化過(guò)程中作為最后考慮的一項(xiàng)措施。通過(guò)優(yōu)化前端模塊結(jié)構(gòu)，增加冷凝器周邊的導(dǎo)流板，同時(shí)，增加了冷凝器的迎風(fēng)面積，實(shí)際上是改善了空調(diào)系統(tǒng)的前端換熱性能，空調(diào)前端（冷凝器）換熱性能的提升意味著空調(diào)冷媒能夠得到充分的冷凝，有利于它在循環(huán)工作中增強(qiáng)吸熱性能，因而提升了整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的性能。

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）基于純電動(dòng)汽車熱管理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置，利用一維分析軟件Kuli搭建模型，計(jì)算分析了初始狀態(tài)下的各個(gè)系統(tǒng)性能狀況。

（2）通過(guò)計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)目前的設(shè)計(jì)狀態(tài)不能達(dá)到性能指標(biāo)要求，需要對(duì)局部的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

（3）本次仿真計(jì)算中，參考相似車型，蒸發(fā)器鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量取420 m3/h，后續(xù)計(jì)算中鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量可能發(fā)生變化，需確認(rèn)。

（4）通過(guò)優(yōu)化整車前端模塊設(shè)計(jì)以及局部零部件性能，從而達(dá)到了提升熱管理性能的目標(biāo)，并且優(yōu)化方案從總布置和成本上沒(méi)有帶來(lái)較大的增加。