梁坤峰,王莫然,高美洁,等.纯电动车集成热管理系统性能的热力学分析[J].化工学报,,72(S01):9.

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摘要：

纯电动车集成热管理（ITM）系统能有效提高车辆的能量利用效率，然而兼顾电池、客舱热需求的集成热管理系统结构复杂，针对ITM系统的串联和并联两种构成形式，基于AMESim软件搭建系统仿真模型，从热力学的能量和?角度比较分析两种系统的性能。结果表明：串联系统的性能系数和?效率均明显高于并联系统，制冷模式下，分别平均高7.6%、23.6%；热泵模式下，分别平均高13%、7.6%。随着压缩机转速的增大，两种系统的部件总?损失均明显增大，压缩机和室外换热器的?损失成为主要?损失，此外在并联系统中电子膨胀阀的?损失占比较大。

引言：

锂电池的性能、寿命和安全性对温度非常敏感，其在零摄氏度以下会遭受严重的容量衰减，而废热积聚引起的热失控可能导致火灾甚至爆炸。必须使用高效的电池热管理系统（batterythermalmanagementsystem，BTMS），保持电池适当的温度范围，提高其运行效率和寿命周期。纯电动车电池热管理系统的媒介物质一般分为空气、液体、相变材料、热管以及上述4种介质的组合。有学者提出ITM系统，一般将空调系统和BTMS结合起来，甚至涉及电机余热的回收，在一定程度上减少了系统的组成部分。Tian等所提出的ITM系统与正温度系数加热器相比，百公里运行费用降低20.83%。Tian等提出了回收电机和控制器余热的ITM系统，在节省运营成本的基础上，其投资回收期为4.57～6.77年。然而目前大多数针对ITM的文献所提出的系统仅是在蒸发支路上并联另一路蒸发支路。文献提出的ITM系统构成一般为：制冷时，采用电池换热器与空调系统舱内换热器并联；制热时，采用电机换热器与空调系统舱外换热器并联，即系统采用并联模式。Shen等考虑到制冷时电池换热器的蒸发温度较高，将其放置在舱内换热器的前部，即系统采用串联模式，认为这样既能改善舱内温度的波动，又能较好地保证电池的温降特性，但未对热泵模式进行分析。值得一提的是，Han等提出的结合蒸汽喷射（vaporinjection，VI）和余热利用的ITM系统，在环境温度为?20℃，回收1kW余热时系统的制热量和COP与基本VI系统相比分别提高了13.57%和7.88%。本工作对ITM系统进行了研究，通过建立电池热管理与空调耦合模型，建立ITM串联系统和ITM并联系统，仿真计算系统的性能，通过?分析判断系统部件总?损失的主要来源，以期为系统性能优化提供依据。

1模型建立

在传统空调系统的基础上，将电池换热器与舱室换热器并联，形成并联系统，记为A；将电池换热器放在舱室换热器之后，形成串联系统，记为B，如图1所示。系统的主要部件有压缩机、室内换热器、室外换热器、四通换向阀、电子膨胀阀和电磁阀。电池换热器与电池直接接触，置于电池箱底部。

1.1热管理系统组件模型

1.1.1压缩机

简化了制冷剂在压缩机中的流动和热交换过程，建立了由等熵、容积和机械效率图描述的压缩机模型。

1.1.2换热器

与压缩机模型相似，对换热器中制冷剂的流动和换热同样进行了简化，采用离散微元（空气/壁面、壁面和翅片以及制冷剂/壁面）进行建模。制冷剂的质量流量计算见式(4)。制冷剂与换热器壁之间的换热量计算见式(5)。空气与壁面换热计算见式(6)、式(7)。根据流动特性确定Nusselt数，见式(8)、式(9)，在层流中直接通过定值计算。其中，e*是几何参数。壁温的计算见式(10)。冷板与电池及电池箱体的换热计算见式(11)。

