內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)目前依然是汽車行業(yè)的主流。面對(duì)化石能源的日益枯竭以及全球氣候變暖導(dǎo)致的冰川融化等問題，世界各國(guó)都在采取各種環(huán)保和減排措施以減少內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用，并大力發(fā)展零排放的“綠色汽車”作為內(nèi)燃機(jī)的替代方案。其中，電動(dòng)汽車、燃料電池汽車和混合動(dòng)力汽車逐漸成為了一個(gè)重要且已經(jīng)廣泛應(yīng)用的解決途徑。我國(guó)已經(jīng)成為了全球電動(dòng)汽車市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的國(guó)家之一，而隨著“特斯拉”超級(jí)工廠2019年正式落戶上海并投入生產(chǎn)，中國(guó)的電動(dòng)汽車行業(yè)將迎來(lái)進(jìn)一步的大幅增長(zhǎng)。

　　現(xiàn)如今，電動(dòng)汽車中多采用高能量密度的鋰電池。但是，鋰電池在工作中的發(fā)熱情況將導(dǎo)致電池溫度升高，降低電池效率并危害電池壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致起火事故。同時(shí)，在電動(dòng)汽車的空調(diào)制冷或制熱系統(tǒng)運(yùn)行的情況下，電池性能及續(xù)航里程可能因此減少40%以上。因此，簡(jiǎn)單高效的電池溫度控制及電池系統(tǒng)的熱管理對(duì)電動(dòng)汽車的性能和續(xù)航里程十分關(guān)鍵。

　　理想的鋰電池工作溫度為15～35℃之間，需要保持在最高45℃以下，而充電溫度不能高于60℃。電動(dòng)汽車發(fā)展的早期，電池的冷卻多采用主動(dòng)或被動(dòng)風(fēng)冷技術(shù)，主要因?yàn)槠涑杀镜土医Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但是，其換熱效率較低，占用空間較大且溫度不均勻。

　　對(duì)于電池組來(lái)說(shuō)，溫度的不均勻性將嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的壽命。因此，隨著電池能量密度的增大，液冷逐漸成為了目前主流的電池冷卻方式，其換熱量可以達(dá)到相同條件下的空冷換熱量的3倍以上。其中，利用制冷劑蒸發(fā)來(lái)吸收電池冷卻液的熱量受到了重點(diǎn)關(guān)注，因?yàn)槠鋼Q熱量大并且可以通過(guò)與汽車?yán)锏目照{(diào)系統(tǒng)循環(huán)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　直接將制冷劑與電池組耦合換熱的方式同樣會(huì)帶來(lái)溫度不均勻和占用空間較大的問題，所以通常采用的方式如圖1所示，在普通汽車空調(diào)系統(tǒng)中，增加一個(gè)鋁制釬焊板式換熱器（電池冷卻器，chiller）與空調(diào)蒸發(fā)器并聯(lián)，將部分冷量用于產(chǎn)生冷卻液進(jìn)入電池冷卻板，均勻冷卻電池組。這樣，壓縮機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的制冷量可以同時(shí)應(yīng)用于汽車內(nèi)部環(huán)境溫度調(diào)控和電池組冷卻液溫度控制，相互獨(dú)立。

　　因此，電池冷卻器（chiller）成為了液冷電動(dòng)汽車中調(diào)節(jié)電池組溫度的關(guān)鍵部件，增強(qiáng)其換熱效果可以降低所需的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速或者制冷劑排量，從而減少耗電量而提升續(xù)航里程和行駛性能。但是由于車體內(nèi)部空間限制，不宜采用體積過(guò)大的換熱器作為電池冷卻器來(lái)增強(qiáng)換熱效果，因而一般采用緊湊小巧的板式換熱器。為了進(jìn)一步提高換熱器的換熱效果，通常的做法是在板式換熱器的流道內(nèi)部設(shè)計(jì)湍流發(fā)生結(jié)構(gòu)，沿流向阻斷流動(dòng)和溫度邊界層，增強(qiáng)入口效應(yīng)，最終提高換熱效率。

　　雖然針對(duì)板式換熱器的沸騰流動(dòng)換熱的試驗(yàn)和模擬研究已經(jīng)相對(duì)較多，但是專門面向電動(dòng)汽車電池冷卻器的試驗(yàn)系統(tǒng)搭建和測(cè)試的研究報(bào)道仍然十分罕見。張榮榮等分析了電子膨脹閥在圖1所示的雙蒸發(fā)器系統(tǒng)里的作用和優(yōu)勢(shì)，但是具體的試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備配置及試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)未做詳細(xì)說(shuō)明。之后，張春秋等搭建了電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，分析了電池冷卻器回路和汽車空調(diào)回路在一些工況下的相互影響，但未就電池冷卻器本身進(jìn)行具體性能分析。

