混合动力电动汽车动力性与经济性的优化匹配

摘 要：文章基于纯电动汽车动力电池利用前端散热器进行降温的过程，采用仿真与试验结合的方式对水泵转速与风扇转速分别对动力电池温控回路的冷却液水温及电池降温速度的影响进行分析。从分析与测试结果得出，高挡风扇相对低挡风扇在约100min的降温过程中电池温度低1℃以上，而高水泵相对低水泵的影响很小，在1℃以内。

关键词：电动汽车；热管理；电池冷却

前言

纯电动汽车装配的动力电池有多种冷却方式[1-2]，其中液冷方式的动力电池包冷却时通过较低温度的冷却液与动力电池进行热交换，从而达到对动力电池降温的目的。所以在对动力电池进行冷却前，首先需对冷却液进行降温，其中冷却液降温一般有两种方式，一种为通过电池冷却器（Chiller）与汽车空调系统的制冷剂进行热交换后降温，另一种方式为与外界环境进行热交换而降温，如图1所示。

基于散热器冷却的方式，由于其受电池冷却液流量及风量的影响，也就是水泵的转速及风扇转速会影响散热器对外换热的速度及电池本身的换热量。前期研究一般针对单电池包冷却进行分析[3-4]。本文对某纯电动车汽车包含温控系统的液冷动力电池降温过程进行仿真及试验，对比不同风扇及水泵转速对电池降温速度的影响。为排除在运行过程中电池负荷不一致的影响，仅分析怠速工况下动力电池的降温过程。


图1 某款纯电动汽车温控系统架构示意

01  前端模块进风量的分析

在电池静置降温过程中电池散热器需在前舱与环境进行换热，所以首先对整车的前端散热模块在不同风扇转速下的风量进行分析。前端模块主要包括电池散热器，冷凝器及电驱散热器。从进风方向看，电驱散热器布置在冷凝器和电池散热器后，本次分析主要关注电池散热器高速与低速挡风扇转速下的进风量。

前端模块下的高低挡位风扇转速设置如表1所示，基本参数如表2所示。

表1 高低挡位下左右风扇的转速


表2 前端模块散热器


将前端模块的空气流动三维流场看作不可压缩流动[5-6]，其基本控制方程表示如下[7]。

通过三维仿真分析，得到电池散热器在高低挡风扇下的流场如图2所示。


图2 电池散热器在高低速挡风扇下的风速分布

依据图3所示的温控系统搭建一维仿真模型，电池温控回路中冷却介质为乙二醇水溶液（体积比1：1）。


图3 系统一维仿真分析模型

分析得到电池温控系统流阻曲线，与水泵两种转速下的工作曲线进行对比如图4。


图4 冷却液温控系统流阻曲线及水泵性能曲线

得出两种水泵占空比下冷却液流量为：工作点1为90%水泵转速时系统流量11L/min，工作点2 为50%水泵转速时系统流量 7.7L/min。两工作点的水泵功率分析为 56W 和31W，分析结果如表3所示。

表3 温控系统在两种水泵转速下分析结果


02  电池降温过程仿真分析

基于以上风量及冷却液流量分析结果，分析风扇高低挡转速与水泵高低转速对电池降温过程的影响，分析工况如下：

表4 风扇及水泵转速对电池降温分析工况


其中散热器的整体换热量可根据传热单元数法进行分析，其整体换热系数计算如下式[8]。


式中，kA为整体换热系数，d为水力直径，Nu为努塞尔数，λ为流体的热导率，A为换热面积，Gwall为固体导热率，下标代表气侧与液侧流体。

分析中忽略电池端的负载，所以排除电池自发热的影响，动力电池为高温降温过程，得到电池入水温和电池平均温的变化如图5和图6所示。


图5 不同风扇及水泵转速下电池入水温变化


图6 不同风扇及水泵转速下电池平均温度变化

从仿真结果看，风扇高低转速对电池入水温及电池平均温的影响大于水泵转速。高挡风扇对低挡风扇可使电池温度下降 1℃以上，而高速水泵对低速水泵电池温度下降小于 1℃，另外电池水泵在高低转速下的功率相差约25W，风扇挡位在高低挡位下的功率相差约317W。

03  电池降温过程试验分析

同样针对整车怠速工况，对比高低速风扇及水泵转速对动力电池降温速度影响，试验工况如下表所示。

表5 电池降温速度影响试验工况


针对以上测试工况得到不同风扇转速及水泵转速电池入水温变化曲线和电池平均温度变化曲线如图7和图8所示。


图7 不同风扇及水泵转速下电池入水温变化


图8 不同风扇及水泵转速下电池平均温度变化

仿真与测试结果对比，环境温度为25℃，将测试的动力电池入水温度与电池平均温度值变化曲线与仿真数据进行对比，如下图所示。


图9 仿真与测试结果对比

从以上对比可知，快冷与慢冷模式的入水温及电池平均温仿真与测试数据较接近，仿真结果具有工程参考意义。

04  总结

本文分析了纯电动汽车动力电池通过散热器散热过程中水泵与风扇对冷却液温度和动力电池温度的影响。针对纯电动汽车怠速降温过程，通过三维及一维结合的仿真方式，得出高速挡风扇相对低速风扇最终电池温度低 1℃以上，而高速水泵相对低速水泵的影响在 1℃以内，并通过动力电池的降温试验证得出了相同结论。对通过散热器冷却的液冷动力电池散热有一定的指导意义。

来源：期刊《汽车实用技术》，作者：胡福胜，欧阳陈志，朱林培