基于一維仿真分析技術(shù)的純電動車熱管理性能研究

陳 皓，劉雙喜

（中國汽車技術(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、資源枯竭等問題的加劇，大力研究和利用電動汽車相關(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)競爭的一個新焦點[1]。目前歐美以及日本對于電動汽車的研究已經(jīng)日趨完善，電動汽車的電池、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，對于熱管理技術(shù)方向而言美國的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。

電動汽車的熱管理，特別是電池的熱管理直接關(guān)系到整個電動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。電動汽車中電池是動力供應(yīng)部分，如何提高電動汽車整車的性能以及安全性能需要著重從電池方面入手，目前的電動汽車常選用鋰電池作為動力電源，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，通過對電池包結(jié)構(gòu)的設(shè)計來進(jìn)行熱管理的方式和策略設(shè)定，從而保證整個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，其次是電池長時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，避免因為溫度過高造成的安全事故，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)生過大的溫度差異，造成局部過熱，影響電池的壽命和安全。

純電動汽車熱管理系統(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同時供給冬季時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，怠速時乘員艙平均溫度不大于28℃，40 km/h時乘員艙平均溫度不大于24℃，80 km/h時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)搭建在同一個模型中進(jìn)行仿真計算。

本次計算搭建的一維模型，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計算分析模型

3 熱量負(fù)荷計算

對空調(diào)制冷系統(tǒng)而言，各工況下乘員艙熱量負(fù)荷主要有車架對流換熱量、玻璃對流換熱量、電動機(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，計算各工況下乘員艙熱量負(fù)荷，如表3所示。考慮到計算結(jié)果與實際情況的誤差，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)計時采用的裕度系數(shù)，為經(jīng)驗值。

表3 熱量負(fù)荷計算結(jié)果

4 邊界條件輸入

在計算熱管理系統(tǒng)各項性能之前，需要搭建整車三維模型，計算冷凝器、散熱器等前端模塊的進(jìn)風(fēng)量，為一維性能計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 計算結(jié)果分析

5.1 乘客空調(diào)制冷系統(tǒng)分析

通過加載各計算工況，計算圖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

同樣的計算模型如圖2所示，加載整車計算工況，可以計算出在各工況下，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)行對比，由表7計算結(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目標(biāo)值，需要對熱管理系統(tǒng)整體進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方案從以下幾個方面入手：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)化過程中作為最后考慮的一項措施。通過優(yōu)化前端模塊結(jié)構(gòu)，增加冷凝器周邊的導(dǎo)流板，同時，增加了冷凝器的迎風(fēng)面積，實際上是改善了空調(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，因而提升了整個空調(diào)系統(tǒng)的性能。

6 結(jié)束語

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

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

（3）本次仿真計算中，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)計算中鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)量可能發(fā)生變化，需確認(rèn)。

（4）通過優(yōu)化整車前端模塊設(shè)計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有帶來較大的增加。