　　針對(duì)最新設(shè)計(jì)的帶有湍流發(fā)生結(jié)構(gòu)的電池冷卻器，本文將搭建完整的制冷劑側(cè)和冷卻液側(cè)的循環(huán)回路及相應(yīng)的試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備，形成穩(wěn)定可靠的電池冷卻器性能測(cè)試平臺(tái)，并通過(guò)不同工況的試驗(yàn)來(lái)分析總結(jié)其冷卻性能及受不同工況條件的影響。

　　試驗(yàn)采用的電池冷卻器實(shí)物如圖2所示。冷媒側(cè)和冷卻液側(cè)各由21層板片疊裝，每層板片的尺寸為92.0mm×56.0mm×1.4mm，各層流道之間為并聯(lián)流動(dòng)。冷媒和電池冷卻液兩側(cè)的流動(dòng)呈逆流布置，以加強(qiáng)換熱效果。正常工作時(shí)，冷媒進(jìn)口處呈兩相蒸發(fā)狀態(tài)，而冷媒出口處為過(guò)熱狀態(tài)。

　　搭建的試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)如圖3所示，主要包括4個(gè)循環(huán)：水冷冷凝循環(huán)（圖3左側(cè)），用來(lái)冷凝被壓縮后的氣態(tài)冷媒；水冷過(guò)冷循環(huán)（圖3底部），在需要時(shí)啟動(dòng)，同樣用來(lái)冷卻高壓冷媒，以確保被冷凝后的冷媒進(jìn)入過(guò)冷狀態(tài)；冷卻液循環(huán)（圖3右側(cè)），本文中采用汽車中常用的50%乙二醇溶液，以測(cè)試電池冷卻器對(duì)其的冷卻性能；制冷循環(huán)（圖3中間），本文的測(cè)試中采用R134a作為制冷工質(zhì)，通過(guò)其在低壓段的兩相蒸發(fā)過(guò)程來(lái)吸收電池冷卻器中冷卻液的熱量。

　　這樣，從電池冷卻器中出來(lái)的低壓過(guò)熱冷媒，經(jīng)過(guò)氣液分離器進(jìn)入壓縮機(jī)。被壓縮后的高壓冷媒蒸汽進(jìn)入水冷冷凝器，冷凝后的冷媒再經(jīng)過(guò)過(guò)冷器確保其進(jìn)入過(guò)冷狀態(tài)。之后，過(guò)冷的高壓冷媒通過(guò)電子膨脹閥節(jié)流，達(dá)到低壓兩相狀態(tài)并進(jìn)入電池冷卻器蒸發(fā)吸熱。

　　除了電池冷卻器，圖3中所示的各個(gè)部件的型號(hào)和主要參數(shù)見表1。圖3中所采用的各個(gè)傳感器的參數(shù)見表2。

　　試驗(yàn)測(cè)試控制系統(tǒng)使用MATLAB進(jìn)行編寫，采用PCB燒錄程序，生成控制板。上位機(jī)界面包含各個(gè)測(cè)量參數(shù)的標(biāo)號(hào)和單位。本軟件主要用于系統(tǒng)的程序控制，通過(guò)輸入壓縮機(jī)的相關(guān)參數(shù)（轉(zhuǎn)速、允許功率、開關(guān)狀態(tài)等）來(lái)控制壓縮機(jī)的運(yùn)行工況，并將壓縮機(jī)返回的實(shí)際狀態(tài)例如電流、電壓、實(shí)際轉(zhuǎn)速以及當(dāng)工況不符合壓縮機(jī)運(yùn)行條件時(shí)的錯(cuò)誤信息顯示在界面中，從而及時(shí)調(diào)整壓縮機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。另外，可以及時(shí)顯示系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)來(lái)觀測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)，例如換熱器的進(jìn)出口溫度，吸排氣溫度、壓力等。

　　按照《中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制冷用板式換熱器JB/T8701—2018》中板式換熱器熱工性能測(cè)定的要求，每組工況測(cè)試時(shí)至少穩(wěn)定30min。穩(wěn)定之后，在測(cè)試結(jié)果選取最近15min工況并取平均。

　　依照這種測(cè)試方法，首先對(duì)幾組相同工況（冷卻液側(cè)流量、進(jìn)口溫度，冷媒側(cè)出口壓力、出口過(guò)熱度等均相同，基準(zhǔn)工況見表3）在不同的時(shí)間進(jìn)行了測(cè)試，得到的冷卻后chiller出口的冷卻液溫度差別在1%以內(nèi)，驗(yàn)證了試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試方法的穩(wěn)定性和結(jié)果的重復(fù)性。

