摘要：為提高車用動力電池在低溫環(huán)境下的性能，設(shè)計一種以正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）為主要加熱源，空調(diào)系統(tǒng)余熱作為輔助熱源的電池加熱系統(tǒng)，并計算了電池組所需數(shù)量?；谠撓到y(tǒng)的傳熱過程，建立了傳熱數(shù)學(xué)模型，并利用AMESim建立起該系統(tǒng)的仿真模型。設(shè)置獨立式加熱系統(tǒng)作為對比，在環(huán)境溫度為-10 ℃、NEDC工況下的仿真結(jié)果表明，利用空調(diào)余熱能夠有效提升電池的加熱速率，加熱器的工作時間相比僅PTC加熱方式縮短了207 s，能耗減少了0.31 kW·h。

關(guān)鍵詞：電動汽車；AMESim；電池升溫；PTC

中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）20-0046-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.20.010

0 引言

動力電池作為汽車核心部件，其容量、功率、安全性等都直接影響到汽車的品質(zhì)，而溫度正是影響動力電池性能的重要因素。有研究指出，電池處于低溫狀態(tài)時，其充放電效率會遠遠低于正常工況下的水平[1]，因此需要設(shè)計電池加熱系統(tǒng)來保證電池的工作溫度處于正常范圍。

電池加熱系統(tǒng)按照介質(zhì)可以分為風(fēng)冷卻、液冷卻、相變材料冷卻三種[2]。其中電池液冷與風(fēng)冷相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、效率高等優(yōu)點，被廣泛運用于電動汽車[3]。然而，獨立的電池加熱系統(tǒng)存在性能上限，因此部分研究提出將空調(diào)系統(tǒng)與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)耦合，利用空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑與電池冷卻液進行熱交換，達到提升電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能的目的[4-5]。本文設(shè)計了一種以PTC為主要加熱源，空調(diào)系統(tǒng)余熱作為輔助熱源的電池加熱系統(tǒng)并建模，通過設(shè)置獨立式加熱系統(tǒng)對比，驗證電池加熱系統(tǒng)的有效性。

1 電池加熱系統(tǒng)工作原理及建模

1.1 集成熱管理系統(tǒng)工作原理

空調(diào)與PTC集成換熱工作原理如圖1所示，其中動力電池組參數(shù)根據(jù)某款汽車的設(shè)計參數(shù)匹配計算求得。

動力電池的匹配計算主要包括兩個部分，第一部分為計算汽車動力電池組所需電池單體數(shù)量，第二部分為電池組的排列布置。參考國際GB/T 18386—2005《電動汽車 能量消耗率和續(xù)駛里程 試驗方法》的規(guī)定，在等速工況下，電池的負(fù)載功率如式（1）所示：

P=

+

（1）

式中：P為電池負(fù)載功率；β為整車驅(qū)動效率；m為整車整備質(zhì)量；f為滾動阻力系數(shù)；u為行駛測速，取60 km/h；Cd為空氣阻力系數(shù)；A為迎風(fēng)面積。

汽車電池的能量需求W如式（2）所示：

W= （2）

式中：L為行駛里程要求，這里取L=260 km；ε為放電深度，取85%。

電池單體數(shù)n的計算如式（3）所示：

n≥ （3）

式中：Cb為電池單體容量；Ub為電池單體電壓。

電池選用某型號鋰電池，電池的單體電壓為3.7 V，電池單體容量經(jīng)過實驗測得為3 000 mA，將結(jié)果代入式（3），得到所需電池單體數(shù)量為5 600個。汽車電池組所需工作電壓范圍為600～800 V，結(jié)合工作電壓范圍，匹配32個電池模組并聯(lián)，每個電池模組由175個電池單體構(gòu)成。

1.2 電池加熱系統(tǒng)傳熱原理及建模

電池加熱系統(tǒng)傳熱流程如圖2所示。

電池?zé)崃縼碜噪姵貎?nèi)部產(chǎn)熱、外界環(huán)境以及液冷板三個部分，其中液冷板的熱量來源于流經(jīng)液冷板的冷卻液，冷卻液的傳熱效率受到水泵流速、PTC功率以及空調(diào)三個方面影響。在確定電池加熱系統(tǒng)的傳熱流程后，建立電池加熱系統(tǒng)傳熱數(shù)學(xué)模型。電池組溫度Tb的變化如式（4）所示：

CmMmb=ρwCwqvTlk++Qb （4）

式中：Cm為電池組比熱容；Mm為電池組質(zhì)量；Tb為電池溫度；ρw為冷卻液密度；Cw為冷卻液比熱容；qv為冷卻液體積流量；Tlk為液冷板冷卻液進水口溫差；Tamb為外界環(huán)境溫度；Ramb-b為電池與外界環(huán)境的熱阻；Qb為電池產(chǎn)熱功率。

液冷板冷卻液進水口溫差Tlk的變化如式（5）所示：

CwMwlk=-ρwCwqvTlk+

+Qex （5）

式中：Cw為冷卻液比熱容；Mw為冷卻液質(zhì)量；Tptc為PTC溫度；Rb為電池與冷卻液直接的熱阻；Rptc-l為PTC與冷卻液直接的熱阻；Qex為熱交換器換熱功率。

