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电动汽车电池冷却系统的试验研究
传统的汽车空调技术已经不能满足新能源汽车的需要。作为未来主要的发展车型，拥有一套节能高效的电动空调系统对开拓电动汽车市场是至关重要的。将空调系统应用到电动车汽车上，并减少其对电动汽车电池的动力性能和续驶里程的影响，使得电动汽车空调系统的开发以及电池冷却的匹配设计成为开发电动汽车的一个难题。
纯电动汽车没有发动机为空调压缩机提供动力源，也没有利用传统发动机的余热供热，因此就不能直接使用传统的汽车空调系统，而需要采用新的能源即电能作为动力源。
电动汽车的主要动力源均来自电池组，温度是制约电动汽车性能提升的关键因素，高温对动力电池有双重影响。有研究表明，在 45 ℃的环境温度下工作时，镍氢电池循环次数大约减少 60％。在高倍率充电时，温度每升高 5 ℃，电池寿命减半。目前电池对环境温度要求非常苛刻，必须对其进行热管理，使其工作在最佳状态。
为开发与电动汽车相匹配的空调系统，将其恰当地应用到电动汽车上，并且减少其对电动汽车电池的动力性能和续驶里程的影响，同时保证电池组的冷却，使其在合适的温度范围内，提高能源的利用率，笔者搭建电动汽车空调系统的试验台架，并对试验结果进行理论分析，掌握电动汽车空调系统的关键技术，为后续电动汽车车型的空调系统开发提供参考。
电动空调系统
1、空调系统设计
根据整车行驶条件和环境温度，笔者所研究的电动汽车电池工作在0~50 ℃范围内，最佳工作温度范围为20~30 ℃。所以将笔者所研究的电动汽车空调系统设计成双蒸发器的冷却循环：一个蒸发器布置在驾驶舱的空调箱内，满足乘员的舒适度要求，称为单空调系统（单HVAC系统）；另一个蒸发器（电池热交换器）布置在地板下，冷却动力电池，称为单chiller系统。
图1 电动空调系统循环结构图
如图1所示，左侧为电动空调系统，右侧以chiller作为连接，将制冷剂中的冷量传递给电池冷却液（水和乙二醇的混合物）。
2、工况条件的确定
根据电池供应商提供的资料，单块磷酸铁锂电池的性能参数如表1所示。
表1 单块磷酸铁锂电池的性能参数
由试验测得电池充电时电池生热功率为
单位体积电池的生热功率为
式中：Φ 为电池的生热功率（W）；I 为电池的电流强度（A），充电为正，放电为负；R z为电池内阻（Ω）；T 为电池的热力学温度（K）；E 0为单体电池两端的电压（V）；V 为单体电池的体积（m3）；φ 为单位体积电池的生热功率（W/m3）。由此可以计算单体电池在不同充放电电流下单位体积生热速率，如表2所示。
表2 单位体积电池的生热速率
电池的最佳运行温度大致为25 ℃，在夏季，考虑从38 ℃降低到25 ℃，所需要的热量(W)为
式中：C 为磷酸铁锂电池的比热容（J/（kg·℃））；M 为电池的质量（kg）；t h为环境温度（℃）；t 0为电池最佳运行温度（℃）；N 为电池总块数；τ 为排热时间（s）。因须20 min内将热量排出,可得Q 1=1 257 W。
电池内部产热量为Q 2=561 W，取电池总传热量为Q，且Q =Q 1+Q 2=1 818 W。考虑到换热过程中的热损失，引入修正系数k，可取k=1.0～1.2，这里取k =1.1。故电池换热量为Q =2 000 W。
电池热交换器使制冷剂R134a在其内蒸发并吸收冷却液的热量，冷却液再冷却电池冷却循环系统中的热源电池。此热交换器有4个接口：2个水管路接口，2个空调管路接口。电池热交换器相当于一个蒸发器，不同的是传统的蒸发器冷却空气，而此热交换器冷却电池水回路中的冷却液，再通过水泵将冷却液输入电池冷却板中，使电池保持在一个合适的温度范围内。电池热交换器制冷量为Q c，其与电池的换热量Q 是一致的，所以电池热交换器制冷量Q c=Q =2 000 W。根据实际整车运行情况选用16片的板式换热器。
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