孫港國(guó),魏名山,鄭思宇,宋盼盼
(北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院,北京 100081)
隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益加劇,傳統(tǒng)燃油汽車(chē)行業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。電動(dòng)汽車(chē)以電能作為動(dòng)力源,具有無(wú)排放、噪聲低和運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為各國(guó)優(yōu)先發(fā)展的交通工具[1-2]。
動(dòng)力電池在使用時(shí)因?yàn)閮?nèi)阻和電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng),電池自身會(huì)產(chǎn)生熱量,這部分熱量如果不及時(shí)散去,會(huì)導(dǎo)致電池溫度升高,影響電池的壽命,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電池?zé)崾Э?。?dòng)力電池作為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力的唯一來(lái)源,除了需要為車(chē)輛行駛提供動(dòng)力外,還需要為其他輔助設(shè)備提供能量,空調(diào)等負(fù)荷的改變會(huì)影響到動(dòng)力電池續(xù)駛里程[3-5]。
目前常見(jiàn)的電池冷卻方式有風(fēng)冷、液冷、相變材料冷卻和直接制冷劑冷卻。風(fēng)冷雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn),但是使用空氣作為冷卻介質(zhì),傳熱效率低,不適合大功率電池的冷卻[6-7]。液體冷卻速度快、傳熱效率高,但需要水泵驅(qū)動(dòng)液體流動(dòng)和外設(shè)單獨(dú)的散熱器對(duì)冷卻液進(jìn)行冷卻[8-9]。相變冷卻利用材料相變吸收電池產(chǎn)熱,是一種新型的被動(dòng)式冷卻方式,無(wú)需額外的部件。這種冷卻方式效率高、散熱速度快[10-13],但是當(dāng)相變材料完全融化時(shí)吸熱能力驟減,長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)引起電池包的溫度過(guò)高。直接制冷劑冷卻(直冷)即為利用空調(diào)制冷劑直接對(duì)電池進(jìn)行冷卻的方式,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)無(wú)需進(jìn)行較大變動(dòng),僅依靠空調(diào)系統(tǒng)回路改裝即可完成電池冷卻,是一種理想的電池冷卻方式。采用直冷方式冷卻電池的研究近年來(lái)也有很多發(fā)展[14]。CEN等[15]提出了一種直冷電池?zé)峁芾硐到y(tǒng),該系統(tǒng)可自動(dòng)控制電池包溫度,當(dāng)環(huán)境溫度40 ℃時(shí),可將電池包的溫度保持在35 ℃以下。張聰哲等[16]提出將電池與乘客艙蒸發(fā)器并聯(lián),此時(shí),電池側(cè)制冷劑流量變化影響了流入車(chē)艙蒸發(fā)器的制冷劑流量,從而影響乘客艙溫度。聶磊等[17]采用冷板建立了一種直冷系統(tǒng),通過(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架驗(yàn)證了直冷系統(tǒng)的可行性。結(jié)果表明,制冷劑通過(guò)冷板與電池包進(jìn)行換熱可保證電池包溫度在合適范圍內(nèi),且電池包溫的均性較好。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,仿真軟件被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)空調(diào)和熱管理系統(tǒng)仿真。艾志華[18]利用AMEsim軟件搭建了純電動(dòng)汽車(chē)集成式熱管理系統(tǒng),分析了不同工作模式下集成式熱管理系統(tǒng)乘員艙溫控情況、動(dòng)力電池預(yù)熱、保溫和散熱性能以及對(duì)續(xù)駛里程的影響。TRAN等[19]在研究熱管對(duì)電池冷卻性能的影響時(shí),建立了電池AMESim模型來(lái)估計(jì)電池內(nèi)部的溫度。劉海彪[20]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了電動(dòng)汽車(chē)熱泵空調(diào)制熱工況,采用仿真模擬的方法研究了換熱器、壓縮機(jī)和環(huán)境溫度對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)制熱性能的影響。陳凱勝[21]采用AMESim模型研究了以R134a和CO2為工質(zhì)的汽車(chē)熱泵空調(diào)系統(tǒng),并利用相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了仿真計(jì)算結(jié)果,實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果最小誤差僅為2.3%,說(shuō)明仿真結(jié)果具有較高的可靠性。