　　試驗(yàn)測(cè)試結(jié)束后，本文中電池冷卻器的換熱功率可以根據(jù)冷卻液側(cè)（50%乙二醇）測(cè)定的數(shù)據(jù)按式（1）計(jì)算。

　　如式(2)所示，冷媒流量可以使用壓縮機(jī)的功耗、效率和壓縮機(jī)的進(jìn)出口焓差估算。

　　但是，壓縮機(jī)的整體綜合效率ηcomp與轉(zhuǎn)速和運(yùn)行工況等均相關(guān)，在0.6～0.8之間浮動(dòng)，無(wú)法簡(jiǎn)單確定。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速越高，效率越高。

　　近似認(rèn)為膨脹閥前后等焓，電池冷卻器進(jìn)出口焓差可以由其出口過(guò)熱的冷媒溫度和膨脹閥進(jìn)口過(guò)冷的冷媒溫度計(jì)算。然后根據(jù)估算的冷媒流量，就可以使用冷媒進(jìn)出口焓差計(jì)算得到冷媒側(cè)的換熱功率。

　　反過(guò)來(lái)，如忽略鋁制板壁的熱阻，認(rèn)為冷卻液側(cè)測(cè)得的換熱功率即為制冷劑側(cè)的換熱功率（Qr=Qc），則也可以用于估計(jì)冷媒的流量［式(3)］和壓縮機(jī)的整體綜合效率［式(4)］。

　　根據(jù)誤差傳遞公式，可知試驗(yàn)測(cè)試計(jì)算得到的電池冷卻器換熱功率［式(1)］可以由式(5)計(jì)算。

　　由表2的傳感器參數(shù)可知，冷卻液側(cè)流量的最大絕對(duì)誤差σm?為0.2L/min，溫度的最大絕對(duì)誤差σT為0.5℃。按照試驗(yàn)測(cè)試工況中冷卻液側(cè)流量以及進(jìn)出口水溫，由式(5)可計(jì)算出，測(cè)得的電池冷卻器換熱量的相對(duì)誤差在3.9%左右。

　　試驗(yàn)測(cè)試中的基準(zhǔn)工況仍然見表3。變工況的試驗(yàn)測(cè)試將在此基準(zhǔn)工況的基礎(chǔ)上分別改變chiller出口過(guò)熱度、出口壓力、冷卻液側(cè)流量、冷卻液進(jìn)口溫度。

　　電池冷卻器中的冷媒首先經(jīng)歷了溫度基本不變的兩相蒸發(fā)狀態(tài)，然后在完全汽化后繼續(xù)吸熱溫度升高，其出口處溫度高于對(duì)應(yīng)壓力的飽和溫度的程度即為過(guò)熱度（表3中SH3）。在相同的蒸發(fā)壓力下，過(guò)熱度的變化也就代表著chiller冷媒出口溫度的變化。

　　測(cè)得的換熱功率和chiller兩側(cè)流阻隨過(guò)熱度（5～13℃）的變化趨勢(shì)如圖4所示。可以看到，從較低的chiller冷媒側(cè)出口過(guò)熱度工況到較高的過(guò)熱度工況，由于冷卻液側(cè)狀態(tài)幾乎無(wú)變化，故冷卻液側(cè)流阻也幾乎無(wú)變化。而冷媒側(cè)流阻變化相對(duì)較明顯，隨著過(guò)熱度的增加而減小（從過(guò)熱度5℃時(shí)的7.93kPa逐漸下降到過(guò)熱度13℃時(shí)的5.99kPa），因?yàn)檫^(guò)熱度越大，氣態(tài)過(guò)熱段也就越大，相應(yīng)的流阻就會(huì)減小。同樣地，由于氣態(tài)過(guò)熱段的增大，且氣態(tài)冷媒和冷卻液間的換熱相比冷媒蒸發(fā)段較差，故換熱功率也隨著過(guò)熱度的增大而有所下降，從過(guò)熱度5℃時(shí)的2.04kW逐漸下降到過(guò)熱度13℃時(shí)的1.79kW。根據(jù)換熱量和壓縮機(jī)耗功計(jì)算出的壓縮機(jī)效率在0.6～0.7之間波動(dòng)。

　　電池冷卻器中的冷媒主要依靠其蒸發(fā)過(guò)程吸收冷卻液側(cè)的熱量。其蒸發(fā)壓力直接決定了蒸發(fā)溫度以及chiller兩側(cè)的換熱溫差。

