一种电动汽车水冷板性能测试台及数据处理方法

1.本发明涉及电动汽车水冷板领域，特别是，涉及一种用于电动车电池热管理的水冷板性能测试台及数据处理方法。


背景技术：

2.由于严峻的能源和环境问题，节能和环保也成为汽车技术发展的新方向，为此产生了一系列新能源汽车。目前电动汽车是其较有潜力的发展方向之一，但也面临着许多问题，如冬季续航里程等。在续航里程上，主要取决于电池容量及其电池的热管理技术。
3.电池热管理涉及电池的加热及冷却，在电池加热上也有众多形式，也存在液体通过水冷板对电池加热的形式。而在电池冷却上常采用空气冷却、液体冷却等形式对锂电池组进行散热。由于目前使用的高能量密度和高功率密度的锂电池需要合适的工作温度，过高过低的工作温度对电池会造成一定的影响。针对锂电池合适工作温度，空气冷却方式已经不能满足其散热需求。液体冷却方式具有大的比热容及对流换热系数等优点，能有效地提高冷却效率和保证电池模组温度均匀性，而液体冷却系统中主要元器件之一是液冷板/水冷板。因此，对水冷板的加热及冷却性能的测试是很有必要的。
4.针对目前主流的液体冷却形式的部件水冷板，其内部流道结构多种多样，而评价其性能取决于其散热效率、水侧的压降及流阻。良好的散热能力及较低的流阻能一定程度上减少电动汽车能源消耗。但由于其散热能力的测试需要安装好电池进行整包的测试，导致整个测试周期时间会较长。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种电动汽车水冷板性能测试台及数据处理方法，并提出了符合该水冷板性能测试的测试方案，能够测试其散热性能、水侧的压降及流阻及对电池热管理系统控制方法的研究。
6.为了实现本发明目的，本发明提供的一种电动汽车水冷板性能测试台，包括冷却液回路及制冷剂回路两条回路，包括热泵空调系统、低温散热器冷却系统、数据采集及控制系统和水冷板测试台架，
7.热泵空调系统包括压缩机、冷凝/蒸发散热器、四通阀、电子膨胀阀及板式换热器，压缩机、冷凝/蒸发散热器、四通阀、电子膨胀阀及板式换热器连接形成制冷剂回路，通过四通阀实现制热与制冷的切换，为水冷板试验台架的输入提供冷热可控冷却液源；
8.低温散热器冷却系统包括电动风扇、水冷散热器、三通阀和储液罐，水冷散热器、三通阀和储液罐连接形成冷却液回路且制冷剂回路通过板式换热器与冷却液回路进行热交换，能够用于实现对水冷板试验台进行低温散热器性能实验；
9.水冷板测试台架包括被测水冷板、用于模拟电池发热的加热元件和用于测量水冷板表明温度分布的第二温度传感器，其中，被测水冷板与冷却液回路连通；
10.数据采集及控制系统与热泵空调系统和低温散热器冷却系统均连接。
11.进一步地，冷却液回路中设置有第一温度传感器。
12.通过冷却回路中的三通阀实现热泵空调系统、低温散热器冷却系统切换，即实现空冷/水冷冷却系统的切换。热泵空调系统采用四通阀实现制冷与制热的转换，再通过板式换热器对冷却液进行加热及冷却，电子膨胀阀控制冷却液温度，进而为水冷板实验台架的输入提供冷热可控冷却液源。结合冷却回路中的传感器，进而能测定在不同温度下的压降(或流阻)，也能结合台架中传感器，实现对水冷板上热量分布的均匀性测量。
13.通过四通阀实现制热与制冷的切换，结合板式换热器实现冷却液的冷热调节，冷的冷却液能实现水冷板散热性能测试，热的冷却液能实现水冷板加热分布均匀性测试。
14.水冷板性能测试台采用水泵及结合冷却回路中的传感器，控制水冷板入口的冷却液流量，进而能测定在不同流量下的压降(或流阻)。
15.进一步地，被测水冷板和冷却液回路之间通过快速接头连接，冷却液回路中设置有水泵，且快速接头处设置有温度传感器和流量计，通过控制电子膨胀阀开度，结合快速接头处的温度传感器及流量计，能调节对水冷板进水口的温度，再结合冷却回路中的水泵控制流量，则该试验台能用于测定在不同温度及不同流量下的压降或流阻。
