,2 馬重

(1 北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院 傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室 傳熱與能源利用北京市重點實驗室 北京 100124； 2 北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心 北京 100081)

近幾年，隨著傳統(tǒng)汽車保有量的增加，在消耗大量化石能源的同時，導(dǎo)致環(huán)境嚴(yán)重惡化[1]。根據(jù)北京市相關(guān)部門數(shù)據(jù)，2012年北京全市PM2.5來源的22%[2]來自于機動車排放。

電動汽車動力為電能，電能綠色環(huán)保且來源廣泛，污染物排放相比傳統(tǒng)汽車排放可減少97%，因此電動汽車的推廣可有效緩解資源緊張[3]和環(huán)境惡化的現(xiàn)狀。

但與傳統(tǒng)汽車相比，電動汽車仍面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。動力驅(qū)動方式改變的同時帶來了一些新的問題[4]，例如汽車空調(diào)冬季的加熱、電池的冷熱管理、維持電機溫度在安全范圍等一系列問題。

電動汽車失去了內(nèi)燃機這一余熱源[5]，因此目前國內(nèi)廠家多采用正溫度系數(shù)熱敏電阻(positive temperature coefficient, PTC)加熱，但是PTC加熱嚴(yán)重影響了電動汽車?yán)m(xù)航里程[6]。由于電動空調(diào)系統(tǒng)是電動汽車功耗最大的輔助系統(tǒng)，需要設(shè)計出高能效的空調(diào)系統(tǒng)[7]來降低能耗，因此國外汽車公司研發(fā)了電動汽車熱泵空調(diào)系統(tǒng)新技術(shù)。這在一定程度上提升了冬季空調(diào)[8]的性能。電池溫度過高或過低都會很大程度上影響電池的性能以及循環(huán)壽命，其安全性和長周期下的性能必須得到保證[9]，因此電池需要將溫度控制在20～40 ℃[10]，并且單體間溫差需在5 ℃[11]以下。此外動力電機溫度較高時，其使用壽命和效率[12]會急劇下降。根據(jù)文獻[13]，電機所使用的滑動軸承，其工作溫度上限為80 ℃，滾動軸承工作溫度上限為95 ℃。在應(yīng)對電動汽車的安全、性能、里程和節(jié)能等一系列問題時，整車熱管理是應(yīng)對上述一系列挑戰(zhàn)的良好途徑[14]，因此有必要對電動汽車進行統(tǒng)籌兼顧的熱管理[15]。

1四通換向閥；2乘客艙側(cè)換熱器；3風(fēng)機；4外部換熱器；5閥門1；6膨脹閥；7電機冷卻液換熱器；8三通閥；9壓縮機；10乘客艙；11電池組；12熱管蒸發(fā)段；13閥門2；14閥門3；15熱管冷凝端；16制冷劑流道；17閥門4；18閥門5；19熱管蒸發(fā)端(冬季工作)；20相變材料(冬季工作)；21電機；22泵。圖1 純電動汽車整車熱管理系統(tǒng)夏季工況Fig.1 Thermal management system of pure electric vehicle under a summer condition

吳禎利[8]提出將電池包作為空調(diào)系統(tǒng)的一個負(fù)載，即在制冷劑回路增加單獨為電池散熱的蒸發(fā)器。寧秋宇[16]也將空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計成雙蒸發(fā)器循環(huán)，并對空調(diào)系統(tǒng)進行參數(shù)匹配計算。上述研究均未涉及電機的散熱。王健等[17]搭建了一套集成的純電動汽車熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括電動車前艙水冷和電池包風(fēng)冷兩個系統(tǒng)，電機及其元件采用水冷，進入電池包散熱的冷空氣為電池進行冷卻。隨著汽車熱管理要求的提高，越來越多的科研人員采用液冷、熱管[18]等更高效的散熱方式。于會濤等[19]介紹了一種液流多回路循環(huán)電動汽車熱管理系統(tǒng)，通過控制不同的回路來適應(yīng)不同組件的散熱需求，乘客艙和動力電池加熱采用PTC加熱實現(xiàn)，并針對該方案設(shè)計了多種運行模式，但對熱管理性能，并未在特定工況下測試系統(tǒng)的性能。T. Kiss等[5]運用其所在實驗室Matlab/Simulink工具進行了汽車熱管理模擬，并對復(fù)合回路熱管理系統(tǒng)進行模擬，制冷劑回路與冷卻劑回路進行熱交換，乘客艙的冷卻和電池的散熱由冷卻回路完成，乘客艙的加熱和電池的預(yù)熱由電機及其元件余熱和PTC完成，但并沒有研究該系統(tǒng)在車速工況下的熱管理性能。

