摘要

電動汽車銷量的增加有利于減緩氣候變暖。統(tǒng)計表明：在溫帶和寒帶地區(qū)，電動汽車持續(xù)增加。在寒冷地區(qū)使用時，熱管理系統(tǒng)(TMS)能保證較好的的制熱COP，但是在溫度較高地區(qū)使用時，這些熱管理系統(tǒng)會犧牲制冷COP。本研究提出了一種新的電動汽車熱管理系統(tǒng)(EVTMS)，該系統(tǒng)僅限于電池液冷，適用于在炎熱氣候地區(qū)的電動汽車。該系統(tǒng)集成了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和乘員艙暖通空調(diào)系統(tǒng)，且兩個系統(tǒng)使用同一個電動壓縮機。與用于電動汽車的傳統(tǒng)TMS相比，該集成解決方案還利用余熱回收來提高系統(tǒng)COP。由于系統(tǒng)集成，管道和閥門的數(shù)量減少，也造成制冷劑壓降降低，從而減少壓縮機負(fù)荷損失。本研究電池組的溫控目標(biāo)為27℃，電池單體之間的最大溫差不超過4℃。通過典型熱負(fù)荷條件下的實驗測試結(jié)果對比，驗證了所提出系統(tǒng)的優(yōu)點。現(xiàn)有系統(tǒng)與文中提出的熱管理系統(tǒng)EVTMS的COP比較證明：在電池和乘員艙的典型熱負(fù)荷下，新的熱管理系統(tǒng)COP是原有熱管理系統(tǒng)COP的2倍。

引言

電動汽車熱管理系統(tǒng)主要包括電池冷卻、動力傳動系冷卻和動力艙冷卻。每個冷卻系統(tǒng)都有不同的熱需求，熱需求也是瞬態(tài)的。在電動汽車的應(yīng)用中，控制這些不同程度的熱負(fù)荷并不容易。每個熱力系統(tǒng)的不同需求使得整個熱力管理系統(tǒng)在運行期間更加復(fù)雜。如圖1所示當(dāng)前，歐洲、北美、日本和中國，這些地區(qū)的電動汽車使用量較多，這些地區(qū)的大部分地方氣候溫和或寒冷。

圖1. 2018年不同國家電動汽車銷量占比

TMS的加熱效率一直是這些地區(qū)電動汽車使用者最關(guān)心的問題。這些地區(qū)使用的現(xiàn)有熱管理技術(shù)是CO2系統(tǒng)，其次是R134a和R1234yf 制冷劑熱泵系統(tǒng)。由于最佳的加熱COP，CO2系統(tǒng)最受歡迎。然而，這些系統(tǒng)并不適用于印度、墨西哥灣沿岸國家、泰國和非洲部分地區(qū)等炎熱氣候地區(qū)。對于這些地區(qū)，熱泵系統(tǒng)不適用，因為它需要特殊的熱交換器、閥門和管道來在各種模式之間切換。這些技術(shù)中沒有任何熱回收系統(tǒng)也會導(dǎo)致冷卻COP較差。電動汽車的一些TMS利用低溫散熱器（LTR）將電池?zé)崃颗诺江h(huán)境中。但在印度等炎熱氣候地區(qū)，LTR在夏季不起作用。周提出了一種具有可選余熱回收功能的電動汽車熱管理系統(tǒng)（EVTMS）。該系統(tǒng)（EVTMS）還具有多個冷卻閥。但在其研究中，余熱回收取決于驅(qū)動電機的運行，單驅(qū)動電機并非始終處于運行狀態(tài)。所以本文，我們考慮并提出了一個穩(wěn)定的熱回收源。Harris等人，提出了一種用于電動車且具有余熱回收的熱管理系統(tǒng)，包括了動力總成余熱回收系統(tǒng)，但是動力總成余熱回收系統(tǒng)在車輛停止和啟動時無法使用。Jun等人，提出了一種用于具有PTC的電動車輛的熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)顯著減少了車輛里程?？紤]了電池冷卻的兩個主要目標(biāo)。一種是控制電池單體之間的溫度梯度，因為電池單元體之間的溫度差大大加劇了電池單體之間不平衡放電現(xiàn)象[7]。

