压缩机尺寸对电池和乘员舱散热的影响

摘要:

随着电池电动汽车对快速充电和新型热结构设计的冷却需求不断增长，汽车行业正在探索大排量电动压缩机。与中小型（排量小于33cc）压缩机相比，使用了大型（34-44cc）和超大型（45cc及以上）压缩机产品。本文研究了A段和D段电池电动汽车热泵系统的压缩机尺寸效应。通过考虑能源效率、乘员舱热管理和电池快速充电使用情况，对大型（34cc）和超大型（57cc）压缩机的系统性能进行评估。

热泵系统的作用:

（1）热泵模式

在要求乘员舱加热的低温条件下（-10°C~10°C），制冷剂回路可以在热泵模式下工作，以吸收来自多个源（主要是环境）的热量，并将其传递至乘员舱加热器芯。对于带有辅助乘员舱冷却剂回路的间接高压，水冷凝器用于利用来自外部热交换器（OHX）的热能传递来加热冷却剂，外部热交换器用作蒸发器，从环境中吸收热量。然后，来自水冷凝器的热冷却液流到加热器芯，热空气吹进乘员舱。空气-冷却液热泵系统的操作示意图如图1所示。（a） 以及图1中的冷却剂至冷却剂热泵系统。（b） 。制冷剂在空气中流经OHX，形成冷却液热泵，该冷却液在空调模式下用作冷凝器。对于冷却剂到冷却剂热泵，OHX本质上是一个散热器，它与制冷剂回路中的冷却器交换热能，以将热量排到制冷剂。根据水冷凝器出口温度控制压缩机速度。附加加热功率由乘员舱冷却液回路中的冷却液加热器提供（图中未显示）。

 图1

（2）空调模式

当在高温环境条件下指令乘员舱冷却时，热泵系统可作为空调（AC）系统运行。OHX作为常规冷凝器用于将热量排到周围环境中，而蒸发器用于乘员舱冷却。因此，空气-冷却剂热泵的总体布局几乎与常规空调制冷剂回路相同，包括压缩机、冷凝器（OHX）、膨胀阀和蒸发器的布置。水冷凝器旁通，图2（a）中未显示。在冷却液-冷却液热泵系统中，散热器用于冷却水冷凝器，而冷却器则在机舱冷却器中带走热量。图2（b）说明了两种高压系统的空调模式操作。压缩机速度由蒸发器出口空气温度控制。风扇转速由压缩机排气压力决定。

图2

（3）电池制冷模式

当在有限的充电时间内以高充电功率产生显著的热量时，电池冷却能力在快速充电的最坏使用情况下进行评估。用于电池冷却模拟的快速充电电流曲线如图3所示。假设电池充电状态（SOC）从5%增加到80%。在快速充电过程中，一旦电池温度或热量达到设定值，热泵系统将使用冷却器通过风扇、冷却液泵和压缩机的运行来冷却电池。图4显示了空气-冷却液和冷却液-冷却液热泵系统中电池冷却的有源电路。压缩机和泵的速度取决于冷却器出口处的蓄电池冷却液温度。风扇速度根据压缩机排气压力进行控制。

 图 3

图4

边界条件的设置：

表1总结了用于热泵性能评估的车辆配置。对于每辆车，为相应的高压系统研究了两台400V电动压缩机，分别为大型（34cc）和特大型（57cc）。

表一

表2中总结的用例信息和边界条件用于不同功能模式的热泵系统模拟，包括环境温度、相对湿度（RH）和鼓风机空气流量。

表二

结果：

为了比较压缩机尺寸对不同车辆中使用的两种高压系统的影响，数值模型提供了热泵性能结果，包括乘员舱加热、乘员舱冷却和电池冷却。

（一）乘员舱加热

在乘员舱加热模式下，高压系统应通过满足管道出口处的目标空气温度来实现热舒适性，对于高压控制，假设目标空气温度为50℃。如图5a所示，使用34cc和57cc压缩机，无论空气-冷却剂还是冷却剂-冷却剂，热泵系统都能够在400 s之前达到管道空气温度目标。对于配备空气冷却液高压系统的D段车辆，来自电动冷却液加热器（ECH）的额外热能用于乘员舱预热。57 cc压缩机的功耗始终高于34 cc压缩机。然而，加热器的功耗较小。相比之下，冷却液-冷却液热泵系统的乘员舱预热仅通过将压缩机用于制冷剂操作来实现。在瞬态预热过程中，57 cc压缩机比34 cc压缩机消耗更高的功率，然后表明在稳态条件下能耗接近。

（二）乘员舱冷却

在乘员舱冷却模式下，热泵系统用于乘员舱空调，乘员舱冷却器出口处的目标空气温度为5℃。图5b显示了不同热泵系统和压缩机尺寸的乘员舱冷却模拟的温度和功耗。这表明，在SC03循环期间，两个高压系统能够满足机舱冷却器空气温度。空气-冷却剂热泵系统的整体交流性能优于冷却剂-冷却剂热泵，这是由于冷却剂-冷却剂高压系统中存在更多的冷却剂热惯性。在两种类型的热泵系统中，34cc和57cc的温度分布和功耗轨迹都非常接近。

（三）电池冷却

在快速充电的电池冷却模式下，根据图3中规定的快速充电协议评估最大冷却容量。为了获得最高的冷却功率，命令执行器（包括压缩机、风扇和冷却液泵）达到峰值速度。电池单元热温度分布如图5c所示。在快速充电期间，电池组的发热量显著，超过了冷却器的冷却功率。因此，A段和D段车辆蓄电池温度都会升高。随后，热交换率随着冷却液温度的降低而增加，充电功率也随之下降。因此，电池开始冷却。在快速充电结束时，电池单元温度低于初始值。由于A段车辆的电池尺寸小于D段车辆，因此冷却液-冷却液高压系统在快速充电期间的温差更大。

 图五（a）

 图五（b）

 图五（c）

结论：

本文利用虚拟仿真技术研究了电动汽车高压系统的压缩机尺寸。研究了两种间接高压结构，包括D段车辆的空气-冷却剂高压和A段车辆的冷却剂-冷却剂间接高压。在极端环境温度条件下，对大型和超大型压缩机的高压系统性能进行了评估：乘员舱加热温度为-7℃，乘员舱冷却温度为35℃，电池冷却温度为350℃。热泵系统仿真结果得出以下结论：（1）在乘员舱加热的寒冷环境条件下，D段车辆需要比A段车辆更高的加热能力。57cc压缩机可帮助提高运行效率，同时降低加热器功耗。（2）在高环境条件下，车辆乘员舱冷却性能高度依赖于热结构设计。空气-冷却剂结构的冷却效率高于冷却剂-冷却剂配置。对于SC03循环，压缩机尺寸效应可忽略不计。（3）电池快速充电演示了热泵热管理的一个极具挑战性的使用案例。57cc压缩机的最大冷却能力高于34cc压缩机。应根据快速充电协议和电池尺寸决定压缩机的尺寸。建议根据热管理性能的技术等级来决定高压系统中的压缩机尺寸，以满足功能要求、效率和车辆开发成本和包装方面的考虑。

文章来源：Li, M. (2021). Compressor Sizing for a Battery Electric Vehicle with Heat Pump, SAE International.