本文基于AMESim軟件搭建了電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)與電池綜合熱管理系統(tǒng)仿真模型。該系統(tǒng)通過(guò)旁開(kāi)支路,將電池直冷換熱管路與車(chē)艙蒸發(fā)器并聯(lián),可同時(shí)實(shí)現(xiàn)車(chē)艙和電池的冷卻,并研究了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、電子膨脹閥的開(kāi)度對(duì)綜合熱管理系統(tǒng)性能的影響,在保證電池和車(chē)艙溫度在合適范圍的前提下,以系統(tǒng)總制冷量和壓縮機(jī)能耗的比值最大為原則,優(yōu)化匹配了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥的開(kāi)度。
空調(diào)與電池綜合熱管理系統(tǒng)(圖1)主要由壓縮機(jī)、車(chē)外冷凝器、電子膨脹閥1、電子膨脹閥2、車(chē)艙蒸發(fā)器、電池直冷換熱管路、氣液分離器和連接管路組成。綜合熱管理系統(tǒng)的工作原理與傳統(tǒng)汽車(chē)空調(diào)的壓縮蒸氣制冷類(lèi)似,首先工質(zhì)經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后成為高溫高壓氣體,高溫高壓氣體進(jìn)入車(chē)外冷凝器對(duì)環(huán)境進(jìn)行放熱,然后工質(zhì)分別經(jīng)過(guò)電子膨脹閥1,電子膨脹閥2轉(zhuǎn)化為低溫低壓蒸氣后,流入艙內(nèi)蒸發(fā)器和電池直冷換熱管路,工質(zhì)吸熱實(shí)現(xiàn)車(chē)艙和電池的冷卻,最后經(jīng)氣液分離器流回壓縮機(jī),完成一次工作循環(huán)。
圖1 綜合熱管理系統(tǒng)
空調(diào)熱負(fù)荷分為車(chē)身對(duì)流換熱負(fù)荷、太陽(yáng)輻照熱負(fù)荷和新風(fēng)熱負(fù)荷。
2.1.1 車(chē)身對(duì)流換熱負(fù)荷
為了計(jì)算車(chē)身對(duì)流換熱量,引入車(chē)身全局對(duì)流換熱系數(shù)。全局對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)由自由對(duì)流換熱系數(shù)和強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)組成,如式(1)所示:
式中,hall為全局對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K);hfor為強(qiáng)制對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K);hfre為自由對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K)。
汽車(chē)外表面的溫度tw為狀態(tài)變量:
式中,mcp為壁面熱容,J/K;hfs為太陽(yáng)輻照熱負(fù)荷,W;hfext為外部總的換熱量,W;hfint為內(nèi)部總的換熱量,W。
外部總的對(duì)流換熱量計(jì)算式為:
式中,hallext為車(chē)外全局對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K);Sext為外部換熱面積,m2;tw為車(chē)壁面溫度,℃;text為外界環(huán)境溫度,℃。
內(nèi)部總的對(duì)流換熱量計(jì)算為:
式中,hallint為車(chē)艙全局對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K);Sint為內(nèi)部換熱面積,m2;tint為車(chē)艙內(nèi)溫度,℃。
2.1.2 太陽(yáng)輻照熱負(fù)荷
太陽(yáng)輻照負(fù)荷hfs的計(jì)算為:
式中,al為太陽(yáng)通量吸收系數(shù);Sext為外部換熱面積,m2;qs為太陽(yáng)輻照強(qiáng)度,W/m2。
2.1.3 新風(fēng)熱負(fù)荷
進(jìn)入乘員艙的新風(fēng)會(huì)產(chǎn)生車(chē)艙熱負(fù)荷,新風(fēng)熱負(fù)荷hna計(jì)算為:
式中,mnew為新風(fēng)質(zhì)量,kg;ho為車(chē)外空氣的焓值,kJ/kg;hi為車(chē)內(nèi)空氣的焓值,kJ/kg。
BERNARD等[22]在假設(shè)鋰離子電池內(nèi)部材料為均勻產(chǎn)熱的前提下,從電池內(nèi)阻產(chǎn)熱和熵增反應(yīng)產(chǎn)熱兩個(gè)方面分析了鋰離子電池的產(chǎn)熱機(jī)理,進(jìn)而提出了一種鋰電池產(chǎn)熱速率的理論計(jì)算公式:
式中,I為鋰離子電池的充放電電流,A;在充電過(guò)程為負(fù),放電過(guò)程為正;-t(dE/dt)表示可逆化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量,對(duì)鋰離子電池而言,可近似為常量,其參考值為0.042[23-24];I2r為電池內(nèi)阻產(chǎn)熱;r為內(nèi)阻,Ω。
設(shè)鋰離子電池的放電電流為50 A,單個(gè)電池內(nèi)阻為9 mΩ,式(7)中第一項(xiàng)的值為2.1 W,第二項(xiàng)的值為22.5 W,與第一項(xiàng)相比較,第一項(xiàng)約為第二項(xiàng)的9.3%,可通過(guò)適當(dāng)增加內(nèi)阻的方式將原式合并:
式中,R為電池等效內(nèi)阻,Ω;I為充放電電流,A。
預(yù)設(shè)電池直冷換熱管路的最大散熱功率為8 kW,根據(jù)電池包的尺寸設(shè)定電池直冷換熱管路總長(zhǎng)為12 m,制冷劑與換熱管路之間的對(duì)流換熱系數(shù)由水平管的沸騰換熱情況決定,對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的計(jì)算[25]:
式中,Rel為液相雷諾數(shù);Prl為液相普朗特?cái)?shù);kl為液相導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);d為水力直徑,m。
Xtt為馬特內(nèi)里數(shù):
式中,x為氣體干度;μl為液相動(dòng)力黏度,(N·s)/m2;μv為氣相動(dòng)力黏度,(N·s)/m2;ρv為氣相密度,kg/m3;ρl為液相密度,kg/m3。
制冷劑與換熱管路之間的換熱量由對(duì)流換熱公式得到:
式中,dmh為管路換熱量,W;h為制冷劑與換熱管路之間的對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),W/(m2·K);carea為對(duì)流換熱面積,m2;t3為制冷劑溫度,℃;t2為電池溫度,℃。
對(duì)流換熱面積的計(jì)算為:
式中,le為換熱管路管長(zhǎng),m;A為換熱管路橫截面積,m2;hdiam為換熱管路的水力直徑,m。
根據(jù)本課題組之前相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究[20-21],系統(tǒng)關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)定如下。設(shè)壓縮機(jī)排量為60 mL/r,容積效率為0.6,等熵效率為0.75,機(jī)械效率為0.9。車(chē)外換熱器采用微通道換熱器,迎風(fēng)面積為0.211 6 m2,空氣側(cè)傳熱面積為4.297 m2。車(chē)艙換熱器采用U型板式換熱器,迎風(fēng)面積為0.038 6 m2,空氣側(cè)換熱面積為3.187 m2。兩個(gè)電子膨脹閥型號(hào)相同,節(jié)流長(zhǎng)度為20 mm,最大開(kāi)度時(shí)節(jié)流面積為2 mm2,后文中以電子膨脹閥開(kāi)度的百分比計(jì)算。車(chē)艙容積為3.5 m3,車(chē)外表面面積為10 m2。制冷劑選用R134a,充注量為600 g。設(shè)定夏季太陽(yáng)的輻照強(qiáng)度為1 000 W/m2。整個(gè)電池冷卻管路材質(zhì)為鋁,管長(zhǎng)為12 m,截面為10 mm,高為3 mm的矩形截面矩形,橫截面積為30 mm2。電池采用方形鋰離子電池,整個(gè)電池組由100個(gè)單體電池串聯(lián)構(gòu)成,單體電池容量137 Ah,額定電壓3.55 V,單個(gè)電池的內(nèi)阻為9.8 mΩ。
運(yùn)行工況設(shè)為環(huán)境溫度35 ℃,太陽(yáng)的輻照強(qiáng)度為1 000 W/m2,車(chē)速為20 m/s,車(chē)外冷凝器的冷卻風(fēng)量為0.45 kg/s,車(chē)艙蒸發(fā)器的風(fēng)量為0.16 kg/s,其中新風(fēng)量為0.04 kg/s。
此節(jié)中設(shè)定電池組的放電電流為50 A,電子膨脹閥1開(kāi)度為40%、電子膨脹閥2的開(kāi)度為50%。依次改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000、1 300、1 600、1 900、2 200、2 500和2 800 r/min,研究壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)性能的影響規(guī)律。此外,所有仿真結(jié)果取值均為系統(tǒng)模擬運(yùn)行3 600 s后的結(jié)果。
