車(chē)用動(dòng)力電池散熱器冷卻影響因素分析

胡福勝 歐陽(yáng)陳志 朱林培

摘 要：文章基于純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池利用前端散熱器進(jìn)行降溫的過(guò)程，采用仿真與試驗(yàn)結(jié)合的方式對(duì)水泵轉(zhuǎn)速與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速分別對(duì)動(dòng)力電池溫控回路的冷卻液水溫及電池降溫速度的影響進(jìn)行分析。從分析與測(cè)試結(jié)果得出，高擋風(fēng)扇相對(duì)低擋風(fēng)扇在約100min的降溫過(guò)程中電池溫度低1℃以上，而高水泵相對(duì)低水泵的影響很小，在1℃以?xún)?nèi)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē);熱管理;電池冷卻

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.72? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）13-119-03

Analysis of Effect Factors of Power Battery Pack Cooling by Radiator

Hu Fusheng， Ouyang ChenZhi， Zhu Linpei

（ GAC Automotive Engineering Institute， Guangzhou Automobile Group CO.， LTD， Guangdong Guangzhou 511434 ）

Abstract： Based on the battery pack cooled by cooling package within electric vehicle， the cooling process of the power battery was analyzed. The influence of the pump speed and fan speed on the battery cooling was compared by simulation and test. From the analysis and test results， it was concluded that the high-block fan relative to the low-block fan was more than 1℃ lower than the battery temperature during the nearly 100-min cooling process， while the high-block pump relative to the low-block pump had very little effect， within 1℃.

Keywords： Electric vehicle; Thermal management; Battery cooling

CLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-119-03

前言

純電動(dòng)汽車(chē)裝配的動(dòng)力電池有多種冷卻方式[1-2]，其中液冷方式的動(dòng)力電池包冷卻時(shí)通過(guò)較低溫度的冷卻液與動(dòng)力電池進(jìn)行熱交換，從而達(dá)到對(duì)動(dòng)力電池降溫的目的。所以在對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行冷卻前，首先需對(duì)冷卻液進(jìn)行降溫，其中冷卻液降溫一般有兩種方式，一種為通過(guò)電池冷卻器（Chiller）與汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑進(jìn)行熱交換后降溫，另一種方式為與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換而降溫，如圖1所示。

基于散熱器冷卻的方式，由于其受電池冷卻液流量及風(fēng)量的影響，也就是水泵的轉(zhuǎn)速及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速會(huì)影響散熱器對(duì)外換熱的速度及電池本身的換熱量。前期研究一般針對(duì)單電池包冷卻進(jìn)行分析[3-4]。本文對(duì)某純電動(dòng)車(chē)汽車(chē)包含溫控系統(tǒng)的液冷動(dòng)力電池降溫過(guò)程進(jìn)行仿真及試驗(yàn)，對(duì)比不同風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速對(duì)電池降溫速度的影響。為排除在運(yùn)行過(guò)程中電池負(fù)荷不一致的影響，僅分析怠速工況下動(dòng)力電池的降溫過(guò)程。

1 前端模塊進(jìn)風(fēng)量的分析

在電池靜置降溫過(guò)程中電池散熱器需在前艙與環(huán)境進(jìn)行換熱，所以首先對(duì)整車(chē)的前端散熱模塊在不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量進(jìn)行分析。前端模塊主要包括電池散熱器，冷凝器及電驅(qū)散熱器。從進(jìn)風(fēng)方向看，電驅(qū)散熱器布置在冷凝器和電池散熱器后，本次分析主要關(guān)注電池散熱器高速與低速擋風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下的進(jìn)風(fēng)量。