相關(guān)專利也涉及熱管理系統(tǒng)，K. J. Robinet等[20]提出的基于液流冷卻的熱管理系統(tǒng)，電池和電機采用液流冷卻，最后與空調(diào)系統(tǒng)進行熱交換。國外的電動汽車廠商特斯拉(Tesla)在其專利中[21-23]也提出了以空調(diào)系統(tǒng)為中心的整車熱管理系統(tǒng)。V. G. Johnston[24]提出了包含一個制冷劑回路和兩個非制冷劑回路的熱管理系統(tǒng)，非制冷劑回路控制電池和驅(qū)動系統(tǒng)。

目前，在所有研究電動汽車熱管理系統(tǒng)的文獻中，多為部件間集成的熱管理，如兩個部件進行集成熱管理，未發(fā)現(xiàn)在統(tǒng)一車速工況下，涵蓋空調(diào)、電池、電機的全年季節(jié)的整車熱管理系統(tǒng)研究。為此，本文提出了涵蓋空調(diào)、電池和電機的可以全年工作的純電動汽車整車熱管理系統(tǒng)，本文主要介紹熱管理系統(tǒng)在夏季工況下的熱管理，冬季工況下熱管理系統(tǒng)將后續(xù)研究?；诩冸妱悠嚐峁芾硐到y(tǒng)，采用系統(tǒng)模擬的方法研究在夏季新歐洲駕駛循環(huán)工況(New European Driving Cycle, NEDC[25])下的整車熱管理性能，為整車系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

1 整車熱管理系統(tǒng)模型建立

1.1 整車熱管理系統(tǒng)方案及目標(biāo)

整車熱管理系統(tǒng)，必須滿足各部件散熱及供暖需要，且部件間要統(tǒng)籌兼顧，本文設(shè)計了包含冬夏兩季的整車熱管理系統(tǒng)，如圖1所示。實線部分為夏季整車熱管理系統(tǒng)方案，虛線部分為冬季熱管理方案。夏季整車熱管理方案為:電池與乘客艙采用制冷劑并聯(lián)冷卻，為增強換熱效果，采用熱管將電池?zé)崃繉?dǎo)出，再由制冷劑冷卻熱管的冷凝端(部件15)，通過閥門(部件5)的開關(guān)來控制進入電池側(cè)管道的制冷劑質(zhì)量流量；電機采用液冷進行冷卻，冷卻液選用乙醇，電機與冷卻液換熱后，冷卻液在汽車前端換熱器與空氣換熱，最后通過冷卻液循環(huán)泵(部件22)來進行液流循環(huán)。

為了達(dá)到整車熱管理目標(biāo)，對整車熱管理系統(tǒng)相應(yīng)部件設(shè)定溫度要求，乘客艙設(shè)定溫度為24 ℃，當(dāng)溫度達(dá)到24 ℃時，壓縮機轉(zhuǎn)速會有一定程度的調(diào)整；電池組設(shè)定溫度為25 ℃，其控制閾值為24.5～25 ℃，當(dāng)溫度達(dá)到24.5 ℃時，控制制冷劑的閥門(部件5)關(guān)閉，當(dāng)電池組溫度達(dá)到25 ℃時，該閥門打開；電機采用液冷，其熱管理目標(biāo)為低于80 ℃。

