某纯电动车热管理系统匹配设计与分析_徐俊芳.pdf

内燃机与配件 某纯电动车热管理系统匹配设计与分析徐俊芳，赵丰，张艺伦（中国汽车技术研究中心，天津 ）摘要：纯电动汽车热管理系统是影响整车性能的关键因素。文中以某 车型为研究对象，设计了集成式热管理系统，并制定了热管理目标，通过对动力系统部件和空调系统热负荷的计算，分解得到系统的需求，再通过仿真分析计算对系统性能进行目标预测，结果表明设计的热管理系统能够满足整车热管理性能要求。关键词：纯电动汽车；电池；热管理；空调系统中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；作者简介：徐俊芳（）女，湖北襄阳人，高级工程师，硕士学位，主要研究方向为整车热管理性能开发、新能源汽车高低温续航里程优化。前言随着生态环境与资源问题的加剧，电动汽车得以迅速发展。与传统燃油车相比，电动汽车热管理系统差异较大。一方面，电动汽车采暖没有了发动机这个热源，通常采用电加热器或者采用热泵空调系统。另一方面，温度对动力电池的性能影响较大，为保证动力电池在合理的工作范围内，通常的电池热管理系统主要是在电池温度较低的情况下做好预热，提升低温环境下的充放电性能，提高低温环境下的续航里程，其次是在高温环境下保证电池的有效散热，避免温度过高影响电池的可靠性和热安全性。综上所述，电动汽车的热管理系统直接影响整车的乘客舱舒适性、经济性、热安全性等，合理高效的热管理系统尤为重要。本文对一款 车型进行热管理系统的架构设计，根据整车的要求分解得到热管理系统的要求，并采用 仿真对系统进行了计算分析，结果表明该系统能够满足整车的热管理性能要求。整车热管理目标定义及架构设计 整车热管理目标定义整车关键参数如表所示。表车辆关键参数座位数长宽高 整车质量 迎风面积 电池电量 对设计车辆的应用场景进行梳理，提炼出热管理系统验证的工况，主要为高温和低温环境下的行车工况和充电工况，再结合动力系统零部件温度要求及多款对标车的整车热管理系统性能数据，制定出整车热管理目标如表。表整车热管理目标定义工况评价指标目标值环境温度，湿度，光 照 ，吹面模式，最大降温，内循环 ，驱动电机水温 ，电池最高温度 快充电池最高温度 环境温度，湿度，光 照 ，吹 面、最 大 降温，内循环 ，怠速，乘客舱平均温度 环境 温 度：，吹 脚 模 式，风 量 最大，外循环 ，暖风出风温度 电池包进水温度 系统架构设计针对某 车型设计了热管理系统方案，如图。三合一采用水冷，电机采用油冷，两者的热量最终通过低温散热器带走，考虑将低温散热器布置在最前端，节约成本，同时降低前端模块阻力。根据电池的散热及加热要求，采用液冷和液热的方式。电力电子单元的冷却当电机电控系统有冷却需求时，打开电子水泵，散热器回路循环开启，给电机、电机控制器、逆变器等降温。通常的电机、电控系统的冷却会在一个循环回路中布置，其布置的先后原则是谁的工作温度高谁排在后面冷却，相对于电池来讲，电机电控系统的冷却要求并不高，因此可以DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.01.029 年第期图热管理架构图采用一套冷却循环兼顾系统中各个部件的冷却，节省了空间降低了成本，又能满足各自的冷却需求。乘员舱制冷和电池包降温方案高温环境下，电池包采用 冷却，通过对电磁热力膨胀阀和电子膨胀阀的控制来满足乘员舱和电池的冷却需求。这是一个比较经典的结构也是几乎所有车型都使用的这么一个布置，电池通过空调系统将热量带走，提高了电池的换热效率，满足电池对于温度的需求，同时在电池热量传递过程中可以增加相关的控制，降低了不必要的能量换热损失。乘员舱采暖和电池包加热方案（）乘员舱采暖和电池包加热用一个 ，采用三通阀实现各自独立加热，也可满足同时加热的需求。当乘员舱同时有加热需求时，由于乘员舱和电池的温度需求不一致，加热后的冷却液不直接进入电池包，而是通过板式换热器先进行一次换热，吸热后的冷却液再加热电池包，保证电池包温度的均匀性。（）加热用板式换热器和 、三通阀可考虑采用集成式，节约空间，节省水管及安装附件。（）此外，电池的加热还可以利用电机回路的余热，通过一个四通阀来实现并联独立冷却或串联加热。优点是可以减少 加热的功率，有利于整车的能耗的降低。缺点是增加了一定的成本，系统控制更为复杂，对系统的稳定性要求更高，开发过程工作量加大。（）乘员舱采用水 加热，有利于以后扩展为间接式热泵系统，无需重新开发空调箱。系统需求分析 低温冷却系统热负荷计算以电机热负荷计算为例，根据整车热管理考核的工况、整车参数计算得到电机在每个工况下的转速和扭矩，再结合电机的效率 图，得到电机的热量损失如表。