16.进一步地，冷却液回路中的三通阀能实现低温散热器冷却及直接冷却水冷却的切换，能用于测定在不同流量下的压降或流阻，由于测试台开放性，所述测试台也能用于研究电池热管理采用空冷/水冷混合冷却系统的控制方法。
17.进一步地，数据采集及控制系统采用数据采集卡及运动控制卡，结合上位机labview软件对传感器数据进行采集和实现对热泵系统、低温散热器冷却系统中的相关器件控制。所述相关器件包括风扇、压缩机、三通阀、四通阀、水泵、温度传感器、加热元件、电子膨胀阀。数据采集包括风扇及压缩机功率、转速，冷却液回路上的温度传感器、流量计、压力传感器。
18.进一步地，水冷板测试台架还包括温度测量点位布置板、加热点位布置板和用于增强导热效果的导热垫，温度测量点位布置板上设置至少一个第二温度传感器，加热点位布置板上设置至少一个加热元件。
19.采用温度传感器、加热元件，温度传感器能采集水冷板上各个测量点位的温度变化曲线，加热元件能模拟电池产热。结合热泵空调系统、低温散热器冷却系统、数据采集及控制系统完成水冷板加热温度均匀性及散热性能实验。
20.一种电动汽车水冷板性能测试数据处理方法，采用前述测试台，所述方法包括对不同冷却液流量的流阻测试和水冷板温度均匀性测试，其中，对于不同冷却液流量的流阻测试，采用水冷板进、出水口出的流量计及压力传感器，待冷却液进、出口流量稳定时(允许误差带范围内)，采集对应的冷却液流量及进、出口压力，通过计算其两个差值可以得到当前对应流量下的压降，进而能够绘制该型水冷板在不同冷却液流量下的流阻变化曲线。其压降计算如下：
21.δp＝p
out-p
in
22.其中p
out
为水冷板出口处的冷却液压力，p
in
为水冷板出口处的冷却液压力；
23.对于水冷板温度均匀性测试，包括水冷板被加热与冷却散热两种情况下的温度均匀性：
24.1)被加热时，通过在水冷板表面均匀布置一定数量的第二温度传感器，采集各个
点位的温度变化速率及采用方差(标准差)进行评价。水冷板表面平均温度t
avg
、表面温差δt及表面标准差σ
t
计算如下：
[0025][0026]
其中ti为第i个温度传感器测得的温度，i＝1,2,
…
n，t
max
，t
min
为这n个温度传感器测得的温度中最大值与最小值。
[0027]
2)冷却散热时，除了采用被加热时的类似评价方法外，还需根据水冷板进、出口处冷却液是温度计算水冷板的散热量(散热量q):
[0028][0029]
其中c为冷却液的比热容，m为冷却液在水冷板中的质量，为水冷板出口处的冷却液温度，为水冷板出口处的冷却液温度。
[0030]
进一步地，对于水冷板被加热时的温度均匀性，可以将各个测量点的稳态温度坐标化，通过差值拟合推算整个水冷板的温度分布云图，更能直观显示水冷板的温度均匀性。
[0031]
水冷板性能测试台及数据处理方法是一种开放性系统，灵活性高，其也能研究电动汽车电池热管理系统控制方法。如研究电池热管理采用空冷/水冷混合冷却系统的控制方法，按功能需求灵活布置各回路中的传感器数量及种类。通过数据采集卡及运动控制卡，结合上位机labview软件进行对电动汽车电池热管理系统控制方法进行研究。
[0032]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0033]
1)本发明提供的测试台属于国内相关领域自主研发的测试试验台，可以在较低的成本下进行水冷板性能测试，节省电池整包的测试时间，提高测试效率。
[0034]
2)本测试台能模拟真实电动汽车上水冷板的性能。由于试验台尽可能地接近真实电动汽车的实际情况，其也能在该试验台系统的基础上，研究电动汽车电池热管理控制方法，能够进一步缩短整车电池热管理控制方法的开发时间。
[0035]
3)整套实验装置可以采用真实汽车零部件搭建，模拟水冷板在电动汽车上的实际工况，测试结果有较高的精度。
[0036]