1.2 整車熱管理系統(tǒng)模型假設(shè)

在整車熱管理系統(tǒng)模型的建立過程中，作如下假設(shè)：1)系統(tǒng)管內(nèi)制冷劑流動為一維流動[26]；2)冷凝器和蒸發(fā)器側(cè)入口空氣為一維均勻條件，忽略空氣的流動不均勻性[27]；3)電機內(nèi)部，兩側(cè)空腔對稱且溫度相同[28]；4)電機在圓周方向冷卻條件相同[29]；5)電池箱與外界空氣的對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為定值不變[18]；6)電池內(nèi)部材料均勻，且材料的物理性質(zhì)不受外界影響，保持定值[30]。

1.3 整車熱管理系統(tǒng)模型及方程

整車熱管理系統(tǒng)主要包括空調(diào)系統(tǒng)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和電機熱管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)還包括相關(guān)電子附件，控制系統(tǒng)等。在整車熱管理系統(tǒng)中，空調(diào)系統(tǒng)包含乘客艙、蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機等模型。乘客艙模型的相關(guān)參數(shù)見表1。在空調(diào)系統(tǒng)中制冷劑選用R410A，充注量為0.75 kg。

其中，壓縮機出口質(zhì)量流量：

Mc=ηvρsNL

(1)

壓縮機出口制冷劑分別在冷凝器和蒸發(fā)器中換熱，冷凝器和換熱器相關(guān)參數(shù)如表2和表3所示。其換熱量由式(2)和式(3)得出：

φi=hiSi(Tr-Tw)

(2)

φo=hoSo(Ta-Tw)

(3)

膨脹閥出口質(zhì)量流量：

(4)

表3 蒸發(fā)器參數(shù)Tab.3 The parameters of evaporator

外界環(huán)境與乘客艙進行對流換熱同時考慮了風(fēng)速和乘客艙壁面熱容的影響，風(fēng)速與車速的加和主要影響乘客艙外表面對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)。而乘客艙壁面溫度的變化則為進出壁面單位總能量與熱容之比。外界環(huán)境與乘客艙進行對流換熱：

φext=hextSext(Tcw-Text)

(5)

乘客艙壁面溫度與艙內(nèi)空氣對流換熱：

φint=hintSint(Tcw-Tint)

(6)

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中，包含電池模型、熱管模型、溫度信號傳遞等。熱管模型用高導(dǎo)熱系數(shù)銅棒模型代替[18]，其比熱取定值。制冷劑流過熱管外壁，與熱管直接換熱，電池將溫度信號傳遞至控制系統(tǒng)，整車控制策略來控制電池側(cè)閥門的閉合以及乘客艙溫度。電池模型選擇100 Ah磷酸鐵鋰電池，其相關(guān)參數(shù)見表4。

表4 磷酸鐵鋰電池參數(shù)Tab.4 The parameters of lithium-ion phosphate battery

電池生熱量參考Bernardi生熱公式：

(7)

電池電流主要由電機功率決定：

(8)

電池組與制冷劑換熱過程中，熱管模型溫度變化：

(9)

制冷劑與熱管換熱：

MbHb=hrAb(Th-Tr)

(10)

電機熱管理系統(tǒng)中包含電機模型、換熱器模型、冷卻液泵模型等。

電機生熱量由下式得出：

Qm=I2Rm

(11)

電機與冷卻液換熱參考式(9)和式(10)計算，冷卻液通過換熱器與外界環(huán)境換熱參考式(2)和式(3)計算。

1.4 整車熱管理系統(tǒng)模型驗證

為了驗證該熱管理系統(tǒng)，對空調(diào)系統(tǒng)、電池生熱和電機生熱曲線進行了模型驗證。首先在環(huán)境溫度35 ℃下對空調(diào)系統(tǒng)進行了驗證，相關(guān)數(shù)據(jù)[4]如表5，得到了模型驗證結(jié)果，如圖2。