它進(jìn)一步加速了電池組容量的損失。對于電池組，容量損失率隨著電池之間溫差的增加近似線性增加[7]。這一趨勢隨著工作溫度的升高而放大[4]。第二是將電池單元溫度保持在接近27°C的水平，以改善電池單元的SOH和SOC[7]。為了克服這些問題，本研究提出了一種新解決方案的設(shè)計和驗證，以滿足電池和乘員艙的熱需求。提出的熱管理系統(tǒng)有效且高效地解決了電動汽車在炎熱氣候中的應(yīng)用。提出的解決方案稱為電動車輛熱管理系統(tǒng)（EVTMS）。討論了優(yōu)化系統(tǒng)COP的EVTMS控制策略。描述了所提出的電動車輛熱管理系統(tǒng)。簡要討論了擬議系統(tǒng)的好處。提出了一種控制策略，以最小的能量消耗控制電池單體的平均溫度并將電池單體之間的溫差控制在4°C以內(nèi)[8]。

電動汽車熱管理系統(tǒng)模型（EVTMS Model）

EVTMS模型使用蒸汽壓縮制冷劑循環(huán)和單相制冷劑循環(huán)的基本原理。圖2表明了擬議EVTMS的總體布局。

圖2. 擬議電動車輛熱管理系統(tǒng)的總體布局

第一個閉合循環(huán)包括電動壓縮機、水冷式冷凝器、制冷劑流量控制閥、風(fēng)冷式冷凝器、內(nèi)部熱交換器（IHX）、電動膨脹閥（EXV）、蒸發(fā)器、冷卻器和連接管。本型號中使用的壓縮機是電動的，直接由電池供電。壓縮機壓縮制冷劑蒸汽，從而增加制冷劑壓力和溫度。兩個串聯(lián)的冷凝器冷卻制冷劑，以將其熱量排到第一個冷凝器（水冷冷凝器）中的冷卻劑和通過第二冷凝器（空冷冷凝器）中的空氣。EXV根據(jù)預(yù)定義的邏輯控制壓縮機入口前的制冷劑壓力和溫度。制冷劑的質(zhì)量流率是EXV控制器的輸出參數(shù)，以滿足壓縮機入口的指定壓力-溫度組合。壓縮機入口和出口處的壓力-溫度傳感器用作控制器輸入數(shù)據(jù)。水冷凝器和空氣冷凝器之間的制冷劑流量控制閥（Ref - FCV）將制冷劑流量切換到空氣冷凝器，以實現(xiàn)冷卻模式，或繞過空氣冷凝器、EXV、冷卻器和蒸發(fā)器，以實現(xiàn)最大加熱模式。圖3顯示了EVTMS的詳細(xì)示意圖。第二個閉合循環(huán)包括電動水泵、電池?zé)峤粨Q器、冷卻劑流量控制閥、水冷冷凝器、加熱器芯、補償水桶、chiller和連接管。由電池供電的水泵泵送冷卻液，冷卻液通常是水、乙二醇和一些添加劑的混合物。水冷式冷凝器是兩個封閉循環(huán)之間的常見熱交換器。對于冷卻劑循環(huán)，它用作冷卻劑加熱器，使用來自第一個閉合循環(huán)的廢熱，向加熱器芯提供熱或熱的冷卻劑。水冷凝器前的冷卻液流量控制閥（Coolant FCV）調(diào)節(jié)流向水冷冷凝器和chiller的冷卻液流。Coolant FCV的開啟取決于駕駛室內(nèi)的加熱需求。HVAC加熱器芯出口溫度根據(jù)預(yù)定義的EVTMS控制邏輯約束Coolant FCV的開度。

圖3. 擬議電動汽車熱管理系統(tǒng)（EVTMS）的詳細(xì)示意圖

電池溫度控制由EVTMS控制邏輯完成。電池冷卻液進(jìn)口和出口溫度傳感器用作控制器輸入數(shù)據(jù)。由于冷卻液循環(huán)與制冷劑循環(huán)并行運行，因此HVAC出口溫度（排氣溫度）受到精確控制。首先通過蒸發(fā)器對乘員艙進(jìn)行冷卻和除濕，然后通過加熱器芯重新加熱。