1.1.3电子膨胀阀

制冷剂经过电子膨胀阀是绝热膨胀过程，质量流量计算见式(12)。本文使用PID控制蒸发器出口过热度为5℃。

1.1.4电池

锂离子电池是热学、电化学等多物理领域的结合，为了简化计算，采用RC等效电路对电池进行建模，RC等效电路是指用电压、电阻、RC网络等反映电池的I-V特性和瞬态反应。考虑通过热量的产生、积累和传递，可以建立电池的能量守恒方程：用安时积分法来计算电池SOC，见式(15)。关键参数（开路电压、内阻）计算见式(16)、式(17)。

包含欧姆内阻和电化学极化内阻，Ω。

1.1.5其他

将车舱视为一个集总系统来简化计算，将其视为一个单一的空气体积，忽略了材料特性、三维几何和温度梯度的可变性，舱内空气的密度和比热容被认为是恒定的。此外，建立了基于数据文件（与速度、电压和温度参数有关）的平均模型来表征电机特性，并能计算出电气、机械和逆变器的损耗，采用车辆模型来描述汽车位移。驾驶员模型计算加速踏板和刹车踏板信号。为了简化模型，减少影响系统性能的因素，不探究汽车行驶工况对ITM系热性能的影响，将汽车行驶速度设为60km/h，设定电池目标温度为20℃，并设定支路截止阀始终全开。

1.2系统仿真平台在AMESim

在AMESim中搭建了如图2所示的车辆系统仿真平台。主要涉及驱动系统、BTMS、空调系统、控制器、电池组和舱室。座舱、冷却板、空调参数、车辆参数见表1、表2。设定夏季环境温度T0为40℃，冬季环境温度T0为0℃，压力p0为标准大气压，电池目标温度为20℃，压缩转速分别为、、、、r/min。并对计算进行了如下假设（:1）流动为一维稳态均匀流动；（2）忽略了制冷剂的轴向传热传质；（3）气流的速度和物理性质在任何地方都是一致的；（4）电池的比热容量和热导率是恒定的，不随充放电状态而变化。

