電動汽車動力電池加熱系統(tǒng)建模與分析

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(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常工況下的水平^[1],因此需要設(shè)計(jì)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(diǎn),被廣泛運(yùn)用于電動汽車^[3]。然而,獨(dú)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(jìn)行熱交換,達(dá)到提升電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能的目的^[4—5]。本文設(shè)計(jì)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(dú)立式加熱系統(tǒng)對比,驗(yàn)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(jì)參數(shù)匹配計(jì)算求得。

動力電池的匹配計(jì)算主要包括兩個部分,第一部分為計(jì)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/T18386—2005《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)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:

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60km/h;C_d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:

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(jì)算如式(3)所示:

式中:C_b為電池單體容量;U_b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3.7V,電池單體容量經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測得為3000 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T_b的變化如式(4)所示:

式中:C_m為電池組比熱容;M_m為電池組質(zhì)量;T_b為電池溫度;ρ_w為冷卻液密度;C_w為冷卻液比熱容;q_v為冷卻液體積流量;T_lk為液冷板冷卻液進(jìn)水口溫差;T_amb為外界環(huán)境溫度;R_amb—b為電池與外界環(huán)境的熱阻;Q_b為電池產(chǎn)熱功率。

液冷板冷卻液進(jìn)水口溫差T_lk的變化如式(5)所示:

式中:C_w為冷卻液比熱容;M_w為冷卻液質(zhì)量;T_ptc為 PTC溫度;R_b為電池與冷卻液直接的熱阻;R_ptc—1為PTC與冷卻液直接的熱阻;Q_ex為熱交換器換熱功率。

PTC加熱器溫度T_ptc的變化如式(6)所示:

式中:C_ptc為PTC加熱器的熱容;Q_ptc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(jī)、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(jī)排出高溫高壓的氣體制冷劑,制冷劑進(jìn)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(jī)中進(jìn)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(jī)使高溫高壓的氣體制冷劑經(jīng)過四通換向閥進(jìn)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(jìn)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(jī),進(jìn)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(jī)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(jì)算如式(7)所示:

式中:Q_cabin為乘員艙最大熱負(fù)荷;Q_bat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(jì)算如式(8)所示:

式中:Q_s為車身圍板結(jié)構(gòu)傳熱;Q_L為車窗玻璃傳熱;Q_Air為室外空氣傳熱;Q_p為人體熱負(fù)荷;Q_F為其他熱量。

根據(jù)計(jì)算得到的Q₀即可計(jì)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(dá)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(dá)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1180 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(jì)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(yùn)行約260s時,乘員艙溫度達(dá)到15℃ ,此時乘員艙溫度達(dá)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(jì)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(jì)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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2024年第20期第10篇