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浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2019, Vol. 53 Issue (7): 1398-1406    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2019.07.020
交通工程、土木工程     
电动汽车电池热管理系统设计与分析
申明1,2(),高青1,2,*(),王炎1,2,张天时1
1. 吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室，吉林 长春 130022
2. 吉林大学 汽车工程学院，吉林 长春 130022
Design and analysis of battery thermal management system for electric vehicle
Ming SHEN1,2(),Qing GAO1,2,*(),Yan WANG1,2,Tian-shi ZHANG1
1. State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022, China
2. College of Automotive Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China
 全文: PDF(1696 KB)   HTML
摘要：

针对高功率、高比能的动力电池散热问题，提出结构紧凑、换热高效的制冷剂直接热传输的电池热管理系统（简称直冷式系统）. 以整车系统为背景，利用AMESim搭建空调制冷与电池热管理的耦合模型，从系统的温度响应和能耗角度，分析电池组及电池单体平均温降、温均、系统COP以及?效率. 结果表明，直冷式系统具有较快的温度响应特性，在高温高速的稳态和动态工况下都可以对电池进行快速降温，实现了较好的温均性. 在针对某一稳定工况进行能耗分析时，得出COP为4.19的较高的系统能效比，但系统的?效率为46.17%，存在进一步提升系统?效率的空间.
关键词： 电池热管理系统;  直冷式;  AMESim;  温度特性;  能耗分析    
Abstract:

A refrigerant-based battery thermal management system with compact structure and high heat efficiency was proposed in order to solve the heat dissipation problem of high specific energy and superior energy density power battery. The coupling model of air-conditioning and battery thermal management was constructed by AMESim based on the whole vehicle system. The temperature drop and temperature uniformity of the single cell and battery module, the system’s COP and exergy efficiency were analyzed from the point of view of system temperature response characteristics and system energy consumption. Results show that the refrigerant-based system has a fast temperature response characteristic. The battery can be quickly cooled, and a better temperature uniformity under high temperature and high speed steady state and dynamic conditions can be achieved. The energy analysis was conducted for a stable working condition, and a higher system energy efficiency ratio with a COP of 4.19 was obtained. The exergy efficiency of system was 46.17%, and there’s the promotion space of system exergy efficiency.
Key words: battery thermal management system    refrigerant-based cooling    AMESim    temperature characteristic    energy consumption analysis
收稿日期: 2018-09-25 出版日期: 2019-06-25
CLC:  U 469  
通讯作者: 高青     E-mail: shenming2200@163.com;gaoqingjlu@163.com
作者简介: 申明（1994—），女，博士生，从事电动汽车整车集成热管理研究. orcid.org/0000-0002-5198-5968. E-mail： shenming2200@163.com
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申明
高青
王炎
张天时

引用本文:

申明,高青,王炎,张天时. 电动汽车电池热管理系统设计与分析[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(7): 1398-1406.

Ming SHEN,Qing GAO,Yan WANG,Tian-shi ZHANG. Design and analysis of battery thermal management system for electric vehicle. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2019, 53(7): 1398-1406.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2019.07.020    或    http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2019/V53/I7/1398

图 1  直冷式电池热管理系统
图 2  压缩机试验结果与模拟结果对比图
图 3  冷凝管道离散单元示意图
图 4  冷凝器试验结果与模拟结果对比图
图 5  电池热电耦合参数传递模型
图 6  电池充电电压试验结果与模拟结果的对比图
图 7  电池放电电压试验结果与模拟结果的对比图
图 8  电池温度试验结果与模拟结果的对比图
图 9  电动汽车结构原理图
图 10  AMESim仿真模型图
参数 数值
电池组容量/Ah 85.4
电池组重量/kg 100
电池组个数 3
电芯数量 1P2×19S
电池组电压/V 160
电池外壳比热容/（J·kg?1·K?1） 900
电池外壳热导率/（W·kg?1·K?1） 150
冷板材料比热容/（J·kg?1·K?1） 1 066
冷板材料热导率/（W·kg?1·K?1） 100
表 1  电池组和冷板的参数表
图 11  电池温度调节框图
工况 行驶工况 $\theta_{\rm{amb}} $/°C $\theta_{\rm{bat}}^{\rm{int}} $/°C
1 2 min 0 km/h,18 min 100 km/h 30 45
1 UDDS 30 45
1 US06 30 45
2 2 min 0 km/h,18 min 100 km/h 25 40
2 2 min 0 km/h,18 min 100 km/h 30 45
2 2 min 0 km/h,18 min 100 km/h 35 50
表 2  直冷式电池热管理系统仿真工况
图 12  工况1直冷式系统电池组平均温度变化曲线
图 13  工况2直冷式系统电池组平均温度变化曲线
图 14  US06高速循环下单体电池平均温度变化曲线
图 15  直冷式热管理系统压焓图
测点 p/kPa h/（kJ·kg?1） s/（kJ·kg?1·K?1）
1 417.75 249.72 1.18
2 411.87 404.25 1.72
3 1545.10 441.15 1.75
4 1537.87 249.72 1.17
表 3  直冷式电池热管理系统各状态点参数统计表
参数 E/（kJ·kg-1） ${\eta _{{\rm{E}}}}$/% ${\eta _{{\rm{ex}}}}$/% COP
蒸发冷板 18.24 31.60 ? ?
压缩机 8.27 14.32 ? ?
冷凝器 28.63 49.60 ? ?
节流阀 2.58 4.48 ? ?
系统 57.73 ? 46.17 4.19
表 4  直冷式热管理系统性能参数计算表
图 16  热管理系统各部件㶲损失率
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