圖2所示為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)車(chē)艙及電池溫度的影響。由圖2可知,車(chē)艙溫度、電池溫度隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而降低。當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在1 600 r/min時(shí),車(chē)艙溫度為22 ℃,滿足駕乘人員對(duì)溫度的要求,但此時(shí)電池溫度為40 ℃,溫度較高;當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速2 500 r/min時(shí),電池溫度在35 ℃左右,此時(shí)電池的產(chǎn)熱量與散熱量相同,但在該壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速下車(chē)艙溫度僅為18 ℃,遠(yuǎn)低于乘員的舒適溫度。說(shuō)明只改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不能同時(shí)滿足車(chē)艙溫度和電池溫度的需求。
圖3所示為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)壓縮機(jī)能耗及各支路制冷量的影響。由圖3可知,當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min升至2 800 r/min,壓縮機(jī)能耗從345 W增至1 245 W,電池支路的制冷量從1 403 W增至2 577 W,空調(diào)支路制冷量從916 W增至1 728 W。系統(tǒng)總制冷量隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增加。
圖3 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)壓縮機(jī)能耗及各支路制冷量的影響
圖4所示為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)制冷劑流量分配的影響規(guī)律。由圖4可知,系統(tǒng)制冷劑總流量隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而增加,則各支路制冷劑流量增加,所以改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不能改變制冷劑在綜合熱管理系統(tǒng)中的流量分配。
圖4 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)制冷劑流量分配的影響
設(shè)電池組的放電電流為55 A,電子膨脹閥2的開(kāi)度為70%,電動(dòng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min,所有仿真結(jié)果取值均為系統(tǒng)模擬運(yùn)行3 600 s后的結(jié)果。改變電子膨脹閥1的開(kāi)度為20%、30%、40%、50%、60%和70%。
圖5所示電子膨脹閥1開(kāi)度對(duì)制冷劑流量分配的影響。由圖5可知,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不變,電子膨脹閥1開(kāi)度增大,系統(tǒng)制冷劑總流量緩慢減小,空調(diào)支路制冷劑流量從0.005 8 kg/s增加至0.011 2 kg/s,電池冷卻支路制冷劑流量從0.019 3 kg/s減小至0.011 kg/s。調(diào)節(jié)電子膨脹閥的開(kāi)度可以調(diào)整制冷劑的流量分配。
圖5 電子膨脹閥1開(kāi)度對(duì)制冷劑流量分配的影響
圖6所示為電子膨脹閥1開(kāi)度對(duì)制冷劑流量分配的影響。由圖6可知,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速恒定,當(dāng)電子膨脹閥1開(kāi)度增加時(shí),壓縮機(jī)能耗保持穩(wěn)定,空調(diào)支路制冷量增大,但當(dāng)開(kāi)度達(dá)60%時(shí),制冷量增量降低,而電池支路制冷量發(fā)生明顯降低。制冷劑流量變化導(dǎo)致各支路制冷量的變化。
圖6 電子膨脹閥1開(kāi)度對(duì)壓縮機(jī)能耗及支路制冷量的影響
圖7所示為電子膨脹閥1開(kāi)度與車(chē)艙與電池溫度的相互關(guān)系。由圖7可知,電子膨脹閥1開(kāi)度的由20%增至70%,車(chē)艙溫度降低約5 ℃,而電池溫度升高近12 ℃。電子膨脹閥1開(kāi)度變化引起各支路制冷劑流量的變化,進(jìn)而導(dǎo)致各支路制冷量改變,各支路制冷能力改變。
圖7 電子膨脹閥1開(kāi)度對(duì)車(chē)艙和電池溫度的影響
保持環(huán)境工況不變,通過(guò)改變電池的放電電流模擬車(chē)輛在不同行駛狀態(tài)下電池的產(chǎn)熱。在保證電池溫度和車(chē)艙溫度在合適范圍的前提下,以系統(tǒng)總制冷量和壓縮機(jī)能耗的比值最大為原則,對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥的開(kāi)度進(jìn)行優(yōu)化匹配。改變電池的放電電流分別為40、45、50、55、60和65 A,通過(guò)改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和兩個(gè)電子膨脹閥的開(kāi)度,設(shè)電子膨脹閥開(kāi)度比為電子膨脹閥2開(kāi)度與電子膨脹閥1開(kāi)度的比值。調(diào)整系統(tǒng)總制冷量的大小,并對(duì)系統(tǒng)制冷量進(jìn)行分配。優(yōu)化匹配結(jié)果如表1所示。