2?分析

基于热力学第一定律与热力学第二定律的分析方法可以判断过程中损失发生的原因和部位，从而可以更有效地提高热力系统的性能。平衡方程表达式如下所示。

3结果与讨论

对两种耦合系统进行仿真计算，系统性能系数（coefficientofperformance，COP）随压缩机转速变化如图3所示。从图中可以看出，相同条件下串联系统的COP总要大于并联系统。且COP均随着压缩机转速升高而降低。充注量为g时与充注量g时相比，串联系统制冷COP平均高4.12%，而制热COPh平均仅低0.39%；并联系统制冷COP平均高出3.60%，而制热COPh平均仅低0.45%。系统的充注量为g时，制冷模式下，串联系统的COP比并联系统平均高7.6%；热泵模式下，串联系统的COPh比并联系统平均高13%。系统的充注量取为g。热泵模式和制冷模式下，系统A、B的压缩机进出口温度和进出口压力随转速的变化对比分别如图4、图5所示。如图4所示，热泵模式下，排气温度和排气压力随着转速的增加而增加，吸气温度和吸气压力随着转速的增加而减小。并联系统的吸气压力比串联系统平均高0.56%，而排气压力则平均高8.90%。并联系统的吸气温度平均高0.60℃，排气温度平均高3.94℃。如图5所示，在制冷模式下，排气温度和排气压力、吸气温度和吸气压力随转速的变化与热泵模式相同。制冷模式中，并联系统的吸气压力比串联系统平均低11.41%，排气压力平均低3.01%；吸气温度比串联系统平均低2.46℃，排气温度平均高0.66℃。制冷模式下，系统A、B的蒸发侧压损和过热度变化如图6(a)所示；热泵模式下，系统A、B的冷凝侧压损如图6(b)所示。制冷模式下，随着转速增加，串联系统的无效过热度逐渐增加，但其过热度平均增加幅度小于并联系统。此外并联系统的蒸发器（舱内换热器+电池换热器）的压力损失比串联系统的压力损失要小，但两者相差并不大，热泵模式下也有相同规律。然而由于并联系统不可避免两路压力不同的制冷剂直接混合，其制冷模式下的蒸发侧总压力损失（包含制冷剂混合引起的压力损失和管道损失）和热泵模式下的冷凝侧总压力损失均远大于串联系统。制冷模式，并联系统的蒸发侧总压力损失比串联系统平均高72kPa；热泵模式，并联系统的蒸发侧总压力损失比串联系统平均高19kPa。因此，并联系统比串联系统能耗更高、COP更低。为了进一步对比研究串、并联系统，对系统进行了?损失计算，系统的效率随转速变化见表3。制冷模式和热泵模式下，系统各部件?损率随转速变化分别如图7、图8所示。由表3可以看出，两个系统的?效率随压缩机转速增大呈下降趋势，且串联系统的?效率总是高于并联系统，故适当降低压缩机转速对于降低系统部件?损失非常有效。由图7可以看出，制冷模式下，两个系统中部件?损率最高的均为压缩机，其次是室外换热器与电子膨胀阀。值得一提的是，图7(b)中的电子膨胀阀损率是电池、舱室支路的电子膨胀阀的?损率之和。对于压缩机和电子膨胀阀，进出口压差的增大会造成更大的?损失，随着压缩机转速的增加，两者进出口压差均逐渐增大，导致两者的?损失增大，但系统的部件总?损失也在逐渐增大，压缩机的?损率反而略有下降。室内换热器的?损失变化非常小，其?损率随转速升高下降幅度较大，且转速较高时，其?损率远小于压缩机，室外换热器与电子膨胀阀的?损率。电池换热器的?损率虽然也不断增高，但其?损失远低于压缩机、室外换热器和电子膨胀阀的?损失。因此，对压缩机、室外换热器和电子膨胀阀进行优化对提高系统效率具有重要意义。由图8可以看出，热泵模式下，两个系统中部件损率最高的仍为压缩机，其次是室外换热器。压缩机的?损率随转速增加略有下降，而室外换热器的损率则不断增大。串联系统中，在压缩机转速最大时，室外换热器的?损率超过了压缩机。并联系统中，电子膨胀阀也是系统部件总?损失的主要来源，在转速较低时，其?损率高于室外换热器。两个系统中室内换热器的?损失随转速增高而增加，但变化较小，随着其他部件?损的增加，其?损率呈下降趋势。电子膨胀阀的?损率也较高，但随压缩机转速增加变化不大。串联系统中，对压缩机与室外换热器进行优化可以有效提高系统效率。并联系统则还需对电子膨胀阀进行优化。

4结论

通过AMESim软件对纯电动车ITM系统进行了热力学分析，探讨了电动车ITM可行的系统方案。得出以下结论。（1）随着压缩机转速的增高，两个系统的压缩机吸气温度和吸气压力均逐渐降低，排气压力和排气温度均逐渐升高，且系统的COP逐渐降低，部件总损失逐渐增大。制冷模式，串联系统的COP比并联系统平均高7.6%；热泵模式，串联系统的COPh比并联系统平均高13%。（2）由于并联系统不可避免两路压力不同的制冷剂直接混合，其制冷模式下的蒸发侧总压力损失（包含制冷剂混合引起的压力损失和管道损失）和热泵模式下的冷凝侧总压力损失均远大于串联系统。制冷模式，并联系统的蒸发侧总压力损失比串联系统平均高72kPa；热泵模式，并联系统的蒸发侧总压力损失比串联系统平均高19kPa。（3）各部件?损失随压缩机转速增大而增大，适当降低压缩机转速对于降低系统部件?损失非常有效。制冷模式下，串联和并联系统均须对压缩机、室外换热器和电子膨胀阀进行优化以提高系统效率；热泵模式下，串联系统仅需对压缩机和室外换热器进行优化，而并联系统还需对电子膨胀阀进行优化。据说喜欢点“赞”和“在看”的读者运气都不会太差哦????预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇
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