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東風汽車｜電動汽車電池冷卻系統(tǒng)對空調(diào)系統(tǒng)性能的影響
2020-03-07 00:54:54· 來源：電動學堂
作者單位：東風汽車集團有限公司技術中心近年來，隨著純電動汽車續(xù)航里程的增加和電池能量密度的提高，電動汽車電池采用主動冷卻方案逐漸成為主流。冷卻液式電池
作者單位：東風汽車集團有限公司技術中心
近年來，隨著純電動汽車續(xù)航里程的增加和電池能量密度的提高，電動汽車電池采用主動冷卻方案逐漸成為主流。冷卻液式電池冷卻系統(tǒng)利用一個板式換熱器在空調(diào)系統(tǒng)中獲得冷量，然后通過電動水泵?電池內(nèi)部的冷卻板和管路等部件將冷量帶給發(fā)熱的電池，使電池在適宜的溫度范圍內(nèi)工作。板式換熱器制冷劑回路與空調(diào)系統(tǒng)制冷劑回路并聯(lián)，當部分冷量分配給板式換熱器用于電池冷卻，空調(diào)系統(tǒng)的制冷性能就會下降，從而影響駕駛室乘員的舒適性;如果要滿足駕駛室乘員的舒適性，則需要通過增加壓縮機轉(zhuǎn)速或增大壓縮機排量提升整個系統(tǒng)的制冷量，該方案使得系統(tǒng)的耗電量增加，降低了電動汽車的續(xù)航里程。
目前已有部分整車廠和空調(diào)供應商對電池冷卻系統(tǒng)進行了研究，陳雪峰等提出了不同的電池冷卻系統(tǒng)方案，并進行試驗分析選出最佳控制方案。段艷麗等對電動汽車空調(diào)系統(tǒng)和電池冷卻系統(tǒng)進行了試驗研究，得到了壓縮機轉(zhuǎn)速對電池冷卻系統(tǒng)性能和空調(diào)系統(tǒng)性能的影響。上述研究主要針對如何提升電池冷卻系統(tǒng)性能，使電池在適宜的溫度范圍內(nèi)工作，并沒有闡述如何使空調(diào)舒適性和電池工作溫度都處于適宜的范圍。針對這一問題，筆者搭建電動汽車空調(diào)系統(tǒng)和電池冷卻系統(tǒng)試驗臺架，分析電池冷卻系統(tǒng)參數(shù)對空調(diào)系統(tǒng)性能的影響，尋求有效的解決方案，為電動汽車空調(diào)系統(tǒng)和電池冷卻系統(tǒng)的應用開發(fā)提供指導。
1 系統(tǒng)原理
圖1所示為電動汽車空調(diào)系統(tǒng)和電池冷卻系統(tǒng)簡圖，蒸發(fā)器與電池冷卻器并聯(lián)。從冷凝器出來的高溫高壓制冷劑分為兩路:一路經(jīng)熱力膨脹閥節(jié)流后進入蒸發(fā)器;另一路經(jīng)電子膨脹閥節(jié)流后進入電池冷卻器。在空調(diào)蒸發(fā)器回路中設置有電磁閥，當不需要空調(diào)制冷時，可以關閉空調(diào)蒸發(fā)器回路;在電池冷卻器回路中設置有電子膨脹閥，電子膨脹閥可以根據(jù)電池冷卻器的出口過熱度精確地調(diào)節(jié)制冷劑流量，同時當電池包不需要冷卻時，可以關閉該回路。設置電磁閥或電子膨脹閥是為了避免當蒸發(fā)器(電池冷卻器)回路不工作時，制冷劑和壓縮機潤滑油大量沉積在蒸發(fā)器或電池冷卻器中，造成處于工作狀態(tài)的電池冷卻器(蒸發(fā)器)缺少制冷劑和潤滑油的情況，進而導致系統(tǒng)性能下降，甚至不能正常工作。
2 試驗臺及制冷劑充注量
2.1 試驗臺架搭建
圖2所示為搭建的電動汽車空調(diào)系統(tǒng)及電池冷卻系統(tǒng)試驗臺架。蒸發(fā)器布置在蒸發(fā)器風洞室，冷凝器布置在冷凝器風洞室，風洞室可以調(diào)節(jié)空氣溫度?濕度?風速等參數(shù)(模擬實際工況)。電池在具體的工況下發(fā)熱量基本恒定，因此試驗采用恒溫冷卻液代替電池的發(fā)熱量，通過調(diào)節(jié)冷卻液的流量模擬電池發(fā)熱量的變化，通過調(diào)節(jié)試驗臺架上加熱水箱的功率實現(xiàn)冷卻液恒溫。試驗臺架上的空調(diào)管路為實車管路，可以更近似地模擬實車工況。壓縮機為電動壓縮機，轉(zhuǎn)速范圍為780~8300r/min。
2.2 制冷劑充注量的確定