分析

在穩(wěn)態(tài)熱負(fù)荷下測試所提出的熱系統(tǒng)之前，進(jìn)行了兩步模擬。首先研究了高熱負(fù)荷下的電池冷卻。該模擬的目的是在極端熱負(fù)荷下檢查該系統(tǒng)的可行性。在該步驟中，doe用于推斷泵和壓縮機轉(zhuǎn)速的最佳組合，以快速有效地將電池冷卻到舒適的溫度（27℃）?？刂齐姵貑误w的平均溫度以保證電池壽命， 因為電池單體的較高溫度（>40°C）和較低溫度（<20°C）會顯著降低電池壽命。在這種情況下，高密度電池組（如鋰離子電池）尤為突出[9]。電池單體之間的最大溫差限制為4°C，以防止電池單體之間產(chǎn)生內(nèi)部熱電。該熱電能顯著影響電池SOC和SOH[10]。考慮3.5 kW的最大電池?zé)嶝?fù)荷?？紤]到冷卻液回路在高溫環(huán)境條件下的熱浸，假設(shè)冷卻液初始溫度為40°C，這與任何汽車在高日照和高溫環(huán)境下的車輛熱浸有些相似。在瞬態(tài)模擬的第一步中，忽略乘員艙熱負(fù)荷。一旦電池組達(dá)到優(yōu)化水平，將進(jìn)行系統(tǒng)級模擬（仿真-2）。Simulation-2的目的是看一看；在典型熱負(fù)荷條件下對整個系統(tǒng)COP的影響，以及擬議EVTMS和現(xiàn)有電動汽車最佳的TMS之間的比較。在該模擬中，目標(biāo)將電池組的平均溫度控制在27±1°C。表1顯示了模擬1的熱負(fù)荷條件。表2列出了所有組件規(guī)格，包括熱傳感器及其精度水平。這些部件規(guī)格也用于仿真2和系統(tǒng)級臺架試驗。

表1. 仿真1的熱負(fù)荷，用于優(yōu)化泵轉(zhuǎn)速和壓縮機轉(zhuǎn)速組合，快速冷卻電池

表2. 部件規(guī)格

表3列出了模擬2和系統(tǒng)臺架熱負(fù)荷，并定義了乘員艙（HVAC）熱負(fù)荷、電池?zé)嶝?fù)荷和環(huán)境條件。通過 chiller的冷卻劑流速定義為：對于給定的熱負(fù)荷，通過BHEX的冷卻劑溫升不應(yīng)大于4℃。通過coolant FCV故意將一些冷卻液泄漏到加熱器芯。這樣做是為了利用再熱功能，在乘員艙內(nèi)達(dá)到最佳的熱舒適。在20~35°C的溫和環(huán)境溫度下，再熱功能是現(xiàn)代HVAC系統(tǒng)的常見做法。在電動汽車中，由于發(fā)動機的熱量不能用于乘員艙加熱或再熱，傳統(tǒng)電動汽車使用PTC加熱器來產(chǎn)生熱量。然而，EVTMS利用廢熱回收來實現(xiàn)這一點。表3. 仿真2及其對應(yīng)實驗熱負(fù)荷

仿真-2結(jié)果的熱廓線顯示在EVTMS邊界圖上。電動壓縮機、電泵、暖通風(fēng)機電機、空冷冷凝器風(fēng)機等各電氣部件的能耗求和以計算系統(tǒng)COP。并對仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行了比較研究。每次仿真和臺架試驗中，使用的制冷劑為R134a，冷卻劑為水-乙二醇混合物，水與乙二醇的比例為70:30。

仿真模型

利用一維仿真工具GT-Suite進(jìn)行仿真。水冷式冷凝器、風(fēng)冷式冷凝器、chiller、蒸發(fā)器、加熱器芯和電池?fù)Q熱器的建模采用了GT庫中的標(biāo)準(zhǔn)換熱器(HEX)模板。在進(jìn)行系統(tǒng)建模之前，首先對所有這些換熱器的熱性能進(jìn)行校準(zhǔn)。一些用于校準(zhǔn)換熱器的參考方程如下:

圖4僅展示了電池?zé)峁芾聿糠值哪Ｐ筒季?。電池?zé)嶝?fù)荷為3.5 kW。本電池容量為30 kWh。電池的散熱量通過Chiller被冷卻液帶走。制冷劑為R134a，冷卻劑為水和乙二醇的混合物，其比例為70:30。

圖4. 1-D電池?zé)岱抡婺Ｐ?

