热泵辅助冷却电池热管理设计与作用研究

热泵辅助冷却电池热管理设计与作用研究

张宝鑫

安徽江淮汽车集团股份有限公司新能源乘用车公司新能源汽车研究院安徽合肥230601

摘要：电动汽车的核心部件为动力电池，近几年，动力电池朝着高功率、大容量的方向发展，使得汽车在行驶过程中电池热量不断增加，对电池的寿命与性能产生较大的影响。本文首先从热泵辅助冷却电池热管理设计入手，其次阐述了热泵辅助冷却电池热管理的作用，最后总结全文，旨在为推动电动汽车行业更好的发展提供参考意见。

关键词：热泵辅助冷却；电池；热管理；设计；作用

我国在热泵系统的应用中已经取得了一定的成效，逐步朝着耦合交互电池热管理的方向发展。在汽车内部电池与空调之间设计一个蒸发冷却器，通过降低电池内的空气温度，可达到冷却电池的最终目的，降低电池热负荷运行，能够集成管理整个热管理系统。

1热泵辅助冷却电池热管理设计

1.1系统设置

电池热管理系统主要是为了保护电池，确保电池处于最佳的运行温度，保障电池运行的安全性与可靠性。因此，电池组的冷却需要满足电动汽车的高温、高负荷、高速行驶状态。想要实现这些运行目标，需要在电动汽车内部加入热泵辅助冷却电池热管理系统，具体如下图1所示。热泵辅助冷却电池热管理主要包括：水泵、动力电池组、PTC、风冷散热器、补偿水箱、热泵空调系统、热泵电池冷却组等。

图1热泵辅助冷却电池热管理系统结构图

上图1中，电池冷却器的制冷量由专门的热泵空调系统提供，为实现车载能耗的降低，在常温（电池低热）情况下，电池组会主动使用散热器开展独立冷却。在高温、高速环境下，可采用散热器热泵负荷冷却。通过调整流过电池冷却器的工作介质流量，能够实现热泵辅助冷却电池热管理系统的调节。此阶段工作介质流量占系统总流量的比值为热泵辅助冷却系统的流量比。

1.2建设模型

在热泵辅助冷却电池热管理系统建成后，依据系统内各个构件的组成，还需要配备相应的数字模型，包括：传热模型、流阻模型。在模型建设过程中，选取两种数字表达形式，包括实验和理论表征，在性能模型的支持下，实现系统内各个部件的相互关联。

1.2.1电池产热模型

在电动汽车匀速行驶下，电池组的输出功率会到一定值，电池在单位时间内的热量会上升，使得电池的温度增加。假设电池的热量在电池内均匀分布，借助Bernardi模型，能够建设与电池产热速率、工作电流之间的数字关系，公式为：

(1)

在式（1）中当电池工作温度在20℃—40℃之间，电池的内阻变化并不大，一般视作常数。在高温、低温状况下，通过实验的方式可将内阻与温度带入到式（1）内，先计算出测试数据，接着确定相关参数，最终得到关于电流I的函数。

在电动汽车的行驶过程中，随着速度与负荷的增加，会导致电池输出功率、工作温度迅速上升。就热泵辅助冷却电池热管理作用，选择3种典型工况，分析对电池功率的影响，分别为中速中负荷、高速低负荷、低速高负荷。温度统一设计为30℃，电池的初始温度为50℃，电池仅设置独立风冷散热器。最终的电池产热功率变化与温度变化如下图2所示。从图中2能够得知，在低速高负荷的情况下，电池组的热功率最大，冷却平衡温度最高。中速中负荷为第二，高速低负荷最小，冷却温度也逐渐趋于平衡。

图2不同形式速度下电池热量及温度变化

选择25℃、30℃、35℃三种典型温度，选取低速高负荷运行，其他的工况参数保持不变，电池组使用独立的散热器进行冷却。最终结果显示，在3种温度下，电池冷却平衡温度随着环境温度逐步升高。在高温环境下，电池冷却热平衡温度的影响相比行驶条件下的影响更加显著。其中在35℃下为双重影响，电池的温度已经超过最佳工作温度上限。在温度达到43℃后，则需要使用冷泵进行辅助冷却。

热泵辅助冷却与空调蒸发器会形成一个复合系统，随着电池冷却器流量的增加，电池的冷却速度逐渐上升，冷却平衡温度会下降，后者的影响更加显著。改变冷剂流量，虽说辅助冷却效果更佳，但会增加压缩机的能耗，加速车载的消耗。在满足冷却需求的情况下，可选择工作介质流量进行调控。

3结束语

综上所述，在高温环境或者是高负荷运行的情况下，电池冷却过程中热泵可以起到明显的辅助冷却作用，能够保障电池的寿命，迅速将电池温度降低到20℃—40℃，促使电池处于最佳的工作温度范围内。热泵辅助冷却电池热管理过程中，还可以实施辅助冷却，能够优化低能耗控制。

参考文献

[1]张天时,高青,王国华,闫振敏,宋薇,闫玉英.热泵辅助冷却电池热管理设计及其作用分析[J].太阳能学报,2018,39(03):713-721.

[2]张天时,宋东鉴,高青,王国华,闫振敏,宋薇.电动汽车动力电池液体冷却系统构建及其工作过程仿真[J].吉林大学学报(工学版),2018,48(02):387-397.

[3]王国华.热管理系统散热冷却建模及电池组温均控制策略研究[D].吉林大学,2017,10(01):100-101.

[4]赵进,刘伟,王建辉.辅助冷却复合式地源热泵实验研究[J].河北省科学院学报,2010,27(01):20-23+30.

[5]李恺渊,王景刚.冷却塔辅助冷却地源热泵技术经济分析[J].建筑节能,2007(01):58-61.

[6]李恺渊.冷却塔辅助冷却地源热泵经济性分析[A].中国建筑学会暖通空调分会、中国制冷学会空调热泵专业委员会.全国暖通空调制冷2006学术年会资料集[C].中国建筑学会暖通空调分会、中国制冷学会空调热泵专业委员会:,2006:1.