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上海交年夜 | 电动汽车电池冷却器换热机能

by: lpl投注-lpl比赛下注-lpl竞猜app / 2022-04-29

上海交年夜 | 电动汽车电池冷却器换热机能

内燃机驱动今朝依然是汽车行业的主流 。面临化石能源的日趋枯竭和全世界天气变暖致使的冰川熔化等问题,世界列国都在采纳各类环保以及减排办法以削减内燃机的运用 ,并鼎力大举成长零排放的“绿色汽车”作为内燃机的替换方案 。此中 ,电动汽车 、燃料电池汽车以及混淆动力汽车逐渐成了一个主要且已经经广泛运用的解决路子。我国已经经成了全世界电动汽车市场增加最快的国度之一,而跟着“特斯拉”超等工场2019年正式落户上海并投入出产,中国的电动汽车行业将迎来进一步的年夜幅增加。

现如今 ,电动汽车中多接纳高能量密度的锂电池 。可是,锂电池在事情中的发烧环境将致使电池温度升高,降低电池效率并风险电池寿命 ,严峻时甚至致使动怒变乱。同时,在电动汽车的空调制冷或者制热体系运行的环境下,电池机能及续航里程可能是以削减40%以上。是以 ,简朴高效的电池温度节制及电池体系的热治理对于电动汽车的机能以及续航里程十分要害 。

抱负的锂电池事情温度为15~35℃之间,需要连结在最高45℃如下,而充电温度不克不及高于60℃。电动汽车成长的初期 ,电池的冷却多接纳自动或者被动风冷技能,重要由于其成本低廉且布局简朴。可是,其换热效率较低 ,占用空间较年夜且温度不匀称 。

对于于电池组来讲 ,温度的不匀称性将严峻影响整个体系的寿命。是以,跟着电池能量密度的增年夜,液冷逐渐成了今朝主流的电池冷却体式格局 ,其换热量可以到达不异前提下的空冷换热量的3倍以上。此中,哄骗制冷剂蒸发来接收电池冷却液的热量遭到了重点存眷,由于其换热量年夜而且可以经由过程与汽车里的空调体系轮回联合来实现 。

直接将制冷剂与电池组耦合换热的体式格局一样会带来温度不匀称以及占用空间较年夜的问题 ,以是凡是接纳的体式格局如图1所示,在平凡汽车空调体系中,增长一个铝制钎焊板式换热器(电池冷却器 ,chiller)与空调蒸发器并联,将部门冷量用于孕育发生冷却液进入电池冷却板,匀称冷却电池组。如许 ,压缩机体系孕育发生的制冷量可以同时运用于汽车内部情况温度调控以及电池组冷却液温度节制,彼此自力。

是以,电池冷却器(chiller)成了液冷电动汽车中调治电池组温度的要害部件 ,加强其换热效果可以降低所需的压缩机转速或者者制冷剂排量 ,从而削减耗电量而晋升续航里程以及行驶机能 。可是因为车体内部空间限定,不宜接纳体积过年夜的换热器作为电池冷却器来加强换热效果,于是一般接纳紧凑小巧的板式换热器 。为了进一步提高换热器的换热效果 ,凡是的做法是在板式换热器的流道内部设计湍流发生布局,沿流向阻断流动以及温度界限层,加强进口效应 ,终极提高换热效率。

虽然针对于板式换热器的沸腾流动换热的实验以及模仿研究已经经相对于较多,可是专门面向电动汽车电池冷却器的实验体系搭建以及测试的研究报导仍旧十分稀有。张荣荣平分析了电子膨胀阀在图1所示的双蒸发器体系里的作用以及上风,可是详细的实验测试装备配置及实验平台布局未做具体申明 。以后 ,张年龄等搭建了电动汽车冷却体系实验平台,阐发了电池冷却器回路以及汽车空调回路在一些工况下的彼此影响,但未就电池冷却器自己举行详细机能阐发。

针对于最新设计的带有湍流发生布局的电池冷却器 ,本文将搭建完备的制冷剂侧以及冷却液侧的轮回回路及响应的实验测试装备,形成不变靠得住的电池冷却器机能测试平台,并经由过程差别工况的实验来阐发总结其冷却机能及受差别工况前提的影响。

1电池冷却器及实验测试体系

1.1电池冷却器(chiller)简介

实验接纳的电池冷却器什物如图2所示 。冷媒侧以及冷却液侧各由21层板片叠装 ,每一层板片的尺寸为92.0妹妹×56.0妹妹×1.4妹妹 ,各层流道之间为并联流动。冷媒以及电池冷却液双侧的流动呈逆流安插,以增强换热效果。正常事情时,冷媒入口处呈两相蒸发状况 ,而冷媒出口处为过热状况 。

