电动汽车动力电池液冷热交换器设计

电动汽车动力电池液冷热交换器设计

武文杰

安徽江淮汽车集团股份有限公司新能源乘用车公司新能源汽车研究院安徽s合肥230601

摘要：伴随着能源的不断消耗，温室效应及大气污染问题日益严峻，在这种背景下，电动汽车研发已经成为全球汽车企业发展的重要趋势。随着电动汽车的发展，电动汽车对电池性能提升要求进一步提升。伴随高能量密度动力电池的发展，电池产热问题更加突出。本文通过设计一种电动汽车动力电池液冷热交换器，解决动力电池大量产热问题，

关键词：电动汽车；动力电池；液冷；热交换器

前言

本文拟研究新能源汽车电池热管理中的重要液冷部件液冷热交换器，电池热量以冷却液为媒介，在液冷热交换器中通过与空调冷媒进行热量交换，从而将电池热量带走。电动汽车动力电池液热交换器，包括交换器支架、交换器冷却液进水口、热交换器冷却液出水口、热交换器冷媒管路、热交换器膨胀阀、热交换器传热板。热交换器各部件通过钎焊焊接成热交换器总成。交换器支架、交换器冷却液进水口、热交换器冷却液出水口、热交换器冷媒管路为结构件，热交换器膨胀阀、热交换器芯体为功能性能件，是热交换器的核心部件。

1热交换器传热板片结构形式

传热板片是板式热交换器的关键元件，它的设计主要考虑两方面：一是使流体能在低流速下发生强烈湍流；二是使板片有较好的承受压力能力。目前，板片形式基本分为两类：一类是水平平直波型，即波纹方向与流动方向垂直，这种波型的波纹高度一般大于两块板片之间的间距，一块板片的波峰可以嵌入另一块板片的波谷。流体在这种通道内流动时，经过一系列的扩张与收缩，不断在二维方向上改变其速度矢量。这种板片触点数通常为1300~1900mm2有一点。另一种是更为常用的人字形波型，其波纹方向与流动方向成一定角度，触点密度较大，平均约每120mm2就有一点，故一般承压能力要大于水平平直波型。

此外，由于此种板片形成的流体通道使流体速度矢量在三维方向上改变，提高了流体湍流度，故其传热系数较高，流动阻力也较大。人字形板片的波纹倾角β较大时，如超过60°，传热系数和压降都较大，称为“硬板”；当波型倾角β较小时，如小于30°，传热系数和压降都较小，称为“软板”。结合两者的特点，设计时选用人字形板片，这种板片有良好的承压能力。虽然人字型板片流阻较大，但因其传热效率高，节省整车布置空间，我们选用人字型板片进行设计液冷热交换器。

2热交换器膨胀阀选用

2.1热力膨胀阀

目前汽车空调系统使用的绝大多数都是平行充注和交叉充注两种热力膨胀阀。热力膨胀阀通过感温包来感受过热度信号来控制阀的开度，从而调节制冷剂的流量。

2.2电子膨胀阀

电子膨胀阀是一种可按预设程序调节进入制冷装置的制冷剂流量的节流元件。在一些负荷变化较剧烈或运行工况范围较宽的场合，传统的节流元件(如毛细管、热力膨胀阀等)已不能满足舒适性及节能方面的要求，电子膨胀阀结合压缩机变容量技术已得到越来越广泛的应用。在新能源汽车中液冷热交换器与整车乘员共享一个空调系统，膨胀阀对压缩机流量分配控制尤为重要。按照驱动方式，电子膨胀阀可分为电磁式和电动式2类，其中电动式电子膨胀阀又可分为直动型和减速型。电磁式电子膨胀阀的阀针开度取决于阀体内线圈上施加的电压，通过改变线圈上的控制电压改变阀针开度，从而调节进入蒸发器的制冷剂流量。

电动式电子膨胀阀采用步进电机驱动。直动型是由步进电机直接带动阀针：当步进电机定子绕组的通电状态按照一定的逻辑关系每改变一次，其转子便转过一个角度，改变步进电机定子绕组的通电顺序，转子的旋转方向随之改变，通过螺纹的传递作用，推动阀针上升或下降，从而调节进入蒸发器的制冷剂流量。减速型的原理和直动型基本相同，只是前者增加了1个减速齿轮组，其作用是放大电磁力矩，以满足不同流量范围的调节需要。