表1 壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與電子膨脹閥開(kāi)度的優(yōu)化匹配結(jié)果
由表1知,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速與放電電流正相關(guān),當(dāng)放電電流從40 A增大到65 A時(shí),電子膨脹閥開(kāi)度比從1.20增大至3.89,制冷劑流入電池直冷換熱管路的比例增大。
圖8所示為優(yōu)化匹配結(jié)果下空調(diào)和電池溫度的變化規(guī)律。由圖8可知,電池溫度隨著放電電流的增大保持在34~36 ℃,車(chē)艙溫度保持在22~23 ℃,實(shí)現(xiàn)了車(chē)艙溫度和電池溫度的合理控制,達(dá)到了綜合熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的。
圖8 優(yōu)化匹配的車(chē)艙和電池溫度
圖9所示為為優(yōu)化匹配結(jié)果下制冷劑分配結(jié)果。由圖9可知,當(dāng)放電電流從40 A增大至60 A時(shí),系統(tǒng)制冷劑總流量從0.018 1 kg/s增加至0.036 6 kg/s,但空調(diào)支路制冷劑流量基本保持穩(wěn)定,電子膨脹閥2開(kāi)度與電子膨脹閥1開(kāi)度的比值增大,電池支路制冷劑流量與空調(diào)支路制冷劑流量的比值增大,電池支路制冷劑流量增加。
圖9 優(yōu)化匹配的制冷劑流量分配
圖10所示為各支路制冷量及壓縮機(jī)能耗變化。由圖10可知,當(dāng)電池放電電流增大,電池產(chǎn)熱量增加,為保持電池溫度在35 ℃,電池散熱量增加,電池支路制冷量隨放電電流的增大而增加。外界環(huán)境工況不變,空調(diào)熱負(fù)荷不變,車(chē)艙溫度基本不變,空調(diào)支路制冷量變化不大。放電電流增大,電池產(chǎn)熱負(fù)荷增大,系統(tǒng)總熱負(fù)荷增加,壓縮機(jī)能耗增加。
圖10 優(yōu)化匹配的壓縮機(jī)能耗及各支路制冷量
圖11所示為優(yōu)化匹配結(jié)果下系統(tǒng)總制冷量與壓縮機(jī)能耗的比值變化規(guī)律。由圖11可知,當(dāng)放電電流從40 A增大至60 A,系統(tǒng)總制冷量與壓縮機(jī)能耗的比值從5.62減小至3.93。其原因?yàn)榉烹婋娏髟龃?,系統(tǒng)總熱負(fù)荷增大,系統(tǒng)所需要的總制冷量增大,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升高。系統(tǒng)總制冷量與壓縮機(jī)能耗的比值隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而減小。
圖11 優(yōu)化匹配的系統(tǒng)總制冷量和壓縮機(jī)能耗的比值
本文針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)綜合熱管理系統(tǒng),研究了壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電子膨脹閥的開(kāi)度對(duì)系統(tǒng)的電池溫度和車(chē)艙溫度的影響規(guī)律。得到如下結(jié)論:
1)保持電子膨脹閥1開(kāi)度為40%、電子膨脹閥2的開(kāi)度為50%不變,將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)? 000 r/min升高到2 800 r/min,電池溫度從43.7 ℃下降至33.9 ℃,車(chē)艙溫度從26.2 ℃下降至17.4 ℃,車(chē)艙和電池溫度隨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而降低;
2)電子膨脹閥的開(kāi)度對(duì)車(chē)艙溫度和電池溫度影響同樣較為明顯;當(dāng)保持壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為1 600 r/min時(shí),將電子膨脹閥1開(kāi)度從20%增大到70%,電池溫度從30.7 ℃升高至42.2 ℃,車(chē)艙溫度從26.7 ℃下降至21.7 ℃;
3)電池的放電電流從40 A增至65 A,壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速由1 250 r/min升至2 700 r/min,此時(shí)電子膨脹閥開(kāi)度比由1.20~3.89,此時(shí)車(chē)艙溫度可保持在23 ℃,電池溫度保持在35 ℃,從而實(shí)現(xiàn)了空調(diào)和電池綜合熱管理系統(tǒng)的控制。