1.2实验测试体系

搭建的实验测试台如图3所示,重要包孕4个轮回 :水冷冷凝轮回(图3左边),用来冷凝被压缩后的气态冷媒 ;水冷过冷轮回(图3底部) ,在需要时启动,一样用来冷却高压冷媒,以确保被冷凝后的冷媒进入过冷状况 ;冷却液轮回(图3右边) ,本文中接纳汽车中经常使用的50%乙二醇溶液,以测试电池冷却器对于其的冷却机能;制冷轮回(图3中间),本文的测试中接纳R134a作为制冷工质 ,经由过程其在低压段的两相蒸发历程来接收电池冷却器中冷却液的热量。

如许,从电池冷却器中出来的低压过热冷媒,颠末气液分散器进入压缩机。被压缩后的高压冷媒蒸汽进入水冷冷凝器 ,冷凝后的冷媒再颠末过冷器确保其进入过冷状况 。以后 ,过冷的高压冷媒经由过程电子膨胀阀撙节,到达低压两相状况并进入电池冷却器蒸发吸热。

除了了电池冷却器,图3中所示的各个部件的型号以及重要参数见表1。图3中所接纳的各个传感器的参数见表2 。

实验测试节制体系使用MATLAB举行编写 ,接纳PCB烧录步伐,天生节制板 。上位机界面包罗各个丈量参数的标号以及单元。本软件重要用于体系的步伐节制,经由过程输入压缩机的相干参数(转速 、答应功率、开关状况等)来节制压缩机的运行工况 ,并将压缩机返回的现实状况例如电流、电压 、现实转速和当工况不切合压缩机运行前提时的过错信息显示在界面中,从而实时调解压缩机的运行状况。别的,可和时显示体系各项参数来不雅测其运行状况 ,例如换热器的进出口温度,吸排气温度、压力等 。

2实验测试要领及机能指标

2.1测试要领及实验反复性验证

根据《中华人平易近共以及国机械行业尺度制冷用板式换热器JB/T8701—2018 》中板式换热器热工机能测定的要求,每一组工况测试时至少不变30min。不变以后 ,在测试成果拔取近来15min工况并取平均。

依照这类测试要领,起首对于几组不异工况(冷却液侧流量、入口温度,冷媒侧出口压力 、出口过热度等均不异 ,基准工况见表3)在差别的时间举行了测试 ,获得的冷却后chiller出口的冷却液温度不同在1%之内,验证了实验测试体系及测试要领的不变性以及成果的反复性 。

2.2电池冷却器换热量计较

实验测试竣事后,本文中电池冷却器的换热功率可以按照冷却液侧(50%乙二醇)测定的数据按式(1)计较。

如式(2)所示 ,冷媒流量可使用压缩机的功耗、效率以及压缩机的进出口焓差估算。

可是,压缩机的总体综合效率ηcomp与转速以及运行工况等均相干,在0.6~0.8之间浮动 ,没法简朴确定 。一般来讲,转速越高,效率越高。

类似以为膨胀阀先后等焓 ,电池冷却器进出口焓差可以由其出口过热的冷媒温度以及膨胀阀入口过冷的冷媒温度计较。然后按照估算的冷媒流量,就能够使用冷媒进出口焓差计较获得冷媒侧的换热功率 。

反过来,如纰漏铝制板壁的热阻 ,以为冷却液侧测患上的换热功率即为制冷剂侧的换热功率(Qr=Qc),则也能够用于预计冷媒的流量[式(3)]以及压缩机的总体综合效率[式(4)]。

计较中所有触及的冷却液以及制冷剂物性使用CoolProp计较。

2.3实验偏差阐发

按照偏差通报公式,可知实验测试计较获得的电池冷却器换热功率[式(1)]可以由式(5)计较 。

由表2的传感器参数可知 ,冷却液侧流量的最年夜绝对于偏差σṁ为0.2L/min ,温度的最年夜绝对于偏差σT为0.5℃ 。根据实验测试工况中冷却液侧流量和进出口水温,由式(5)可计较出,测患上的电池冷却器换热量的相对于偏差在3.9%摆布。

3成果与会商

实验测试中的基准工况仍旧见表3。变工况的实验测试将在此基准工况的根蒂根基上别离转变chiller出口过热度、出口压力 、冷却液侧流量、冷却液入口温度 。

3.1chiller出口过热度

电池冷却器中的冷媒起首履历了温度基本稳定的两相蒸发状况 ,然后在彻底汽化后继承吸热温度升高,其出口处温度高于对于应压力的饱以及温度的水平即为过热度(表3中SH3)。在不异的蒸发压力下,过热度的变化也就代表着chiller冷媒出口温度的变化。

