直冷式电池成组热管理及其实验

随着电动汽车的不断发展,以及动力电池动力性、大比能、安全性和使用寿命等要求的提升,动力电池系统迫切的需求一种高效的电池热管理系统。本文重点研究了热泵一体化的制冷剂直接热传输的热管理系统(通常简称直冷系统)。文中参照电动汽车空调系统构建直冷式热管理系统基础功能实验台,并依据设计系统制冷需求量进行相应的设计计算。同时参照计算结果,匹配制冷系统零部件并搭建直冷式热管理系统实验台架。首先,围绕直冷式热管理实验台架搭建数据采集和控制系统。以NI-SCXI数据采集设备作为数据采集系统核心,设计虚拟仪器并集中监控和处理整个实验系统中的温度、压力和制冷剂流量等数据。以RapidECU快速原型控制器作为系统控制核心,实现实验系统中压缩机、风扇等可控设备的调控。其次,针对直冷式电池热管理系统工况热特性,分别探究压缩机转速和冷凝风速以及电池模组散热结构的影响特性。实验中分别调整压缩机转速和冷凝风速,其他因素不变。结果表明,直冷式热管理系统中电池的降温效果与压缩机转速和冷凝风速有关。压缩机转速和风速越高,降温效果越明显。受直冷板内制冷剂压力损失的影响,压缩机转速升高时,电池模组横向温差增大。采用高导热石墨片和紫铜片作为实验模组散热翅片。受高导热石墨翅片和紫铜片热物性影响,小负荷工况中,石墨翅片降温效果和温度均匀性更好;而模组产热负荷较大时,紫铜翅片降温效果更显著。然后,针对直冷过程启动特性,分别探究了压缩机转速和冷凝风速在不同产热工况中的影响特性。稳定负荷工况中分别调节压缩机转速和冷凝风速,实验表明直冷板表面温差情况与压缩机转速和冷凝风速有关。压缩机转速越高,直冷板表面最大温差越大,大温差状态持续时间越短;冷凝风速则主要影响直冷板表面最大温差,冷凝风速越高,温差越大。而变负荷工况中耦合调节压缩机和冷凝风速时,发现当压缩机转速和冷凝风速变化率与热负荷变化速率相同或相近时,直冷板表面温度一致性最好。最后,针对热泵调控中的时效性问题,分别进行了制冷系统提前启动、即时启动和延后启动实验研究。实验中以热负荷加载时间为基准调整直冷系统启动时间。实验表明针对电池初始温度和产热状态不同,应分别采取不同的冷却措施。制冷系统提前启动可降低系统能耗,避免电池在初始温度较高的大负荷工况急剧升温,防止电池超出最佳工作温度区间;而模组温度较低但产热负荷较大时,则应采取制冷系统延后启动的方式,抑制电池温度快速下降。