前端模塊下的高低擋位風(fēng)扇轉(zhuǎn)速設(shè)置如表1所示，基本參數(shù)如表2所示。

將前端模塊的空氣流動(dòng)三維流場(chǎng)看作不可壓縮流動(dòng)[5-6]，其基本控制方程表示如下[7]。

（1）

（2）

（3）

通過(guò)三維仿真分析，得到電池散熱器在高低擋風(fēng)扇下的流場(chǎng)如圖2所示。

依據(jù)圖3所示的溫控系統(tǒng)搭建一維仿真模型，電池溫控回路中冷卻介質(zhì)為乙二醇水溶液（體積比1：1）。

分析得到電池溫控系統(tǒng)流阻曲線，與水泵兩種轉(zhuǎn)速下的工作曲線進(jìn)行對(duì)比如圖4。

得出兩種水泵占空比下冷卻液流量為：工作點(diǎn)1為90%水泵轉(zhuǎn)速時(shí)系統(tǒng)流量11L/min，工作點(diǎn)2 為50%水泵轉(zhuǎn)速時(shí)系統(tǒng)流量7.7L/min。兩工作點(diǎn)的水泵功率分析為56W和31W，分析結(jié)果如表3所示。

2 電池降溫過(guò)程仿真分析

基于以上風(fēng)量及冷卻液流量分析結(jié)果，分析風(fēng)扇高低擋轉(zhuǎn)速與水泵高低轉(zhuǎn)速對(duì)電池降溫過(guò)程的影響，分析工況如下：

其中散熱器的整體換熱量可根據(jù)傳熱單元數(shù)法進(jìn)行分析，其整體換熱系數(shù)計(jì)算如下式[8]。

（4）

式中，kA為整體換熱系數(shù)，d為水力直徑，Nu為努塞爾數(shù)，λ為流體的熱導(dǎo)率，A為換熱面積，Gwall為固體導(dǎo)熱率，下標(biāo)代表氣側(cè)與液側(cè)流體。

分析中忽略電池端的負(fù)載，所以排除電池自發(fā)熱的影響，動(dòng)力電池為高溫降溫過(guò)程，得到電池入水溫和電池平均溫的變化如圖5和圖6所示。

從仿真結(jié)果看，風(fēng)扇高低轉(zhuǎn)速對(duì)電池入水溫及電池平均溫的影響大于水泵轉(zhuǎn)速。高擋風(fēng)扇對(duì)低擋風(fēng)扇可使電池溫度下降1℃以上，而高速水泵對(duì)低速水泵電池溫度下降小于1℃，另外電池水泵在高低轉(zhuǎn)速下的功率相差約25W，風(fēng)扇擋位在高低擋位下的功率相差約317W。

3 電池降溫過(guò)程試驗(yàn)分析

同樣針對(duì)整車(chē)怠速工況，對(duì)比高低速風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速對(duì)動(dòng)力電池降溫速度影響，試驗(yàn)工況如下表所示。

針對(duì)以上測(cè)試工況得到不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及水泵轉(zhuǎn)速電池入水溫變化曲線和電池平均溫度變化曲線如圖7和圖8所示。

仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比，環(huán)境溫度為25℃，將測(cè)試的動(dòng)力電池入水溫度與電池平均溫度值變化曲線與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如下圖所示。

從以上對(duì)比可知，快冷與慢冷模式的入水溫及電池平均溫仿真與測(cè)試數(shù)據(jù)較接近，仿真結(jié)果具有工程參考意義。

4 總結(jié)

本文分析了純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池通過(guò)散熱器散熱過(guò)程中水泵與風(fēng)扇對(duì)冷卻液溫度和動(dòng)力電池溫度的影響。針對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)怠速降溫過(guò)程，通過(guò)三維及一維結(jié)合的仿真方式，得出高速擋風(fēng)扇相對(duì)低速風(fēng)扇最終電池溫度低1℃以上，而高速水泵相對(duì)低速水泵的影響在1℃以?xún)?nèi)，并通過(guò)動(dòng)力電池的降溫試驗(yàn)證得出了相同結(jié)論。對(duì)通過(guò)散熱器冷卻的液冷動(dòng)力電池散熱有一定的指導(dǎo)意義。

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