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上海交大 电动汽车电池冷却器换热性能

深浅统计 时间:2022年06月18日 22:33

  内燃机驱动目前已经是汽车行业的主流。面临化石能源的日益短缺以及环球天气变暖导致的冰川熔化等题目,宇宙各毂下正在采纳各样环保和减排手腕以裁汰内燃机的运用,并肆意发扬零排放的“绿色汽车”动作内燃机的替换计划。个中,电动汽车、燃料电池汽车和同化动力汽车渐渐成为了一个紧要且仍然广大运用的管理途径。我邦仍然成为了环球电动汽车商场增进最疾的邦度之一,而跟着“特斯拉”超等工场2019年正式落户上海并进入出产,中邦的电动汽车行业将迎来进一步的大幅增进。

  现当前,电动汽车中众采用高能量密度的锂电池。不过,锂电池正在职责中的发烧诚况将导致电池温度升高,下降电池效劳并迫害电池寿命,重要时乃至导致起火变乱。同时,正在电动汽车的空调制冷或制热体例运转的情状下,电池功能及续航里程或许是以裁汰40%以上。是以,简易高效的电池温度限定及电池体例的热处置对电动汽车的功能和续航里程相当闭节。

  理念的锂电池职责温度为15~35℃之间,需求维持正在最高45℃以下,而充电温度不行高于60℃。电动汽车发扬的早期,电池的冷却众采用主动或被动风冷手艺,要紧由于其本钱低廉且布局简易。不过,其换热效劳较低,占用空间较大且温度不服均。

  对待电池组来说,温度的不服均性将重要影响全部体例的寿命。是以,跟着电池能量密度的增大,液冷渐渐成为了目前主流的电池冷却办法,其换热量能够抵达肖似条目下的空冷换热量的3倍以上。个中,欺骗制冷剂蒸发来罗致电池冷却液的热量受到了核心眷注,由于其换热量大而且能够通过与汽车里的空调体例轮回维系来告终。

  直接将制冷剂与电池组耦合换热的办法同样会带来温度不服均和占用空间较大的题目,因而大凡采用的办法如图1所示,正在普及汽车空调体例中,加众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,将片面冷量用于形成冷却液进入电池冷却板,平均冷却电池组。如许,压缩机体例形成的制冷量能够同时运用于汽车内部情况温度调控和电池组冷却液温度限定,互相独立。

  是以,电池冷却器(chiller)成为了液冷电动汽车中调动电池组温度的闭节部件,加强其换热成果能够下降所需的压缩机转速或者制冷剂排量,从而裁汰耗电量而晋升续航里程和行驶功能。不过因为车体内部空间束缚,不宜采用体积过大的换热器动作电池冷却器来加强换热成果,因此寻常采用紧凑小巧的板式换热器。为了进一步抬高换热器的换热成果,大凡的做法是正在板式换热器的流道内部策画湍流爆发布局,沿流向阻断滚动和温度范围层,加强入口效应,最终抬高换热效劳。

  固然针对板式换热器的欢喜滚动换热的试验和模仿切磋仍然相对较众,不过特意面向电动汽车电池冷却器的试验体例搭修和测试的切磋报道如故相当罕睹。张荣荣等解析了电子膨胀阀正在图1所示的双蒸发器体例里的效力和上风,不过全部的试验测试配置摆设及试验平台布局未做细致证实。之后,张年龄等搭修了电动汽车冷却体例试验平台,解析了电池冷却器回道和汽车空调回道正在极少工况下的互相影响,但未就电池冷却器自己实行全部功能解析。

  针对最新策画的带有湍流爆发布局的电池冷却器,本文将搭修无缺的制冷剂侧和冷却液侧的轮回回道及相应的试验测试配置,造成安稳牢靠的电池冷却器功能测试平台,并通过分歧工况的试验来解析总结其冷却功能及受分歧工况条目的影响。

  试验采用的电池冷却器实物如图2所示。冷媒侧和冷却液侧各由21层板片叠装,每层板片的尺寸为92.0mm×56.0mm×1.4mm,各层流道之间为并联滚动。冷媒和电池冷却液两侧的滚动呈逆流安排,以增强换热成果。平常职责时,冷媒进口处呈两相蒸发形态,而冷媒出口处为过热形态。