测患上的换热功率以及chiller双侧流阻随过热度(5~13℃)的变化趋向如图4所示 。可以看到 ,从较低的chiller冷媒侧出口过热度工况到较高的过热度工况,因为冷却液侧状况险些无变化,故冷却液侧流阻也险些无变化。而冷媒侧流阻变化相对于较较着 ,跟着过热度的增长而减小(从过热度5℃时的7.93kPa逐渐降落到过热度13℃时的5.99kPa),由于过热度越年夜,气态过热段也就越年夜 ,响应的流阻就会减小。一样地,因为气态过热段的增年夜,且气态冷媒以及冷却液间的换热比拟冷媒蒸发段较差 ,故换热功率也跟着过热度的增年夜而有所降落 ,从过热度5℃时的2.04kW逐渐降落到过热度13℃时的1.79kW 。按照换热量以及压缩机耗功计较出的压缩机效率在0.6~0.7之间颠簸。

3.2chiller冷媒蒸发压力

电池冷却器中的冷媒重要依赖其蒸发历程接收冷却液侧的热量。其蒸发压力直接决议了蒸发温度和chiller双侧的换热温差 。

因为冷媒在chiller中也存在压降,没法正确得到蒸发压力,是以拔取chiller冷媒侧出口压力作为工况调解参数(0.25~0.35MPa) ,测患上的换热功率以及chiller双侧流阻随冷媒出口压力的变化趋向如图5所示。因为冷媒蒸发温度随蒸发压力升高而增长,是以在冷却液侧状况稳定的环境下,换热温差会逐渐减小。因而 ,从较低的chiller蒸发压力工况(0.25MPa)到较高的蒸发压力工况(0.35MPa),换热功率有较着降落,从2.61kW降落到1.79kW ,但降落趋向逐渐缓解 。冷媒侧流阻随chiller蒸发压力的变化趋向与换热功率基本一致(从13.6kPa降落到5.96kPa),这是由于跟着换热效果变差,所需的冷媒流量变小 ,流阻也就随之减小 。因为冷却液侧工况险些无变化,冷却液侧流阻也险些稳定。按照换热量以及压缩机耗功计较出的压缩机效率一样在0.6~0.7之间颠簸。

3.3冷却液流量及入口温度

在电动汽车事情时,用于冷却电池的冷却液的温度会跟着电池功率输出以及温度的变化而变化 ,是以需要思量差别冷却液入口温度的工况 ,根据锂电池正常事情温度规模,思量了15~40℃的冷却液入口温度 。而为了调治冷却液温度进而调治电池温度,冷却液的流量也需要是可调治的。

是以 ,在差别的冷却液流量下(八、十二 、16L/),测试了差别冷却液温度工况下的电池冷却器事情环境,如图6所示。在所有冷却液流量下 ,换热功率以及冷媒侧流阻都跟着冷却液入口温度的升高而升高,变化趋向基本一致 。不异的chiller蒸发压力下,更高的冷却液入口温度象征着更年夜的换热温差 ,是以换热功率也就越年夜。同时,更年夜的换热功率会需要更年夜的冷媒流量,也就致使了更年夜的冷媒侧流阻。别的 ,一样冷却液流量下,温度越高,冷却液黏性越小 ,是以冷却液侧流阻随温度升高略有降落 。

横向对于比差别流量下的chiller换热机能可以发明 ,冷却液侧进出口压差程度跟着更年夜的冷却液流量显然年夜幅增长。更年夜的冷却液流量也加强了冷媒以及冷却液之间的换热,是以chiller换热量也随之慢慢提高。在最年夜的冷却液流量(16L/min)以及最高的冷却液入口温度(40℃)工况下,此小型chiller的换热功率可以到达5.6kW ,使出口冷却液降至34℃摆布 。图6中所有工况计较获得的压缩机效率在0.65~0.78之间颠簸。

4结论

针对于液冷电动汽车中调治电池组温度的小型紧凑的电池冷却器(chiller)设计以及搭建了响应的机能测试体系,并对于一个新设计的电池冷却器举行了实验测试以及冷却机能阐发,获得如下结论。

(1)搭建的chiller机能测试体系在国度尺度要求的测试要领下实验成果不变 ,具备精良的反复性;

(2)比拟于冷媒蒸发压力对于chiller冷却机能的影响,冷媒侧的出口过热度变化对调热功率以及流阻的影响较小 ;

(3)冷却液侧温度以及流量的晋升都可以较着晋升换热功率;

(4)在所有工况下,冷媒侧流阻与换热功率的变化趋向老是基本一致;

(5)在所有工况下 ,计较患上出的压缩机效率在~0.8之间颠簸 ;

(6)在所有工况中,此小型电池冷却器的换热功率最年夜到达了5.6kW 。

将来将对于实验体系举行进一步改造进级,重要包孕 :压缩机以及冷凝器间增长油分散器 ,以削减压缩机中润滑油对于冷媒轮回的影响;在膨胀阀前增长冷媒质量流量计,以正确测患上冷媒流量;编写主动节制步伐,以主动调治设定工况等 。

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