纯电动汽车热泵空调与电池交互热管理系统研究

动力电池热管理技术的提高将有利于电动汽车的发展。车室内的冷热需求和电池组的冷热需求既存在相互矛盾又存在相互协调的关系。本文对电池组的产热量和车用空调的制冷量、制热量进行整体考虑和交互利用，研究纯电动汽车磷酸铁锂动力电池组的生热和传热特性，通过计算和实验测试相结合的方法获取磷酸铁锂动力电池组分别在恒倍率放电和变工况放电条件下的产热特性，通过实车测试获取纯电动汽车在制冷工况和制热工况下的车内动态热负荷特性曲线。在此基础上，对纯电动汽车在不同车速和环境温度下的车内制冷、制热需求和电池组散热需求、余热利用潜力和加热需求特性进行交叉匹配分析，得到了纯电动汽车热泵空调制冷、制热量和电池组产热量的交互利用特性，并根据二者的可交互利用特性对纯电动汽车热泵空调和动力电池组交互热管理系统进行了设计。最后，通过Fluent软件对电池组分别在自然空气强制对流散热和利用热泵空调循环介质散热/加热的条件下的温度场进行了对比分析。 通过研究磷酸铁锂动力电池组在恒倍率放电和变工况放电条件下的产热行为，可以对电池组在循环工况下的产热量进行预测。研究发现E6纯电动汽车电池组在120km/h的行驶车速和40℃的高温环境下的峰值产热功率为3100W，峰值散热功率为2500W。 通过实车测试获得了E6纯电动汽车在制冷和热工况下的车内动态负荷特性曲线。测试结果表明：在制冷工况下，通过车窗传入车内的热负荷约为2092W，是形成车内热负荷的主要组成部分，占比达到44.2%；在制热工况下，通过车体外围结构的瞬间散热能力比较均匀，太阳辐射对车内热负荷的影响较小。 在此基础上，对E6纯电动汽车在不同车速和环境温度下的车内制冷、制热需求和电池组散热需求、余热利用潜力和加热需求特性进行交叉匹配分析，得到了纯电动汽车热泵空调制冷、制热量和电池组产热量的交互利用特性。其中，车内的冷热需求分为三种：制冷，既不需要制冷也不需要制热，制热。磷酸铁锂电池组的冷热需求分为三种：散热，即无散热需求也无加热需求和需要加热。特别的是，在环境温度为28℃时，电池组的峰值散热功率为1066W，在40℃的高温环境下的峰值散热功率为2500W，车内制冷需求为4800W，热泵空调的压缩机匹配制冷量为7300W；在制热工况时，电池组可利用峰值加热功率为2500W，车内制热需求设计为5000W，热泵空调的压缩机匹配制热量为7500W；电池组在16℃的环境温度和120km/h的行驶车速下，理想余热利用功率约为2020W，但经过分析发现，电池组的余热利用时间较短，且在行驶车速低于82km/h时，没有多余热量可供利用。因此，磷酸铁锂电池组的余热利用潜力较小。 根据二者的可交互利用特性对纯电动汽车热泵空调和动力电池组交互热管理系统进行了设计。最后，通过Fluent软件对电池组分别在自然空气强制对流散热和利用热泵空调循环介质散热/加热的条件下的温度场进行了对比分析。模拟结果显示，在热泵空调系统循环介质的热管理下，电池组的温度场能够保持在较佳的温度范围内，且电池组的温度均匀性更好。