表5 空調(diào)模型驗證參數(shù)Tab.5 Parameters of model verification of air conditioning

圖2 空調(diào)系統(tǒng)模型驗證Fig.2 Model verification of air conditioning

實驗結(jié)果與模型的空調(diào)出口溫度均下降較快，相比而言，模型結(jié)果溫度下降更快，但最終均維持在恒定溫度，這是由于空調(diào)系統(tǒng)模型穩(wěn)定性優(yōu)于實驗系統(tǒng)。在最終溫度上，模型和實驗相差不大，模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)取得良好的一致性。

分別對電池生熱和電機生熱進行模型驗證。如圖3所示，根據(jù)文獻[31]的數(shù)據(jù)，在1 C放電倍率下，運行3 600 s，得到模型與實驗對比的電池生熱曲線。電池在1 C放電倍率下，電池升溫明顯，且3 600 s放電結(jié)束時，電池溫度從25 ℃升至33 ℃左右，并且實驗數(shù)據(jù)與模擬曲線取得較好的一致性。

圖3 電池生熱模型驗證Fig.3 Model verification of battery heat generation

根據(jù)文獻[32]，在環(huán)境溫度為30 ℃，以3 500 r/min 運行2 400 s，得到了電機的生熱曲線，如圖4所示，前期電機溫升明顯，500 s左右迅速升至70 ℃后期電機溫度達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，這是由于生熱與散熱達(dá)到動態(tài)平衡。

圖4 電機生熱模型驗證Fig.4 Model verification of heat generation of motor

2 整車熱管理系統(tǒng)模擬結(jié)果與討論

2.1 整車熱管理系統(tǒng)車速測試工況

在環(huán)境溫度為35 ℃下，采用NEDC歐洲油耗及排放測試工況進行模擬，得到整車熱管理的結(jié)果。其中NEDC工況由4個市內(nèi)循環(huán)和1個郊區(qū)循環(huán)組成，市內(nèi)和郊區(qū)最高車速分別為50 km/h和120 km/h。

2.2 乘客艙熱管理性能

乘客艙溫度設(shè)定為24 ℃，并通過調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速來控制溫度。圖5所示為NEDC工況乘客艙溫度隨時間的變化。由圖5可知，運行65 s時，乘客艙溫度迅速降低至設(shè)定溫度24 ℃，之后乘客艙溫度在24 ℃上下波動，波動幅度為+1 ℃和-4 ℃，這是由整車控制策略和車速變化決定的。當(dāng)車速較高時，乘客艙與外界換熱效果加強，所以乘客艙溫度有明顯的溫升。在市內(nèi)循環(huán)的143、339、533、728 s，達(dá)到最大車速后，乘客艙溫度均達(dá)到頂峰；在郊區(qū)循環(huán)，由于其車速無頻繁的啟停，與外界換熱維持穩(wěn)定，所以乘客艙溫度波動較小。

圖5 NEDC工況下乘客艙溫度隨時間的變化Fig.5 Temperature of cabin changes with time under NEDC condition

整車控制策略也是造成乘客艙溫度波動的原因之一，此處的整車控制策略是指制冷劑對電池和乘客艙并聯(lián)冷卻控制和壓縮機對乘客艙溫度控制。圖6所示為NEDC工況壓縮機轉(zhuǎn)速隨時間的變化。由圖6可知，在市內(nèi)循環(huán)的143、339、533、728 s，達(dá)到最大車速后，由于乘客艙溫度的上升使壓縮機轉(zhuǎn)速達(dá)到波峰，使乘客艙溫度下降，乘客艙溫度控制是乘客艙溫度曲線變化的主要原因。

圖6 NEDC工況下壓縮機轉(zhuǎn)速隨時間的變化Fig.6 The compressor speed changes with time under NEDC condition