結(jié)果

仿真 1

使用DOE進(jìn)行試驗方案設(shè)計，具體如表4。泵的轉(zhuǎn)速是用“x”的倍數(shù)來定義的，x等于泵的最小轉(zhuǎn)速。同理，壓縮機轉(zhuǎn)速以“y”的倍數(shù)定義，y等于壓縮機的最小轉(zhuǎn)速。電池?zé)嶝?fù)荷為3.5 kW。冷卻液初始溫度設(shè)定為40℃?？諝饫淠黠L(fēng)機以恒定的速度運行，以使冷凝器表面風(fēng)速達(dá)到1.5m/s。分別考慮電動壓縮機、電泵和空氣冷凝器風(fēng)機的功耗(PC)，計算COP，如式5所示。

由表5可以看到對于case6和case7，電池的平均溫度在27±1℃內(nèi)，電池單體的溫差（Delta Temperature）。由表5可以看到電池平均溫度和電池單體的溫差這兩個目標(biāo)并不是能夠同時滿足，為此下文在case6和case7的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究分析。

表4. 實驗設(shè)計

表5. 模擬結(jié)果

初步研究的其他重要發(fā)現(xiàn)包括:

1.對于給定的泵速，改變壓縮機轉(zhuǎn)速可以更好地控制電池平均溫度，并且在給定的泵速下，改變壓縮機轉(zhuǎn)速對電池單體之間的溫差影響不大。具體可見case 1、5、9、13。

2.對于給定的壓縮機轉(zhuǎn)速，改變水泵的轉(zhuǎn)速可以更好地控制電池單體之間的溫差，對電池平均溫度影響不大。具體可見case1、2、3、4。

3.Case 1 的COP最大。此時泵和壓縮機的轉(zhuǎn)速最小，但是電池平均溫度和電池單體之間的溫差（Delta Temp）均未達(dá)到要求。

4.對于case6電池平均溫度在27±1℃范圍內(nèi)，但是單體之間的溫差（Delta Temp）卻大于4℃。由第2條可知我們可以通過增大水泵的轉(zhuǎn)速來降低電池單體之間的溫差。

5.通過改變壓縮機轉(zhuǎn)速(從1.5倍降低)和泵轉(zhuǎn)速(從1.5倍提高)進(jìn)行二次試驗，以滿足電池的平均溫度和單體之間溫度的溫差，并具有更好的COP。

為了實現(xiàn)這兩個目標(biāo)，壓縮機轉(zhuǎn)速從1.50y降低，泵轉(zhuǎn)速從1.5 x提高，目的是降低泵和壓縮機的累計功耗。壓縮機轉(zhuǎn)速按比例遞減，泵轉(zhuǎn)速按比例遞增。

第二次嘗試的結(jié)果如表6所示。案例5滿足指定的兩個目標(biāo)，電池單體平均溫度為26.86°C，電池單體的增量溫度為3.93°C。整體系統(tǒng)COP也由1.70提高至1.88，節(jié)省了5%以上的能耗。

表6. 第二次試驗結(jié)果

采用類似的方法，進(jìn)行了仿真實驗2（系統(tǒng)熱仿真，包含乘員艙制冷、電池冷卻以及預(yù)熱回收）。

仿真-2

在仿真的第二步中，還考慮了乘員艙熱負(fù)荷，并對整個系統(tǒng)的COP進(jìn)行了評估。本次仿真系統(tǒng)的熱負(fù)荷工況如表3所示。環(huán)境溫度設(shè)為30°C。在本次仿真中，電池?zé)嶝?fù)荷為2.5 kW，而電池的峰值熱負(fù)荷為4.5 kW。此模擬的熱剖面如圖6所示。仿真結(jié)果也列在表7中。由根據(jù)式6可計算得到整個系統(tǒng)COP為5.6。

COP值5.6反映了EVTMS的節(jié)能架構(gòu)。這是由于兩級余熱回收，一個來自內(nèi)部熱交換器，另一個來自水冷冷凝器?，F(xiàn)代電動汽車由PTC進(jìn)行再加熱，它消耗電池的能量，同時也具有最好的80% - 90%的效率。因此，在相同的再加熱能率下，該情況下COP值會顯著降低。EVTMS熱管理系統(tǒng)蒸發(fā)器芯和加熱器芯串聯(lián)。因此，在這部分模擬中，流經(jīng)蒸發(fā)器的總氣流也同時流經(jīng)加熱器芯。在穩(wěn)態(tài)條件下，暖通空調(diào)出口溫度目標(biāo)為21°C。風(fēng)機電機功率限制在180w，以達(dá)到300CMH的HVAC氣流值。

