电池液流冷却热传输强化与协同研究

高效精细化电池温控解决方案是电动汽车动力电池热管理和热安全的重要保障。不断融合与创新的液流循环热管理、制冷剂直接冷暖、应急蒸发超冷、复合集成一体化等技术是促进电动汽车及动力电池热传输强化、热安全保障与多系统集成热管理的协同发展的需要。为此,通过电池液流冷却热传输强化与协同研究,探究动力电池热管理增效及基础热力系统交互联控机制,力求通过热流传递与能量转换等过程协同调控,综合统筹多变复杂工况下多热力系统热管理和热安全的需求,实现电动汽车整车能源高效利用和精准管控,推动电动汽车高安全化、高可靠性、低能耗率和高舒适性科技进步成。本文在国家自然科学基金项目(No.U1864213和No.51376080)的资助下,结合高效精细化动力电池温控系统散热设备元件构型拓展优化和多热力系统液流传输过程集成热管理等关键科学问题,开展了电池液流冷却热传输强化与协同研究。为了全面评价多变复杂行车工况下热管理过程温控性,利用动态工况电池热管理协同仿真方法构建了一维车辆动力系统模型,三维动力电池单体电热模型和三维动力电池模组热流传输模型。通过热力系统子模型间数据嵌接,实现了复杂多变整车行驶工况下,电机/电池/电控单元间机/电/热量等主控因素与动力电池液流热传输过程瞬态关联与综合分析,为动力电池液流冷却热传输构型拓展设计与热流联动温控过程动态控制边界计算提供了基础。为促进液流循环和风冷对流换热优势集成,实现流固传热局限性分析及其拓展,围绕气动液冷混流式电池热传输增效开展研究。通过提升电池模组离散空间的气流压力梯度,提高电池离散空间气流量和气流速,强化了混流电池热管理气动冷却能力。结合电池模组平均温降性,高、低排电池组群温降性,温降系数和极差系数的多元分析依据,探究了气动液冷混流热传输方式的耦合流动传热基本特征和实效性,提出了气动回流冷却强化的液风混流结构,并设计了正交仿真实验,明确热流变参数调控显著性。分析计算工况认知温降强化显著的主控量为冷却液进口温度,温均保障显著的主控量为风扇转速。气动液冷混流式电池热传输增效研究为制定以性能控制优先定位的电池温控策略提供了有效帮助。为进一步增强电池液流传输冷却效能,探索了结构紧凑、换热高效,利于热泵系统集成协控的直冷电池热管理方式。围绕直冷板构型因素特征展开拓展设计,筛选出利于促进制冷剂气液两相流动传热强化与电池系统温控协同保障的非均加肋三流程直冷板结构。在热泵制冷剂直冷传热及热管理基本特性研究中,明确了制冷剂蒸发压力、流量、温度和壁面热流等两相过程特性规律,以及电池模组降温性和最大温差的热管理基本特性。热泵制冷剂直冷传热及热管理基本特性研究为结合车辆动态工况下直冷电池热管理热流变参温控策略设计,电池直冷耦合多热力系统冷暖集成温控过程分析提供基础。联系电动汽车实际行驶工况,设定压缩机与电子膨胀阀调节条件,仿真研究了电池直冷过程温控能力可变调控机制。认知分析设计工况中制冷剂恒压变流和恒流变压调节方式对直冷板压降、板壁换热、板壁温降与电池模组热管理温控动态变化特性,界定了动态行驶车速边界下直冷电池温控调节的制冷剂压流联动时变范围幅度,并从短时温均增效角度优选适宜斜率特征,为热泵一体化系统集成热管理温控方案设计提供设计方法。直冷电池流动传热参数特性分析表明动态过程下电池温控增效存在有效改善空间,通过设立多个典型调节方式对比验证所提出的直冷电池制冷剂压流联动温控调节方式具有温降性与温均性协同优化提升潜力。热泵一体化系统集成热管理既可精准保证电动系统温控性能,又能满足另一主要集成热力系统空调乘员舱热负荷需求,并可实时协同与弥补不同工况下多系统热流传输过程温控动态差异。制冷能力实时供给与冷暖温控需求差异变化的桥梁协同作用为电池直冷过程耦合多系统集成热分析建立了动态衔接条件,以压缩机调控制冷剂流量为例探究分析了整车能源优化分配与综合利用协同特性和影响关系。通过建立热泵一体化系统制冷剂动态供需衔接边界,基于主动、被动和适时优先整合,设计提出电池温控性为优先级定位的电池直冷板小流量空调蒸发器大流量制冷剂实时分配架构。多工况算例分析表明,采用该流量分配架构的热泵一体化集成热管理方案体现出良好电池模组温控保证性,即具有平均温降速率大于1.7K/min的温控潜力及4K~8K的温度差异均衡性,同时稳定空调出风在285K~288K小范围波动,达到了电池温控与空调舒适性协同保障。研究表明通过制冷剂流量实时分配,热泵一体化系统集成热管理统筹协同了电池和空调冷暖供需,实现了电池系统高效精细温控提升与驾驶环境热舒适性保障的综合管控。纵观研究工作,在电池热传输效能强化设计基础上进一步拓展热泵一体化系统集成热管理实时温控统筹促进了整车热管理性能完善,是推动车辆动力性、节能性、安全性和舒适性技术进步的积极探索,是未来电动汽车集成热管理发展技术路线之关键,本文研究在此提供了可借鉴性指导。