2.3热力膨胀阀与电子膨胀阀比较

2.3.1调节范围：

目前热力膨胀阀调节范围普遍较窄。而新能源动力电池液冷系统既要制冷，又兼顾制热，且适用场合的环境温度范围从-15℃～+43℃，相对应的制冷剂蒸发温度将在-25℃～5℃范围内工作。热力膨胀阀依靠热度进行调节，调节范围有很大局限性。而电子膨胀阀可在15%～100%的范围内进行精确调节。

2.3.2过热度的控制

(1)过热度的控制点：对于热力膨胀阀而言，一般只能控制热交换出口的过热度。而电子膨胀阀则体现出其优越性，在半封闭及全封闭压缩机系统中，其控制点不仅可以设在热交换器出口，而且也可以设置动力电池包内部，即可以通过动力电池内部温度采集，通过整车控制电子膨胀。(2)过热度的设定值：对于热力膨胀阀，其过热度设定值一般由制造厂家在制造过程中设定，通常为5℃、6℃或8℃。而电子膨胀阀的过热度可根据产品的不同特性进行人为设定，可以根据新能源动力电池实际使用工况及动力电池温度需求设控制电子膨胀。(3)系统调节的智能性：热力膨胀阀对于过热度的控制是基于目前控制点的状态，由充注工质的特性所决定，它无法对系统的变化趋势作出判断。而电子膨胀阀的控制逻辑可根据不同产品的设计和制造特性，采用各类智能控制系统，它不仅可以对系统目前的状态进行调节，而且可根据过热度的变化率等参数对系统的特性进行判别，针对不同的系统变化趋势采用相应的控制手段。因此其对于系统变化的反应速度和针对性较之热力的膨胀阀优越。

3.反应速度

热力膨胀阀的驱动是利用了充注工质的热力特性，因此，其开闭性具有以下特点：反应的灵敏性和开闭动作的速度较慢。

胀阀和速度均可人为设定，尤其适合于工况波动剧烈的热泵机组的使用3热交换器的换热功率设定液冷热交换器做为热管理系统中换热部件，在设计热交换器首先要确定换热功率，液冷热交换器的换热功率通常为动力电池的热功率。动力电池热功率通常用下列两种方法计算：

3.1热仿真模拟计算

电池热模拟的基本方程为:(1)

式中的是电芯密度，Cp是电芯比热容，T是温度，k是电芯导热系数，qg是电芯产热率。

电池表面的微元与外部环境在外法线方向上的热交换给定的边界条件为：(2)

其中，h为电池与外部环境的对流换热系数，Ta为外部环境的绝对温度。通过仿真软件计算动力电池产

3.2绝热温升试验计算

搭建绝热温升试台架，准备一个隔热容器，容器中充满某种液体介质（热容为C），将电池单体浸没在溶液当中，在溶液中布置温度传感器。试验开始前记录温度T0，电池单体以一定倍率进行充放电，充放电时间t，记录充放电后的温度T1。

电池单体热功率P=C(T1-T0)/t

4基于给定目标的换热功率设计

热交换器一层为冷却液一层为冷媒相互叠加，组成热交换器。下图1为热交换器单层结构，下图2为热交换器结构。动力电池通过仿真计算或绝热温升试验计算，可以知道动力电池热功率。电池热管理的目标就是将电池热量带走，系统换热功率要求大于动力电池热功率。

图1图2

4.1模型阶段-热仿真模拟计算

对热交换器换热模拟分析采用三维、定常、不可压流体流动的控制方程建立数学模型，以便用计算流体动力学(CFD)进行换热分析。通过仿真计算热交换器在流量在10L/min，换热功率需满足整车系统需要。如不满足，通过对热交换器改变换热单层的换热面积或者增加热交换器叠加的数量从而达到增加热交换器换热功率的目的。在整车开发过程中应充分考虑这两种方法的适用性。

6结论

本文通过对热力膨胀阀与电子膨胀阀对比，选用电子膨胀阀。通过对比水平平直波型传热板与人字形波型传热板选用人字型传热板。通过对动力电池发热量仿真计算与绝热温升计算，设计满足动力电池热量交换的热交换器。热交换器能够满足新能源动力电池热管理需求，设达到设计要求

参考文献

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[2]马兰，李艳娜，齐社红，基于AMESim的空-液热交换器仿真分析[J]，航空科学技术，2016，12，38-42