  搭修的试验测试台如图3所示,要紧搜罗4个轮回:水冷冷凝轮回(图3左侧),用来冷凝被压缩后的气态冷媒;水冷过冷轮回(图3底部),正在需求时启动,同样用来冷却高压冷媒,以确保被冷凝后的冷媒进入过冷形态;冷却液轮回(图3右侧),本文中采用汽车中常用的50%乙二醇溶液,以测试电池冷却器对其的冷却功能;制冷轮回(图3中心),本文的测试中采用R134a动作制冷工质,通过其正在低压段的两相蒸发历程来罗致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,源委气液判袂器进入压缩机。被压缩后的高压冷媒蒸汽进入水冷冷凝器,冷凝后的冷媒再源委过冷器确保其进入过冷形态。之后,过冷的高压冷媒通过电子膨胀阀节减,抵达低压两相形态并进入电池冷却器蒸发吸热。

  除了电池冷却器,图3中所示的各个部件的型号和要紧参数睹外1。图3中所采用的各个传感器的参数睹外2。

  试验测试限定体例行使MATLAB实行编写,采用PCB烧录圭臬,天生限定板。上位机界面包蕴各个衡量参数的标号和单元。本软件要紧用于体例的圭臬限定,通过输入压缩机的相干参数(转速、承诺功率、开闭形态等)来限定压缩机的运转工况,并将压缩机返回的实践形态比方电流、电压、实践转速以及当工况分歧适压缩机运转条目时的过错新闻显示正在界面中,从而实时调度压缩机的运转形态。此外,能够实时显示体例各项参数来观测其运转形态,比方换热器的进出口温度,吸排气温度、压力等。

  遵从《中华群众共和邦刻板行业准则制冷用板式换热器JB/T8701—2018》中板式换热器热工功能测定的恳求,每组工况测试时起码安稳30min。安稳之后,正在测试结果选择迩来15min工况并取均匀。

  根据这种测试办法,起首对几组肖似工况(冷却液侧流量、进口温度,冷媒侧出口压力、出口过热度等均肖似,基准工况睹外3)正在分歧的时期实行了测试,获得的冷却后chiller出口的冷却液温度差异正在1%以内,验证了试验测试体例及测试办法的安稳性和结果的反复性。

  试验测试结果后,本文中电池冷却器的换热功率能够依据冷却液侧(50%乙二醇)测定的数据按式(1)估计打算。

  如式(2)所示,冷媒流量能够行使压缩机的功耗、效劳和压缩机的进出口焓差估算。

  不过,压缩机的整个归纳效劳ηcomp与转速和运转工况等均相干,正在0.6~0.8之间浮动,无法简易确定。寻常来说,转速越高,效劳越高。

  近似以为膨胀阀前后等焓,电池冷却器进出口焓差能够由其出口过热的冷媒温度和膨胀阀进口过冷的冷媒温度估计打算。然后依据估算的冷媒流量,就能够行使冷媒进出口焓差估计打算获得冷媒侧的换热功率。

  反过来,如轻视铝制板壁的热阻,以为冷却液侧测得的换热功率即为制冷剂侧的换热功率(Qr=Qc),则也能够用于计算冷媒的流量[式(3)]和压缩机的整个归纳效劳[式(4)]。

  依据偏差通报公式,可知试验测试估计打算获得的电池冷却器换热功率[式(1)]能够由式(5)估计打算。

  由外2的传感器参数可知,冷却液侧流量的最大绝对偏差σṁ为0.2L/min,温度的最大绝对偏差σT为0.5℃。遵从试验测试工况中冷却液侧流量以及进出口水温,由式(5)可估计打算出,测得的电池冷却器换热量的相对偏差正在3.9%安排。

  试验测试中的基准工况如故睹外3。变工况的试验测试将正在此基准工况的根柢上分辩更正chiller出口过热度、出口压力、冷却液侧流量、冷却液进口温度。

  电池冷却器中的冷媒起首阅历了温度基础褂讪的两相蒸发形态,然后正在统统汽化后赓续吸热温度升高,其出口处温度高于对应压力的饱和温度的水准即为过热度(外3中SH3)。正在肖似的蒸发压力下,过热度的转折也就代外着chiller冷媒出口温度的转折。

