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

關(guān)鍵詞：電動汽車；熱管理；電池冷卻

前言

純電動汽車裝配的動力電池有多種冷卻方式[1-2]，其中液冷方式的動力電池包冷卻時通過較低溫度的冷卻液與動力電池進行熱交換，從而達到對動力電池降溫的目的。所以在對動力電池進行冷卻前，首先需對冷卻液進行降溫，其中冷卻液降溫一般有兩種方式，一種為通過電池冷卻器（Chiller）與汽車空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑進行熱交換后降溫，另一種方式為與外界環(huán)境進行熱交換而降溫，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)速會影響散熱器對外換熱的速度及電池本身的換熱量。前期研究一般針對單電池包冷卻進行分析[3-4]。本文對某純電動車汽車包含溫控系統(tǒng)的液冷動力電池降溫過程進行仿真及試驗，對比不同風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速對電池降溫速度的影響。為排除在運行過程中電池負荷不一致的影響，僅分析怠速工況下動力電池的降溫過程。


圖1 某款純電動汽車溫控系統(tǒng)架構(gòu)示意

01  前端模塊進風(fēng)量的分析

在電池靜置降溫過程中電池散熱器需在前艙與環(huán)境進行換熱，所以首先對整車的前端散熱模塊在不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下的風(fēng)量進行分析。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。

表1 高低擋位下左右風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速


表2 前端模塊散熱器


將前端模塊的空氣流動三維流場看作不可壓縮流動[5-6]，其基本控制方程表示如下[7]。

通過三維仿真分析，得到電池散熱器在高低擋風(fēng)扇下的流場如圖2所示。


圖2 電池散熱器在高低速擋風(fēng)扇下的風(fēng)速分布

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）。


圖3 系統(tǒng)一維仿真分析模型

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


圖4 冷卻液溫控系統(tǒng)流阻曲線及水泵性能曲線

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

表3 溫控系統(tǒng)在兩種水泵轉(zhuǎn)速下分析結(jié)果


02  電池降溫過程仿真分析

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)速對電池降溫過程的影響，分析工況如下：

表4 風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速對電池降溫分析工況


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


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，下標代表氣側(cè)與液側(cè)流體。

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


圖5 不同風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速下電池入水溫變化


圖6 不同風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速下電池平均溫度變化

從仿真結(jié)果看，風(fēng)扇高低轉(zhuǎn)速對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)扇對低擋風(fēng)扇可使電池溫度下降 1℃以上，而高速水泵對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。

03  電池降溫過程試驗分析

同樣針對整車怠速工況，對比高低速風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速對動力電池降溫速度影響，試驗工況如下表所示。

表5 電池降溫速度影響試驗工況


針對以上測試工況得到不同風(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。


圖7 不同風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速下電池入水溫變化


圖8 不同風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速下電池平均溫度變化

仿真與測試結(jié)果對比，環(huán)境溫度為25℃，將測試的動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)進行對比，如下圖所示。


圖9 仿真與測試結(jié)果對比

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

04  總結(jié)

本文分析了純電動汽車動力電池通過散熱器散熱過程中水泵與風(fēng)扇對冷卻液溫度和動力電池溫度的影響。針對純電動汽車怠速降溫過程，通過三維及一維結(jié)合的仿真方式，得出高速擋風(fēng)扇相對低速風(fēng)扇最終電池溫度低 1℃以上，而高速水泵相對低速水泵的影響在 1℃以內(nèi)，并通過動力電池的降溫試驗證得出了相同結(jié)論。對通過散熱器冷卻的液冷動力電池散熱有一定的指導(dǎo)意義。

來源：期刊《汽車實用技術(shù)》，作者：胡福勝，歐陽陳志，朱林培