PTC加熱器溫度Tptc的變化如式（6）所示：

Cptcptc=+Qptc （6）

式中：Cptc為PTC加熱器的熱容；Qptc為PTC加熱器的產(chǎn)熱功率。

表1為電池加熱系統(tǒng)中主要參數(shù)。

2 空調(diào)系統(tǒng)工作原理及參數(shù)匹配

2.1 空調(diào)系統(tǒng)工作原理

空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、四通換向閥及電子膨脹閥等部件組成[6]，根據(jù)需求劃分為制熱工況和制冷工況。制熱工況如圖1中淺灰色箭頭所示，其工作原理如下：壓縮機排出高溫高壓的氣體制冷劑，制冷劑進入車外換熱器冷凝，此時車外換熱器充當(dāng)冷凝器，然后經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流后流入車內(nèi)換熱器蒸發(fā)，此時車內(nèi)換熱器發(fā)揮蒸發(fā)器的作用，之后制冷劑再度流入到壓縮機中進入下一次循環(huán)。制冷工況如圖1中深灰色箭頭所示，其工作原理如下：壓縮機使高溫高壓的氣體制冷劑經(jīng)過四通換向閥進入車內(nèi)換熱器冷凝，此時車內(nèi)換熱器充當(dāng)冷凝器，然后經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流后進入車外換熱器蒸發(fā)，此時車外換熱器發(fā)揮蒸發(fā)器的作用，之后再度流入壓縮機，進入下一次循環(huán)。

2.2 空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)匹配

空調(diào)系統(tǒng)主要部件參數(shù)包括換熱器換熱面積和換熱功率、壓縮機排量以及電子膨脹閥橫截面積，這些參數(shù)主要通過空調(diào)最大制冷量Q0獲得?？照{(diào)的最大制冷量為乘員艙最大熱負(fù)荷和電池組熱負(fù)荷的和，其計算如式（7）所示：

Q0=Qcabin+Qbat （7）

式中：Qcabin為乘員艙最大熱負(fù)荷；Qbat為電池組熱負(fù)荷。

乘員艙的最大熱負(fù)荷主要來自以下幾個方面：車身圍板結(jié)構(gòu)傳熱、人體熱負(fù)荷、車窗玻璃傳熱、室外空氣帶入熱量、其他熱量。乘員艙熱負(fù)荷計算如式（8）所示：

Qcabin=Qs+QL+QAir+Qp+QF （8）

式中：Qs為車身圍板結(jié)構(gòu)傳熱；QL為車窗玻璃傳熱；QAir為室外空氣傳熱；Qp為人體熱負(fù)荷；QF為其他熱量。

根據(jù)計算得到的Q0即可計算空調(diào)系統(tǒng)主要部件參數(shù)，具體如表2所示。

3 電池加熱系統(tǒng)控制策略

電池組的最佳工作溫度范圍是18～25 ℃[7]，因此將電池溫度的上限定為25 ℃。電池加熱系統(tǒng)控制流程如圖3所示，熱交換器工作由三通電磁閥和電子膨脹閥2共同決定。當(dāng)電池有加熱需求且乘員艙溫度達到目標(biāo)需求時，三通電磁閥控制冷卻液流經(jīng)熱交換器，電子膨脹閥2開啟控制制冷劑流經(jīng)熱交換器，此時熱交換器工作。當(dāng)電池有加熱需求但乘員艙溫度沒有達到目標(biāo)溫度時，三通電磁閥控制電池冷卻液不流經(jīng)熱交換器，電子膨脹閥2關(guān)閉，制冷劑不流經(jīng)熱交換器，熱交換器不工作。

4 仿真結(jié)果對比與分析

仿真工況選用為NEDC工況，環(huán)境溫度設(shè)置為-10 ℃，假設(shè)汽車已經(jīng)充分冷浸，汽車各部件與環(huán)境溫度均一致。NEDC工況如圖4所示，每一個循環(huán)耗時為1 180 s，最高速度120 km/h，平均速度為33.6 km/h，其加、減速過程為勻加、減速過程。仿真共計行駛3個工況循環(huán)，行駛約21 km。

圖5展示了不同加熱方式下電池升溫情況，圖6展示了不同換熱時乘員艙升溫曲線情況。從圖5、圖6可以看出，在系統(tǒng)運行約260 s時，乘員艙溫度達到15 ℃，此時乘員艙溫度達到目標(biāo)要求，滿足集成制熱條件，空調(diào)系統(tǒng)將部分熱量通過熱交換器傳遞到電池加熱系統(tǒng)中，此時電池加熱方式為PTC與熱交換器同時加熱，電池升溫速率快于僅PTC加熱方式。

圖7為不同加熱方式下PTC功率曲線圖，從圖7可以看出，在采用熱交換器作為輔助熱源時，PTC功率先一步開始降低，并且PTC工作時間先一步結(jié)束。表3為不同加熱方式下PTC停止工作時間和能耗對比，從表3可以看出，PTC和熱交換器同時加熱使工作時間縮短了207 s，能耗減少了0.31 kW·h。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種空調(diào)與PTC集成換熱的電池加熱系統(tǒng)，在傳熱分析的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了數(shù)學(xué)模型，通過仿真分析得出結(jié)論：采用集成換熱的電池加熱系統(tǒng)在電池升溫速率上更優(yōu)于僅PTC加熱方式的電池加熱系統(tǒng)，在加熱時間上集成換熱節(jié)省了約207 s，在能耗上節(jié)省了0.31 kW·h，由此證明設(shè)計的電池加熱系統(tǒng)在提升加熱系統(tǒng)性能和減少能耗上是有效的。

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收稿日期：2024-05-29

作者簡介：徐健南（1997—），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向：新能源汽車。

劉剛（1975—），男，遼寧昌圖人，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向：汽車懸架系統(tǒng)理論與控制、新能源汽車與電池技術(shù)。