試驗前需要進行系統(tǒng)制冷劑充注量的試驗, 獲得系統(tǒng)最佳制冷劑充注量, 使系統(tǒng)換熱能力最大.空調(diào)系統(tǒng)和電池冷卻系統(tǒng)同時開啟時, 所需的制冷劑充注量最大，因此在實施系統(tǒng)充注量試驗時，空調(diào)系統(tǒng)和電池冷卻系統(tǒng)處于工作狀態(tài),工況參數(shù)如表１所示。
在試驗開始前，預先給系統(tǒng)充注300g的制冷劑，這樣可以有效保護壓縮機。試驗開始時，再向系統(tǒng)充注50g制冷劑，當各測量參數(shù)慢慢穩(wěn)定后，每次充注25g的制冷劑并記錄主要參數(shù):壓縮機排氣溫度?熱力膨脹閥前制冷劑的過冷度?蒸發(fā)器出口空氣溫度和蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度。
圖3所示為系統(tǒng)在不同制冷劑充注量下各測量參數(shù)的變化情況。試驗開始時，由于充注的制冷劑較少，而蒸發(fā)器負荷較大，使得蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度較大，蒸發(fā)器出口空氣溫度較高。此時制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)全部蒸發(fā)為氣體，熱力膨脹閥開度最大。另外，制冷劑充注量較少時，系統(tǒng)內(nèi)的制冷劑壓力較低，使得熱力膨脹閥前制冷劑過冷度較小。隨著制冷劑充注量的增加，在蒸發(fā)器負荷不變的情況下，蒸發(fā)器出口空氣溫度會降低，蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度也會降低，熱力膨脹閥前制冷劑過冷度逐漸增大。當制冷劑充注量增大到一定程度時，如圖3中的550~600g充注量范圍，熱力膨脹閥前制冷劑過冷度和蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度曲線趨于一條水平線，其中蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度為8℃左右。隨著制冷劑充注量的繼續(xù)增加，在蒸發(fā)器負荷不變的情況下，蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度逐漸下降，蒸發(fā)器的出口空氣溫度升高。
熱力膨脹閥前制冷劑過冷度和空調(diào)蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度達到穩(wěn)定狀態(tài)時的制冷劑充注量是系統(tǒng)充注量的有效區(qū)間。系統(tǒng)最佳充注量的確定還需要考慮壓縮機出口制冷劑溫度(要求≤150℃)，整個系統(tǒng)制冷劑的年泄漏量(系統(tǒng)使用3年后，由于制冷劑的泄漏導致蒸發(fā)器出口空氣溫度變化≤2℃)和制冷劑充注設備的公差(為±25g)。結(jié)合試驗結(jié)果和上述要求，確定的最終制冷劑充注量為575g。
2.3 電池冷卻系統(tǒng)主要參數(shù)說明
電池冷卻系統(tǒng)需要把電池在各種工作模式下的發(fā)熱量帶走，使電池在適宜的溫度范圍內(nèi)工作，以延長電池的使用壽命和整車的續(xù)航里程。電池冷卻系統(tǒng)主要由電子水泵?電池冷卻器和電子膨脹閥等組成，參數(shù)分別為冷卻液流量?電池冷卻器的換熱量和電子膨脹閥的容量。
3 電池冷卻系統(tǒng)對空調(diào)系統(tǒng)性能的影響
3.1 試驗工況
表2所示為臺架試驗的3 種測試工況。參考某電動汽車快充時電池的實際最大散熱負荷 ,本次試驗中模擬的電池最大散熱負荷為1.8kW，試驗中電池冷卻器的最小容量選取2.0 kW。電動汽車快充時處于怠速狀態(tài)，試驗電動壓縮機轉(zhuǎn)速定為怠速工況下允許的最高轉(zhuǎn)速3500r/min。電子膨脹閥的開度使用范圍為20%~100%，若開度過小，制冷劑流量波動大，控制精度較差，試驗選用的電子膨脹閥最大開度為500步，電子膨脹閥的最小開度定為104步。
3.2 試驗結(jié)果及分析