、等零部件的热负荷计算同电机类似，因篇幅限制，这里不再详述。表电机热负荷电机散热量 ，在设计的前期阶段，依据供应商提供的电机冷却流量需求和以往车型或参考车型前端换热器进风量仿真数据评估换热器的流量和风速边界，最终得到低温散热器性能要求，即 ，流量 ，进风温度，散热量 ；，流量 ，进风温 度 ，散 热 量 。电池热负荷计算根据整车工况及参数得到在对应工况下的电池的电流和功率，再结合电池不同倍率下的电芯产热数据，得到电池的热负荷如表。表电池热负荷计算电池散热量 ，快充 供应商提供的电池回路的流量需求为 ，进水温度。由此得到的 的换热量需求：高压压力 ，低 压 压 力 ，流 量 ，进 水 温 度，换热量 。空调系统热负荷在乘客舱内温度达到平衡后，乘员舱的热负荷等于空调系统的制冷量。因此，先计算乘客舱的热负荷，再将结果换算成空调的制冷负荷。乘员舱与外界环境的热交换主要通过导热、对流换热、热辐射三种方式进行。乘员舱热负荷主要包括以下几部分：车身壁面传入的热量、车窗玻璃传入的热量、乘员散发的热量、新风导入的热量、车内用电器的散热量。基于表中空调制冷性能的目标要求，计算各工况下乘员舱热负荷，按 照 的 系 数 考 虑 一 定 的 设 计 余 量，如 表所示。表空调系统热负荷车速 目标温度制冷量需求 怠速 性能匹配分析 系统建模方法 电池热管理建模电池冷却回路主要包括：、加热板换、水泵、动力电池。动力电池的产热基于电芯产热模型，电芯的建模采用二阶 等效电路模型，并根据产热测试数据进行产热标定。整个回路的电池模型搭建采用集中参数法，将电池包作为一个整包处理。、加热板换、水泵基于性能试验数据建模。电机冷却系统建模电机冷却回路主要包括：电机散热器、电机、电机水泵、油冷器板换三通阀。此回路中电机模型采用集中参数法建模，其他部件根据性能试验数据建模。空调系统建模空调系统制冷剂回路主要包含：压缩机、冷凝器、蒸发器、，、动力电池回路。压缩机、冷凝器、蒸发器、，基于试验数据建模。空调采暖回路主要包含：水泵、暖 风 芯 体，零 部 件 的 建 模 均 基 于 试 验数据。仿真分析参数及边界条件仿真分析的参数主要包括：各个系统的零部件结构及性能参数以及前端模块的风温风量。因涉及的系统零部件参数较多，这里不再详细赘述。前端模块的风量和风温内燃机与配件 则根据 的计算结果得到，一维性能分析的输入边界如表所示。表性能分析输入边界车速，坡度散热器前风速 冷凝器进风温度冷凝器进风速 蒸发器风量 怠速 ，快充 分析结果 电机冷却系统分析经过优化计算散热器长宽厚为 ，驱动电机进水温度在 ，工况时为 ，冷却系统能满足整车目标要求，计算结果如表。表电机降温分析计算结果工况目标参数 电机进水温度 电机出水温度 散热器进风温度 散热器出风温度 空调及电池降温分析基于仿真模型分别对空调降温工况和电池冷却工况进行了分析，如表。表空调及电池降温分析 怠速 ，快充蒸发器出风温度 蒸发器制冷量 电池包温度 换热量 通过以上分析得到，乘员舱单独制冷时，空调系统出风温度较低，制冷量能够满足整车表中制冷量的要求。低速爬坡工况和高速爬坡工况时，电池放电功率较大，空调系统负荷最大的工况为快充开空调工况，一方面快充过程电池发热量较大，另一方面，前端模块的进风量较小。经过计算电池热负荷较大的爬坡和快充工况，电池温度最高为 ，满足 以内的要求。空调采暖及电池加热分析因采用 加热，当冷却液水温较低时，输出功率较大，随着水温的逐渐升高，功率逐步降低，并逐渐达到热平衡的状态，所以试验开始后冷却液温升较快，在 内达到了稳定温度。如图在 工况下，暖风出风温度 ，大于目标值。图暖风芯体两侧温度变化曲线如 图 在 工 况 下，后 电 池 温 度 从 升高到 ，温升速率为 ，大于目标值。结论（）为 车型设计了热管理系统，包括电机冷却回图电池温度变化曲线路、电池热管理回路、空调系统回路，分析了各个系统的工作原理，并进行了优缺点分析。（）通过仿真分析计算，电机进水温度在极端气候环境下控制在 以内，电池温度控制在 以内，在零下 环境下，电池温升速率为 ，空调系统在高温和低温环境下均满足目标要求。（）本文的详细地阐述了电动汽车匹配与设计的流程与建模分析方法，为电动车热管理系统的匹配和设计提供参考。参考文献：方财义，汪韩送等纯电动汽车热管理系统的研究电子设计工程，（）：柳文斌，郎春艳等 某纯电动车型热管理系统开发汽车技术，（）：杨莹莹，魏学哲等车用锂离子电池交流加热的研究汽车工程，（）：王莫然，董彬等 纯电动汽车冬季冷启动阶段热管理策略影 响 续 驶 里 程 分 析 制 冷 学 报，（）：刘志勇，沈长海等 电动汽车空调与电池热管理系统设计与匹配 制冷与空调，（）：