圖7. 仿真2的熱剖面

表7 仿真2的結(jié)果

臺架實驗

為驗證仿真結(jié)果，對相同熱負(fù)荷下的試驗臺架結(jié)果進(jìn)行分析(負(fù)荷條件與仿真-2相同)。系統(tǒng)試驗臺結(jié)果的熱廓線如圖7所示。熱負(fù)荷試驗臺結(jié)果如表8所示。圖7的熱分布與仿真2有些不同。這是由于在測試中使用了傳統(tǒng)的HVAC架構(gòu)。為了對蒸發(fā)器出口的冷空氣進(jìn)行再加熱，打開暖通混合閥，部分經(jīng)過蒸發(fā)器的空氣泄漏到加熱器芯。這增加了鼓風(fēng)機電機的空氣側(cè)壓降，因此在相同的功耗下，在排氣口氣流量較低。通過加熱器芯的空氣量小于通過蒸發(fā)器的空氣量。它減少了通過暖通空調(diào)的氣流，從而減少了蒸發(fā)器的冷負(fù)荷，也減少了加熱器核心的熱回收(再加熱)。然而，排氣目標(biāo)溫度值仍在范圍內(nèi)。隨著蒸發(fā)器空氣側(cè)熱負(fù)荷的減小，通過蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量也隨之減小。由于負(fù)荷低，吸氣壓力增加。壓縮機功耗也隨著制冷劑壓力比的降低而降低。根據(jù)公式7, EVTMS系統(tǒng)COP為5.0，保持了與模擬2中相同的艙室熱和電池?zé)崾孢m。

系統(tǒng)臺架測試結(jié)果驗證了EVTMS熱系統(tǒng)，并驗證了仿真2的結(jié)果。

現(xiàn)有電動車熱管理系統(tǒng)與EVTMS熱系統(tǒng)對比

圖8顯示了用于基準(zhǔn)測試的熱管理系統(tǒng)。它使用PTC加熱器代替EVTMS系統(tǒng)中使用的交叉逆流加熱器芯。該系統(tǒng)中也缺少水冷冷凝器。由于沒有水冷凝器，該系統(tǒng)無法利用壓縮機余熱。對于任何再熱功能，必須打開電動PTC。

圖8. 基準(zhǔn)熱管理系統(tǒng)（BTMS）

考慮到與仿真-2中相同的熱負(fù)荷，方程8可用于評估基準(zhǔn)系統(tǒng)COP?？蓞⒖急?計算基準(zhǔn)系統(tǒng)COP。PTC的熱效率取為80%。因此，再熱功率為0.7 kW，PTC加熱器消耗了0.88kW的電能。經(jīng)計算基準(zhǔn)熱管理系統(tǒng)COP為2.78，這是相同熱負(fù)荷條件下，EVTMS系統(tǒng)COP的50%。

結(jié)論

1.仿真-1證明了：當(dāng)電池處于峰值熱負(fù)荷時，EVTMS熱管理系統(tǒng)功能的可靠性。通過改變壓縮機轉(zhuǎn)速和水泵轉(zhuǎn)速，得出電池處于峰值熱負(fù)荷時，壓縮機和水泵的控制策略，以實現(xiàn)電池溫控的兩個目標(biāo)。一是將電池的平均溫度保持在接近27°C，二是控制電池單體的溫差的小于4°C，以提高電池的耐久性。

2.仿真-2預(yù)測了在典型熱負(fù)荷下，EVTMS系統(tǒng)的熱分布，其中利用了再熱功能以保證乘員艙的最佳熱舒適性。該系統(tǒng)的COP為5.6，遠(yuǎn)高于電動汽車的傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)。水冷冷凝器的余熱回收進(jìn)行再熱已被證明是EVTMS系統(tǒng)的關(guān)鍵特征。

3. 將所提出的系統(tǒng)（EVTMS）與基準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行比較，證明在典型熱負(fù)載條件下，在相同的熱舒適性下，EVTMS的能效提高了50%。

文章來源：Rana, T. and Yamamoto, Y., “Universal Electric Vehicle Thermal Management System,” SAE Int. J. Advances & Curr. Prac. in Mobility 3(1):604-613, 2021, doi:10.4271/2020-28-0002.