圖7所示為NEDC工況蒸發(fā)器入口制冷劑質(zhì)量流量隨時間的變化。由圖7可知，75 s處電池溫度達(dá)到設(shè)定溫度，導(dǎo)致蒸發(fā)器流量達(dá)到頂峰，使圖5中100 s處乘客艙溫度有明顯下降。綜合上述原因，導(dǎo)致乘客艙溫度圍繞24 ℃的動態(tài)變化。

圖7 NEDC工況下蒸發(fā)器入口制冷劑質(zhì)量流量隨時間的變化Fig.7 The entrance refrigerant mass flow of the evaporator changes with time under NEDC condition

2.3 電池組熱管理性能及對乘客艙溫度影響

電池溫度由制冷劑通過熱管與電池?fù)Q熱來進行熱管理，電池溫度的控制依靠制冷劑管道閥門的開閉。電池設(shè)定溫度為25 ℃，其控制閾值為24.5～25 ℃，當(dāng)電池溫度達(dá)到24.5 ℃時，閥門關(guān)閉。圖8所示為NEDC工況電池溫度隨時間的變化，由圖8可知，在72 s處電池溫度降至24.5 ℃，隨著車速變化有細(xì)微的上升過程。圖9所示為NEDC工況電池組入口制冷劑質(zhì)量流量隨時間的變化。由圖9可知，在市內(nèi)循環(huán)的640、896、1 060、1 123 s，積聚的熱量使電池溫度達(dá)到閾值上限25 ℃，這時，制冷劑閥門重新開啟，直到電池溫度降低至閾值下限24.5 ℃，制冷劑閥門重新關(guān)閉。

圖8 NEDC工況下電池溫度隨時間的變化Fig.8 Temperature of battery changes with time under NEDC condition

圖9 NEDC工況下電池組入口制冷劑質(zhì)量流量隨時間的變化Fig.9 The entrance refrigerant mass flow of the battery changes with time under NEDC condition

此外，由于電池側(cè)制冷劑與乘客艙側(cè)并聯(lián)冷卻，電池側(cè)制冷劑質(zhì)量流量變化會影響進入蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量，從而影響乘客艙溫度。電池側(cè)制冷劑閥門打開導(dǎo)致乘客艙側(cè)制冷劑質(zhì)量流量驟降，如圖7中646、899、1054、1 110 s均出現(xiàn)制冷劑質(zhì)量流量驟降，當(dāng)電池側(cè)制冷劑閥門關(guān)閉時，蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量在75、649、917、1 088、1 164 s均出現(xiàn)一次突增。上述乘客艙側(cè)制冷劑質(zhì)量流量的變化均導(dǎo)致乘客艙溫度的動態(tài)變化。

2.4 電機熱管理性能

由于電機耐受80 ℃以下溫度[14]，因此對電機采用液冷散熱。在市內(nèi)車速循環(huán)工況，電機溫度緩慢增加，這是因為在市內(nèi)循環(huán)車速較低；但是到了郊區(qū)車速循環(huán)，由于車速大幅增加，電機溫度急劇增加。圖10所示為NEDC工況下電機溫度隨時間的變化。由圖10可知，在900 s附近，電機溫度有輕微的下降，這是因為汽車降低速度，產(chǎn)熱量減少，但是電機與環(huán)境的換熱仍維持良好的狀態(tài)。而隨后的上升是因為，汽車開始加速，電機產(chǎn)熱增加。電機最高溫度出現(xiàn)在1 150 s左右，這是因為積聚的熱量達(dá)到頂峰。最終電機溫度達(dá)到約67 ℃，隨后由于車速的不斷減小，在1 150 s附近，電機溫度開始下降。在此過程，電機溫度一直處于80 ℃之內(nèi)。

圖10 NEDC工況下電機溫度隨時間的變化Fig.10 Temperature of motor changes with time under NEDC condition