圖4所示為工況1下電池冷卻器容量不同時，蒸發(fā)器出口空氣溫度?壓縮機出口制冷劑溫度?電池冷卻器出口制冷劑過熱度?蒸發(fā)器換熱量?電池冷卻器換熱量?系統(tǒng)總換熱量(蒸發(fā)器換熱量+電池冷卻器換熱量)的變化情況。由圖4可見，電池冷卻器出口制冷劑過熱度?壓縮機出口制冷劑溫度?蒸發(fā)器出口空氣溫度和電池冷卻器換熱量均隨電池冷卻器容量增加而增加，蒸發(fā)器換熱量和系統(tǒng)總換熱量隨電池冷卻器容量增加而遞減。其中，電池冷卻器容量從3.0kW減小為2.0kW時，蒸發(fā)器換熱量增加30%，蒸發(fā)器出口空氣溫度降低6.6℃。這是因為電池冷卻系統(tǒng)制冷劑流量一定時，當電池冷卻器容量越大(即電池冷卻器總換熱面積越大)，單氣相制冷劑在電池冷卻器中流動距離越長，換熱的時間越長，電池冷卻器出口制冷劑過熱度升高，使得壓縮機入口制冷劑溫度升高，進而導致壓縮機出口制冷劑溫度升高。在冷凝器入口空氣溫度和空氣流速不變時，壓縮機出口制冷劑溫度越高，制冷劑的冷凝溫度越高，從而導致空調(diào)系統(tǒng)的制冷量減少，蒸發(fā)器出口空氣溫度升高。盡管電池冷卻器換熱量增加了，但是蒸發(fā)器換熱量下降更多，使得整個系統(tǒng)總換熱量減少了7.5%。
表3所示為按工況2實施的試驗結(jié)果。蒸發(fā)器出口空氣溫度?電池冷卻器換熱量和系統(tǒng)總換熱量隨電子膨脹閥容量增加而增加。電池冷卻器出口制冷劑過熱度?壓縮機出口制冷劑溫度?蒸發(fā)器換熱量隨電子膨脹閥容量增加而減小。這是因為當電池冷卻器容量和冷卻液流量不變時，容量為1Rt的的電子膨脹閥(最小使用開度104步)比容量為0.5Rt的電子膨脹閥(開度為160步)的制冷劑流量大，電池冷卻器出口制冷劑過熱度降低，使得壓縮機出口制冷劑溫度增大，在冷凝器入口空氣溫度和空氣流速不變時，系統(tǒng)總換熱量減小1.8%，蒸發(fā)器換熱量增加5%，蒸發(fā)器出口空氣溫度降低1℃。另外，電子膨脹閥容量為1.0Rt時，電池冷卻器的換熱量為1.97kW，超過了電池所需的最大散熱負荷(1.80kW)的需求;電子膨脹閥容量為0.5Rt時，電池冷卻器的換熱量為1.81kW，可以滿足電池最大散熱負荷(1.80kW)需求。
圖5所示為工況3下冷卻液流量不同時，蒸發(fā)器出口空氣溫度?壓縮機出口制冷劑溫度?電池冷卻器出口制冷劑過熱度?系統(tǒng)總換熱量(蒸發(fā)器換熱量+電池冷卻器換熱量)?蒸發(fā)器換熱量和電池冷卻器換熱量的變化情況。由圖5可見，電池冷卻器出口制冷劑過熱度?壓縮機出口制冷劑溫度?蒸發(fā)器出口空氣溫度和電池冷卻器換熱量隨冷卻液流量增加而增加。其中，冷卻液流量從7.5L/min減少為3.5L/min時，蒸發(fā)器換熱量增加8%，蒸發(fā)器出口空氣溫度降低1.8℃。這是因為當電池冷卻器容量不變(即電池冷卻器換熱面積恒定)和系統(tǒng)制冷劑流量不變時，隨著冷卻液流量增大，電池冷卻器出口制冷劑過熱度增大。相對于電池冷卻器容量，冷卻液流量變化導致電池冷卻器出口制冷劑過熱度變化量較小，因此工況3下蒸發(fā)器換熱量和蒸發(fā)器出口空氣溫度變化量都較小。
4 結(jié)論
筆者針對電動汽車電池冷卻系統(tǒng)對空調(diào)系統(tǒng)性能的影響進行了試驗研究，分析電池冷卻器出口制冷劑過熱度?蒸發(fā)器出口空氣溫度?蒸發(fā)器換熱量?電池冷卻器換熱量和系統(tǒng)總換熱量隨電池冷卻系統(tǒng)參數(shù)的變化情況，得到以下結(jié)論:
1)在系統(tǒng)試驗工況相同的情況下，當電池冷卻器容量從3kW減小為2kW，空調(diào)系統(tǒng)換熱量增加30%，蒸發(fā)器出口空氣溫度降低6.6℃。
2)在系統(tǒng)試驗工況相同的情況下，當電子膨脹閥容量從1.0Rt減小為0.5Rt時，蒸發(fā)器換熱量增加5%，蒸發(fā)器出口空氣溫度降低約1.0℃。
3)在系統(tǒng)試驗工況相同的情況下，冷卻液流量從7.5L/min減少為3.5L/min，蒸發(fā)器換熱量增加8%，蒸發(fā)器出口空氣溫度降低1.8℃。
4)在滿足電池散熱需求時，選用小容量電池冷卻器?小容量電子膨脹閥和設定低的冷卻液流量可以增加蒸發(fā)器換熱量，降低蒸發(fā)器出口空氣溫度，提升車內(nèi)乘員的舒適性。但是，冷卻液流量過小會使得電池內(nèi)部各電芯的溫差加大，影響電池的壽命，因此冷卻液流量的最終選擇需要考慮電池內(nèi)部各電芯的溫度均勻性要求。
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