　　由于冷媒在chiller中也存在壓降，無(wú)法準(zhǔn)確獲得蒸發(fā)壓力，因此選取chiller冷媒側(cè)出口壓力作為工況調(diào)整參數(shù)（0.25～0.35MPa），測(cè)得的換熱功率和chiller兩側(cè)流阻隨冷媒出口壓力的變化趨勢(shì)如圖5所示。由于冷媒蒸發(fā)溫度隨蒸發(fā)壓力升高而增加，因此在冷卻液側(cè)狀態(tài)不變的情況下，換熱溫差會(huì)逐漸減小。于是，從較低的chiller蒸發(fā)壓力工況（0.25MPa）到較高的蒸發(fā)壓力工況（0.35MPa），換熱功率有明顯下降，從2.61kW下降到1.79kW，但下降趨勢(shì)逐漸減緩。冷媒側(cè)流阻隨chiller蒸發(fā)壓力的變化趨勢(shì)與換熱功率基本一致（從13.6kPa下降到5.96kPa），這是因?yàn)殡S著換熱效果變差，所需的冷媒流量變小，流阻也就隨之減小。由于冷卻液側(cè)工況幾乎無(wú)變化，冷卻液側(cè)流阻也幾乎不變。根據(jù)換熱量和壓縮機(jī)耗功計(jì)算出的壓縮機(jī)效率同樣在0.6～0.7之間波動(dòng)。

　　在電動(dòng)汽車工作時(shí)，用于冷卻電池的冷卻液的溫度會(huì)隨著電池功率輸出和溫度的變化而變化，因此需要考慮不同冷卻液進(jìn)口溫度的工況，按照鋰電池正常工作溫度范圍，考慮了15～40℃的冷卻液進(jìn)口溫度。而為了調(diào)節(jié)冷卻液溫度進(jìn)而調(diào)節(jié)電池溫度，冷卻液的流量也需要是可調(diào)節(jié)的。

　　因此，在不同的冷卻液流量下（8、12、16L/），測(cè)試了不同冷卻液溫度工況下的電池冷卻器工作情況，如圖6所示。在所有冷卻液流量下，換熱功率和冷媒側(cè)流阻都隨著冷卻液進(jìn)口溫度的升高而升高，變化趨勢(shì)基本一致。相同的chiller蒸發(fā)壓力下，更高的冷卻液進(jìn)口溫度意味著更大的換熱溫差，因此換熱功率也就越大。同時(shí)，更大的換熱功率會(huì)需要更大的冷媒流量，也就導(dǎo)致了更大的冷媒側(cè)流阻。另外，同樣冷卻液流量下，溫度越高，冷卻液黏性越小，因此冷卻液側(cè)流阻隨溫度升高略有下降。

　　橫向?qū)Ρ炔煌髁肯碌腸hiller換熱性能可以發(fā)現(xiàn)，冷卻液側(cè)進(jìn)出口壓差水平隨著更大的冷卻液流量顯然大幅增加。更大的冷卻液流量也增強(qiáng)了冷媒和冷卻液之間的換熱，因此chiller換熱量也隨之逐步提高。在最大的冷卻液流量（16L/min）和最高的冷卻液進(jìn)口溫度（40℃）工況下，此小型chiller的換熱功率可以達(dá)到5.6kW，使出口冷卻液降至34℃左右。圖6中所有工況計(jì)算得到的壓縮機(jī)效率在0.65～0.78之間波動(dòng)。

　　針對(duì)液冷電動(dòng)汽車中調(diào)節(jié)電池組溫度的小型緊湊的電池冷卻器（chiller）設(shè)計(jì)和搭建了相應(yīng)的性能測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)一個(gè)新設(shè)計(jì)的電池冷卻器進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試和冷卻性能分析，得到以下結(jié)論。

　?。?）搭建的chiller性能測(cè)試系統(tǒng)在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)試方法下試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定，具有良好的重復(fù)性；

　　（2）相比于冷媒蒸發(fā)壓力對(duì)chiller冷卻性能的影響，冷媒側(cè)的出口過(guò)熱度變化對(duì)換熱功率和流阻的影響較?。?/p>

　　未來(lái)將對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步改造升級(jí)，主要包括：壓縮機(jī)和冷凝器間增加油分離器，以減少壓縮機(jī)中潤(rùn)滑油對(duì)冷媒循環(huán)的影響；在膨脹閥前增加冷媒質(zhì)量流量計(jì)，以準(zhǔn)確測(cè)得冷媒流量；編寫自動(dòng)控制程序，以自動(dòng)調(diào)節(jié)設(shè)定工況等。九游體育