动力电池直冷系统单/双膨胀阀影响效应分析

田鑫 王有镗 赵冲 郑斌 周鹏 李龙飞

摘要：本文提出了电动汽车动力电池直冷系统的两种方案，一种为单膨胀阀，另一种为双膨胀阀，并基于GT-SUITE软件建立仿真模型。模拟了在环境温度为30℃，车速为80 km/h 的工况下，这两种方案的压缩机功耗、电池组温度、效能变化特性。结果表明，双阀方案电池组冷却速率为单阀方案的3倍，双阀方案压缩机功耗为单阀方案的1.7倍，两种方案的制冷效能相差不大。

关键词：动力电池;直冷系统;热力膨胀阀;压缩机功耗;效能

中图分类号：TM912                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）07-0049-03

0  引言

电动汽车中动力电池发挥重要的作用，电池的安全工作温度为5-45℃，最佳工作溫度为20-35℃。动力电池的温度严重影响电池的使用性能及寿命[1]。当温度过高时，电池内阻减小，消耗功率减小，当温度过低时，电池内阻增大，可用容量减小，启动电流减小。所以要设计合理的电池热管理控制系统来使电池在最佳的工作范围工作。电池热管理方法主要有：强制风冷、液冷、相变材料（phase change material，PCM）冷却、热管冷却等[2]，不同的冷却方式有着不同的散热性能[3]。电动汽车热泵空调的出现，使空调辅助电池冷却直冷系统逐渐被认可。

苑盟[4]针对直冷式电池热管理系统工况热性，分别探究压缩机转速、冷凝风速以及电池模组散热结构的影响特性。辛乃龙[5]以纯电动汽车磷酸铁锂动力电池为研究对象，运用实验和仿真相结合方法对电池组的生热温度场和散热温度场进行研究。瞿晓华[6]对比分析电动车热管理系统方案的基础上，对空调箱及控制系统进行了设计与节能优化。YOKOYAMA等[7]设计了一种与电机协同的空调系统热管理方案，有效地利用电机余热，降低空调负荷。Wang T[8]等研究了圆柱形锂电池的排列方式、电池模块中风扇安装位置、环境温度对电池散热的影响。目前，关于直冷系统的研究相对较少，缺乏对系统方案的对比研究。为此，本文针对直冷系统采用单膨胀阀和双膨胀阀两种方案，并通过GT-SUITE软件建立仿真模型，比较和分析了两种方案对功耗的影响、电池温度的影响以及制动效能的影响，为热管理系统设计提供参考。

1  动力电池直冷系统模型

在驾驶舱内，汽车空调系统的功能为通风、冷却和加热。当电池放电时，释放热量，电池温度过高会造成安全隐患，因此这就要求冷却系统对动力电池进行冷却，空调系统可以实现这一功能[9]。纯电动汽车直冷系统的冷却回路包括驾驶舱内空气循环回路和电池组冷却回路，驾驶舱内空气循环回路为主要的冷却回路，电池组冷却回路为回路中一个冷却分支。PID控制器调节制冷量，输入为驾驶舱蒸发器出口温度，输出为压缩机转速。在电池组冷却模型的两端设有孔板，孔板控制电池的温度区间，孔板是否开启采用逻辑控制。热力膨胀阀测量蒸发器出口的过热流量和温度，给定蒸发器出口温度、蒸发器出口过热、孔口直径，计算新的阀门直径，以确保冷却通道出口过热在允许范围内。

1.1 电池组产热模型

电池在放电过程中释放大量的热量，为进行模拟计算，准确的估算电池放电所产生的热量是前提。

根据美国加州大学BERNARDI[9]所建立的电池产热速率数值模型，将电池等效为内部均匀的热质量体，电池产热速率公式为：

（1）

I为瞬时电流;UOC为开路电压;U为输出电压（当电池外部没有电阻时，与电池端电压相等）;T为瞬时温度;Ct（T）为温度系数：。

依据电池电路的第一原理，瞬时电流计算公式为：

（2）

式中，Rint为电池内阻;C为库伦效率;Preq为负载功率，正值代表电池放电，负值代表电池充电。

在负载功率已知情况下，每个时间步长，根据其内阻和开路电压，都有对应瞬时电流计算，即为上述方程（2）的根，公式为：

（3）

若负载功率Preq在电池所能提供范围之内，则方程（2）存在实根，其实根即瞬时电流计算公式为：

（4）

1.2 电池组冷却模型

电池组冷却模型如图1所示，电池组的冷却是通过电池组与制冷回路交换热量来实现的。在热质量与制冷回路之间设有热连接部件，该部件用于指定换热对流系数和换热表面积，之后计算出两个部件之间的换热。通过模型计算，将电池产热量输入到热质量模型，热质量模型会将实时温度响应反馈给电池模型，从而得知电池实际温度。电池温度，决定电池冷却回路中的孔板是否开启，是否需要对电池组进行冷却。

2  动力电池直冷系统模型设置

本文基于GT-SUITE软件建立仿真模型，建立了单/双热力膨胀阀的直冷系统模型。该系统主要由压缩机、冷凝器、热力膨胀阀、蒸发器、孔板控制器、电池组和驾驶舱组成，如图2所示。电池组主要参数如表1所示。

模拟在车速为80km/h，环境温度为30℃的工况下，这两种方案的压缩机功耗、电池组温度、效能变化特性。

3  仿真及结果分析

3.1 压缩机功率仿真结果分析

图3为单/双阀方案的压缩机功率变化对比图，可见两种方案0-7200s时间范围内压缩机耗功均呈周期性变化趋势，一个周期内均表现为高功率段和低功率段。压缩机出现高功率段，是因为压缩机功率突然增加，在PID控制器的调节作用下，功率将逐渐减小，当电池组达到设定温度时，系统将停止对其冷却，进入如图所示的低功率段。在低功率段，单/双阀方案功率均降至0.35kW;在高功率段，双阀方案功率最高可达4.51kW，而单阀方案中功率最高为1.97kW;一个周期内单/双阀方案的平均功耗值分别为0.55kW、0.92kW。在双阀方案中出现了压缩机功率最高值，单/双阀方案功率均降至0.35kW。可见，双阀方案能耗约为单阀方案的1.7倍，但双阀方案能达到的降温速率为单阀方案的3倍。

3.2 温度仿真结果分析

图4为单/双阀系统的电池组温度变化对比图，可见温度在0-7200s时间范围内呈周期性变化。在单阀系统中，电池组的温度30℃下降到25℃时需要的时间为931s;在双阀系统中，电池组的温度30℃下降到25℃时需要的时间为307s。可以看出双阀系统相比较于单阀系统，冷却效率大幅提升。这是因为驾驶舱蒸发器出口温度决定压缩机功率，电池组的产热量要高于驾驶舱内的产热量，单阀方系统中压缩机功率以满足驾驶舱舱内制冷量为目标，不足以满足电池组的制冷量要求，所以单阀系统耗时较长。可以看出，相比于单阀系统，双阀方案更有利于电池工作，冷却效率更高。

3.3 制冷效能COP仿真结果分析

图5为单/双阀方案的制冷效能COP变化对比图，两种方案COP值均呈周期性变化趋势，一个周期内均包含低效能段和高效能段。当电池组和驾驶舱同时冷却时，由于制冷负荷大，系统将处于低效能段;当仅有驾驶舱冷却时，负荷减小，系统进入高效能段。在低效能段，单阀方案的COP值最低为3.54，双阀方案COP值最低为2.08;在高效能段，单/双阀方案的COP值均可达4.85。相比之下，双阀方案最低值要低于单阀方案最低值，但双阀低效能段持续时间较短，一个周期内二者的平均COP值分别为4.48、4.38，前者仅高出2%。两种方案的平均制冷效能差别不大。

4  结论

本文基于电动汽车电池组直冷系统，利用GT-SUITE平台搭建系统模型，研究对比单/双热力膨胀阀两种方案对电池组温度的影响、功耗的影响以及制冷效能的影响。

①压缩机功率呈周期性变化，双阀方案中最高值为4.51kW，一个周期内双阀方案能耗约为单阀方案的1.7倍。

②电池组温度呈周期性变化，双阀方案的电池组冷却效率高于单阀方案的电池组冷却效率。

③系统制冷效能呈周期性变化，双阀方案最小值要低于双阀方案最小值，一个周期内两种方案的平均制冷效能差别不大。

参考文献：

[1]邱翔，陈诚，李家骅，等.动力锂电池组液冷散热分析及优化[J].电源技术，2020，44（4）：501-504.

[2]闵小腾，唐志国，高坎，等.基于微小通道波形扁管的圆柱电池液冷模组散热特性[J].浙江大学学报（工学版），2019，53（3）：463-469.

[3]施尚，余建祖，謝永奇，等.锂电池相变材料/风冷综合热管理系统温升特性[J].北京航空航天大学学报，2017，43（6）：1278-1286.

[4]苑盟.直冷式电池成组热管理及其实验[D].长春：吉林大学，2019.

[5]辛乃龙.纯电动汽车锂离子动力电池组热特性分析及仿真研究[D].长春：吉林大学，2012.

[6]瞿晓华.电动汽车热系统性能及控制优化研究[D].上海：上海交通大学，2012.

[7]YOKOYAMA A， OSAKA T， IMANISHI Y， et al.Thermal management sy-stem for electric vehicles[J]. SAE International Journal of Materials and Manufacturing， 2011， 4（1）： 1277-1285.

[8]WANG T， TSENG K J， Zhao J， et al. Thermal investigation of lithium-ion battery module with different cell arrangement structures and forced ai-r-cooling strategies[J]. Applied Energy，2014， 134（C）： 229-238.

[9]BERNARDI D， PAWLIKOWSKI E， NEWMAN J. A general energy b-alance for battery systems[J]. Jounal of The Electrochemical Society， 1985， 132（1）： 5-12.