  测得的换热功率和chiller两侧流阻随过热度(5~13℃)的转折趋向如图4所示。能够看到,从较低的chiller冷媒侧出口过热度工况到较高的过热度工况,因为冷却液侧形态简直无转折,故冷却液侧流阻也简直无转折。而冷媒侧流阻转折相对较彰着,跟着过热度的加众而减小(从过热度5℃时的7.93kPa渐渐低落到过热度13℃时的5.99kPa),由于过热度越大,气态过热段也就越大,相应的流阻就会减小。同样地,因为气态过热段的增大,且气态冷媒和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大而有所低落,从过热度5℃时的2.04kW渐渐低落到过热度13℃时的1.79kW。依据换热量和压缩机耗功估计打算出的压缩机效劳正在0.6~0.7之间颠簸。

  电池冷却器中的冷媒要紧依赖其蒸发历程罗致冷却液侧的热量。其蒸发压力直接决断了蒸发温度以及chiller两侧的换热温差。

  因为冷媒正在chiller中也存正在压降,无法精确得回蒸发压力,是以选择chiller冷媒侧出口压力动作工况调度参数(0.25~0.35MPa),测得的换热功率和chiller两侧流阻随冷媒出口压力的转折趋向如图5所示。因为冷媒蒸发温度随蒸发压力升高而加众,是以正在冷却液侧形态褂讪的情状下,换热温差会渐渐减小。于是,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),换热功率有彰着低落,从2.61kW低落到1.79kW,但低落趋向渐渐减缓。冷媒侧流阻随chiller蒸发压力的转折趋向与换热功率基础相似(从13.6kPa低落到5.96kPa),这是由于跟着换热成果变差,所需的冷媒流量变小,流阻也就随之减小。因为冷却液侧工况简直无转折,冷却液侧流阻也简直褂讪。依据换热量和压缩机耗功估计打算出的压缩机效劳同样正在0.6~0.7之间颠簸。

  正在电动汽车职责时,用于冷却电池的冷却液的温度会跟着电池功率输出和温度的转折而转折,是以需求商量分歧冷却液进口温度的工况,遵从锂电池平常职责温度畛域,商量了15~40℃的冷却液进口温度。而为了调动冷却液温度进而调动电池温度,冷却液的流量也需假使可调动的。

  是以,正在分歧的冷却液流量下(8、12、16L/),测试了分歧冷却液温度工况下的电池冷却器职责情状,如图6所示。正在一起冷却液流量下,换热功率和冷媒侧流阻都跟着冷却液进口温度的升高而升高,转折趋向基础相似。肖似的chiller蒸发压力下,更高的冷却液进口温度意味着更大的换热温差,是以换热功率也就越大。同时,更大的换热功率会需求更大的冷媒流量,也就导致了更大的冷媒侧流阻。此外,同样冷却液流量下,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低落。

  横向比较分歧流量下的chiller换热功能能够涌现,冷却液侧进出口压差秤谌跟着更大的冷却液流量明晰大幅加众。更大的冷却液流量也加强了冷媒和冷却液之间的换热,是以chiller换热量也随之慢慢抬高。正在最大的冷却液流量(16L/min)和最高的冷却液进口温度(40℃)工况下,此小型chiller的换热功率能够抵达5.6kW,使出口冷却液降至34℃安排。图6中一起工况估计打算获得的压缩机效劳正在0.65~0.78之间颠簸。

  针对液冷电动汽车中调动电池组温度的小型紧凑的电池冷却器(chiller)策画和搭修了相应的功能测试体例,并对一个新策画的电池冷却器实行了试验测试和冷却功能解析,获得以下结论。

  (1)搭修的chiller功能测试体例正在邦度准则恳求的测试办法下试验结果安稳,具有优异的反复性;

  (2)比拟于冷媒蒸发压力对chiller冷却功能的影响,冷媒侧的出口过热度转折对调热功率和流阻的影响较小;

  改日将对试验体例实行进一步改制升级,要紧搜罗:压缩机和冷凝器间加众油判袂器,以裁汰压缩机中润滑油对冷媒轮回的影响;正在膨胀阀前加众冷媒质地流量计,以精确测得冷媒流量;编写主动限定圭臬,以主动调动设定工况等。

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  文章标签:制冷剂流量怎么计算
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