3 結(jié)論

本文在建立整車熱管理模型的基礎(chǔ)上，提出了包括空調(diào)系統(tǒng)、電池制冷劑冷卻和電機液冷的整車熱管理方案，在35 ℃下，基于新歐洲駕駛循環(huán)工況進行了熱管理性能測試，得到如下結(jié)論：

1)在新歐洲駕駛循環(huán)工況下，在65 s乘客艙溫度達(dá)到設(shè)定溫度，隨后在整車控制策略的影響下，乘客艙溫度始終圍繞設(shè)定溫度24 ℃上下波動。

2)在整車熱管理方案中，電池與乘客艙并聯(lián)冷卻，電池溫度間接影響乘客艙溫度，這是導(dǎo)致乘客艙溫度動態(tài)變化的原因之一。

3)電池組采用熱管高效導(dǎo)熱，電池溫度在68 s達(dá)到設(shè)定溫度，由于車速的頻繁變化，在640、896、1 060、1 123 s，積聚的熱量使電池溫度超過設(shè)定值，在整車控制策略下，又迅速將電池溫度降到設(shè)定溫度。

4)電機溫度在新歐洲駕駛循環(huán)工況下，采用液冷散熱，電機溫度在市內(nèi)循環(huán)緩慢增長，在勻速行駛時有一定程度下降，在郊區(qū)循環(huán)急速增長，但是仍處于80 ℃之內(nèi)。

符號說明

Ab——流體與材料傳熱面積，m2

Ae——橫截面積，m2

cp——定壓比熱容，J/(kg·℃)

E0——電池開路電壓，V

Hb——t時刻流體比焓，kJ/kg

hext——t時刻乘客艙外對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)， W/(m2·℃)

hi——t時刻制冷劑與換熱器管道對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·℃)

hint——t時刻乘客艙內(nèi)對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·℃)

ho——t時刻氣體與換熱器管道對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·℃)

hr——t時刻流體與材料對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，W/(m2·℃)

I——t時刻電池放電電流，A

L——壓縮機排氣量，m3

Mb——t時刻流體質(zhì)量流量，kg/s

Mc——t時刻壓縮機出口質(zhì)量流量，kg/s

Me——t時刻膨脹閥出口質(zhì)量流量，kg/s

m——質(zhì)量，kg

N——t時刻壓縮機轉(zhuǎn)速，r/min

Pe——電機有效功率，W

p——壓力，MPa

Q——t時刻電池生熱量，W

Qm——t時刻電機生熱量，W

Ro——電池內(nèi)阻，mΩ

Rm——電機線圈內(nèi)阻，mΩ

Sext——乘客艙外部傳熱面積，m2

Si——制冷劑與管道傳熱面積，m2

Sint——乘客艙內(nèi)部傳熱面積，m2

So——氣體與管道傳熱面積，m2

T——溫度，℃

Ta——t時刻氣體溫度，℃

Text——環(huán)境溫度，℃

Th——t時刻熱管溫度，℃

Tint——t時刻乘客艙溫度，℃

Tr——t時刻制冷劑溫度，℃

Tcw——t時刻乘客艙壁面溫度，℃

Tw——t時刻管道壁面溫度，℃

t——時間，s

U——t時刻電機電壓，V

v——t時刻速度，km/h

ε——摩擦系數(shù)

ρ——密度，kg/m3

ρr——t時刻膨脹閥入口制冷劑密度，kg/m3

ρs——t時刻入口制冷劑密度，kg/m3

φext——t時刻乘客艙與外界熱交換，W

φh——t時刻通過材料熱通量，W

φi——t時刻制冷劑與換熱器管道換熱量，W

φint——t時刻乘客艙與空調(diào)熱交換，W

φo——t時刻氣體與換熱器管道換熱量，W

ηv——壓縮機容積效率

ηm——電機效率

θ——太陽輻射吸收系數(shù)

本文受北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心資助。(The project was supported by the Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing).