【热管理】纯电动汽车冷媒直冷夏季热管理系统性能模拟

提出纯电动汽车整车热管理夏季方案，电池与乘客舱用制冷剂回路并联冷却，其中电池由制冷剂分支通过热管来冷却，电机采用液冷。在联邦测试 － 72 工况下用系统模拟的方 法进行测试。乘客舱温度经过 57 s，从 35 ℃降到设定温度 24 ℃，随后保持动态平衡; 电池温度 在 68 s 左右达到设定温度 25 ℃，然后维持设定温度以下; 电机温度在前期迅速升高，最高为 61 ℃，随后冷却液与外界换热增强，温度最终下降至 52 ℃，未超出电机热管理目标 80 ℃。

0 引 言

最近几年，汽车产业在全球范围内快速发展［1］，传统燃油汽车保有量的增加，使汽车消耗 的石油资源比重增大［2］，进而会导致全球能源紧 张［3］; 还会产生大量有害的气体，加 剧 环 境 的 污染［4］。

电动汽车由于其能量利用率高、污染物排放少［5］、比能量密度高、循环性能良好［6］等优点受 到业界广泛关注。但电动汽车仍然面临诸于续航 里程、电池安全、舒适性等一系列问题［7］。

动力方式的改变，对电动汽车提出了更高的 热管理要求。在冬夏季节要为乘客提供舒适的环 境，目前冬季采用的正温度系数热敏电阻( Positive Temperature Coefficient，PTC) 的加热方式严 重影响了电动汽车续航里程［8］，因此冬季供暖问 题亟需解决; 高温、低温和温度不均都会影响电池 的使用性能［9］; 电机在工作时会产生能量损失， 且每 10 ℃的温升会影响其运行寿命［10］，因此电 机也必须在安全温度范围之内。对电动汽车进行 整车热管理是一个应对上述系列挑战的良好 途径［11］。

国内外科研人员针对上述问题，进行了相关 研究，欧阳东［12］以热泵空调系统为基础，将制冷 剂回路引入电池内部的方法进行电池热管理，构 建了动力电池与热泵空调的集成热管理系统。但 并没有考虑电机的热管理。Atsushi Yokoyama 等［13］提出了一个包含电机和空调的集成热管理 系统，该系统将电机产生的余热给乘客舱供暖，来 提高空调性能。瞿晓华［14］在空调回路为电池提 供独立的蒸发器，为其强制空冷，电机及其元件散 热由冷却液完成，电池与乘客舱加热采用 PTC 加 热。高淳［15］也将电池包热管理纳入空调系统， 采用独立蒸发器为电池包散热，驱动电机用冷却 水散热，但是，在夏季高温工况下，液冷的冷却效 果优于风冷。Tibor Kiss 等［8］运用 Matlab /Simulink 工具进行汽车热管理模拟，制冷剂回路与冷 却剂回路进行热交换，冷却剂回路来给乘客舱、电 池和电机进行热管理，包括对以上部件的加热和 冷却。马自会［16］对电机和电池采用水冷，并且 将热量与空调系统换热，整个热管理系统核心为 空调系统。上述研究都未在统一工况进行系统性 能测试。

目前，在所有研究电动汽车热管理系统的文 献中，多为部件间集成的热管理，未发现在统一工况下，涵盖空调、电池、电机的全年季节的整车热 管理系统研究。文中设计了可以全年工作的整车 热管理系统，文中主要介绍该系统在夏季工况时 的热管理性能，冬季工况热管理性能的研究会在 后续工作体现。文中采用系统模拟的方法，应用 电池与乘客舱并联冷却、电机液冷的夏季纯电动 汽车整车热管理方案，研究在联邦测试 － 72 工况 ( Federal Test Procedure 72，FTP － 72 ［17］) 下的整 车热管理性能，为整车系统设计提供参考。

1整车热管理系统模型建立

1． 1 整车热管理系统方案及目标

文中设计了包含全年季节的整车热管理系 统，如图 1 所示，该系统涵盖乘客舱热管理、电池 热管理和电机热管理。包含全年的整车热管理系 统以北方冬夏两个典型季节进行设计。夏季热管 理系统方案为图中实线所示，冬季热管理系统需 增加图中虚线所示部件及管路控制。在夏季热管 理系统方案中，乘客舱热管理系统与电池热管理 系统并联冷却，且制冷剂分支通过热管与电池组 换热。电机采用液冷，液流与电机换热后再通过 换热器与外界换热。乘客舱热管理目标设定为 24 ℃ ; 电池热管理目标为 25 ℃，其控制阈值为24． 5 ～ 25 ℃，当温度达到 24． 5 ℃ 时，控制制冷剂 的阀门就会关闭，反之，温度达到 25 ℃ 阀门就会 打开; 电机热管理目标是电机温度低于 80 ℃。

1． 2 整车热管理系统模型假设

在整车热管理系统模型的建立过程中， 做出如下假设:

( 1) 忽略蒸发器和冷凝器入口空气的流动不 均［1 8］。

( 2) 电机圆周围绕中心对称，圆周方向上，冷 却条件相同［19］。

( 3) 电池内部比热容和导热系数为常数且不 随放电深度变化而变化［20］。

( 4) 忽略电池组内空气对流［6］。

1． 3 整车热管理系统模型及控制方程

整车热管理系统主要包括空调系统、电池热 管理系统和电机热管理系统。该系统还包括相关 电子附件，控制系统等。空调系统模型包含乘客 舱、蒸发器、冷凝器、压缩机等部件。乘客舱相关 参数见表 1。

电池热管理系统模型，包含电池组、热管以及 制冷剂管道，其中热管用高导热系数铜棒模型代 替［6］。电机热管理系统模型包含电机、换热器、 循环泵等。电池组相关参数见表 2。

电池生热量由下式得出:

1． 4 整车热管理系统模型验证

为了验证模型数据可靠性，对整车热管理模 型进行了模型验证［1 4］。首先对空调系统进行了 模型验证，参数见表 3。空调系统模型验证结果， 如图 2 所示，头部初始温度为 60 ℃，在 300 s 左 右，模拟值和实验值均降到 30 ℃，相较而言，模型温度最终达到稳定状态，实验值一直处于波动状 态，但是随着时间的延续，波动也逐渐平缓。这是 由于实验时，乘客的呼吸会导致实验值的连续波 动。从整个过程来看，实验值与模拟值的相对误 差在合理范围之内。

此外，分别对电机和电池进行了模型验证。如图 3 所示，根据文献［21］在 0．3 C 放电倍率下， 运行 3 600 s，得到了电池生热曲线。电池在 0．3 C 放电倍率下，升温不是很明显，这是由于放电电流 较低时，电池生热不是很明显，从数据对比来看， 实验值与模拟值取得了较好的一致性。

根据文献［22］进行了电机生热模型验证，在 30 ℃，以 3 500 r·min － 1 运行 2 400 s，得到了电机的生热曲线，如图4 所示，前期电机温升速度较 快，这是由于电机生热大于散热，电机温度在 500 s左右就迅速升高到70 ℃，后期电机温度达到了稳定状态，这是由于生热与散热形成了动态平衡。

2 整车热管理系统模拟结果与讨论

2． 1 整车热管理系统车速测试工况

在环境温度为 35 ℃，采用 FTP－72 驾驶工况 进行模拟，FTP－72 的详细数据如图 5 所示，FTP－72 工况中最高车速为 91.25 km·h － 1 ，平均车速在 31.5 km·h － 1 左右，并伴有频繁的启动和停止。

2． 2 乘客舱热管理性能

乘客舱温度经过 57 s 从环境温度 35 ℃ 降低 到设定温度 24 ℃，如图 5 所示，随后围绕设定温 度 24 ℃保持动态平衡，最大波动幅度为 + 1 ℃ 和 － 4 ℃，这是由整车控制策略和车速工况共同决 定的。

车速工况是造成乘客舱温度变化的原因之 一，FTP － 72 车速工况变化剧烈，伴随着频繁启停，如图 5 所示，在 150 ～ 300 s，车速达到最高车 速，使得乘客舱与外界环境换热剧烈，造成了随后的乘客舱温度波动上升过程; 在 750 ～ 900 s 附近， 车速保持在 40 km·h－1 以上，这是导致乘客舱温 度在随后上升的主要原因。

此外，压缩机转速调节也是影响乘客舱温度 变化的原因之一。当乘客舱温度达到设定温度24 ℃时，压缩机转速开始由高速转变为低速，如 图 6 所示，从 50 ～ 100 s，压缩机转速迅速下降; 在 150 s 左右，乘客舱温度超过了设定温度，压缩机 转速随后大幅提升。乘客舱温度在 300 ～ 500 s 呈 现波动上升趋势，压缩机转速随之波动上升来增 大蒸发器制冷剂流量，从而降低乘客舱温度。在 1 050 ～ 1 200 s，当乘客舱温度超出设定温度 24 ℃ 时，压缩机转速随之增大，使乘客舱侧制冷剂流量 增大来调节乘客舱温度。

2． 3 电池组热管理性能及对乘客舱热管理性能 影响

电池温度由空调回路的制冷剂分支通过热管 与电池换热来进行热管理，电池温度的控制依靠 空调回路分支阀门的开闭来实现。电池设定温度 为 25 ℃，当电池温度达到 24． 5 ℃ 后，阀门关闭。如图 7 所示，电池温度经过 68 s 降低到 25 ℃，随 后由于在 FTP － 72 工况下热量的积聚，在 221、 496、919 s，电池温度超过了设定温度，制冷剂阀 门重新开启，如图 8 所示，电池侧制冷剂流量骤 增，将温度重新控制在设定温度之内。

由于乘客舱与电池采用并联冷却方式，基于整车热管理控制策略，电池热管理会对乘客舱温度造成影响，电池侧制冷剂流量会对乘客舱蒸发器制冷剂流量造成影响。如图 9 所示，在 68 s，电池温度达到设定温度后，电池侧制冷剂阀门关闭， 造成了乘客舱侧制冷剂流量的骤增，如图 9 所示， 乘客舱侧制冷剂流量在 73 s 处形成波峰，导致了图 4 中乘客舱温度曲线出现第一个波谷; 此外，电池侧制冷剂阀门在 222、497、920 s 打开时，均使图 9 中乘客舱侧制冷剂流量骤降，进而导致乘客舱温度的上升。因此，电池与乘客舱并联冷却的 热管理策略是导致乘客舱温度波动的另外一个原因。

2． 4 电机热管理性能

在 FTP－72 工况下，得到了电机随生热散热 变化的温升曲线，如图 10 所示，电机温度在 150 s 之前增长较平缓，这是由于工况初期电机生热量 较少。在 200 ～ 400 s，电机温度呈直线上升趋势， 最高温度为 61 ℃，这是由于汽车开始加速行驶， 电机生热量骤增，但电机散热速率较慢。电机温 度在 400 ～ 500 s 维持较高温度，随后由于电机散 热速率高于电机生热速率，电机温度在 500 s 附 近开始下降。由于电机生热与散热的相互作用， 电机温度最终达到 52 ℃。

3 结束语

在设计整车热管理系统方案的基础上以夏季热管理方案建立整车热管理系统模 型，在 FTP － 72 工况下测试了整车热管理系统性 能。得到了以下结论: 

( 1) 在 FTP － 72 工况下，经过 57 s，乘客舱温 度从 35 ℃ 降低到设定温度 24 ℃，随后围绕设定 温度 24 ℃保持动态平衡，最大波动幅度为 + 1 ℃ 和 － 4 ℃。

( 2) 基于整车热管理方案，电池与乘客舱由 制冷剂进行并联冷却，通过 FTP － 72 工况测试表 明: 电池热管理会对乘客舱热管理造成一定程度 的影响，是造成乘客舱温度波动的原因之一，但是 未影响乘客舱舒适性。

( 3) 制冷剂通过热管对电池进行热管理，在 FTP － 72 工况下，电池温度在 68 s 降低到 25 ℃随后在 221、496、919 s 的温升均被控制在设定温 度以下。

( 4) 在 FTP － 72 工况下，电机温度在0 ～ 400 s 呈上升趋势，最高温度为 61 ℃，随后由于散热速 率高于生热速率，电机温度逐步下降。在整个车 速工况中，电机温度始终处于热管理目标 80 ℃ 以下。