4)采用数据采集卡及运动控制卡，结合上位机labview软件对传感器数据进行采集和对实验台中的相关器件控制，整个试验台灵活、低成本。
[0037]
5)水冷板性能测试台及数据处理方法是一种开放型系统，灵活性高，其也能用于研究电动汽车电池热管理系统控制方法，如研究电池热管理采用空冷/水冷混合冷却系统的控制方法，按功能需求灵活布置各回路中的传感器数量及种类，节省控制方法的开发实验成本。通过数据采集卡及运动控制卡，结合上位机labview软件可进行对电动汽车电池热管理系统控制方法进行研究。
附图说明
[0038]
图1是本发明实施例提供的水冷板性能测试台及数据处理方法整体架构图。
[0039]
图2是本发明实施例提供的水冷板性能测试台及数据处理方法原理图。
[0040]
图3是本发明实施例提供的水冷板接头与快速接头连接结构剖视图。
[0041]
图4是本发明实施例提供的水冷板测试台架的整体结构简图。
[0042]
图5是本发明实施例提供的水冷板加热分布均匀性实验原理图。
[0043]
图6是本发明实施例提供的水冷板测试台架中温度测量点位一种分布图。
[0044]
图7是本发明实施例提供在空调制冷下的水冷板散热性能实验原理图。
[0045]
图8是本发明实施例提供的水冷板ptc加热器加热点位的一种分布图。
[0046]
图9是本发明实施例提供的水冷板低温散热器冷却性能实验原理图。
[0047]
图10是本发明实施例在环境温度-30℃下，水冷板实测点通过插值拟合的温度等高线云图。
[0048]
图11是本发明实施例在环境温度-30℃下，水冷板采用计算流体力学方法仿真的温度等高线云图。
具体实施方式
[0049]
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
[0050]
如图1所示，本发明提供的一种电动汽车水冷板性能测试台，包括冷却液回路及制冷剂回路两条回路，包括热泵空调系统、低温散热器冷却系统、数据采集及控制系统、水冷板测试台架。热泵空调系统为制冷剂回路，低温散热器冷却系统耦合到冷却液回路，冷却液回路通过快速接头与水冷板测试台架连接，数据采集及控制系统采集及控制热泵空调系统、低温散热器冷却系统、水冷板测试台架的相关器件。
[0051]
如图2所示，热泵空调系统的制冷剂回路与冷却液回路通过板式换热器102连接实现热交换，低温散热器冷却系统通过三通阀107耦合在冷却液回路中，冷却液回路与水冷板测试台架116则通过快速接头进行连接。采用热泵空调系统产生冷水和热水作为水冷板测试台架116的输入的冷热可控冷却液源。
[0052]
如图2所示，热泵空调系统包括压缩机101、冷凝/蒸发散热器103、四通阀104、电子膨胀阀105、板式换热器102及储液干燥罐等(未示出)，形成的制冷剂回路。冷凝/蒸发散热器103与一电动风扇相对设置。该系统通过四通阀104实现制热与制冷的切换，调节电子膨胀阀105开度可以调节制冷量或制热量，制冷剂回路通过板式换热器102与冷却液回路进行热交换，从而为水冷板测试台架116提供冷热可控的冷却液源，实现水冷板散热性能测试及加热温度分布均匀性测试。
[0053]
如图2所示，水冷板的散热性能测试包括：测定在不同流量不同温度下的压降(即：流阻与流量的积)，及测试水冷板的散热与加热能力。
[0054]
1)在测定压差(流阻)时，通过设置在水冷板进水口、出水口处的流量计及压力传感器，采集水冷板进水口、出水口流量稳定时(允许误差带范围内)对应的冷却液流量及进水口、出水口压力，通过计算其两个差值可以得到当前对应流量下的压降，进而能够绘制该型水冷板在不同冷却液流量下的流阻变化曲线。其压降计算如下：
[0055]
δp＝p
out-p
in
[0056]
其中p
out
为水冷板出水口处的冷却液压力，p
in
为水冷板进水口处的冷却液压力。
[0057]
2)在测定水冷板的散热性能时，通过水冷板进水口、出水口处冷却液的温度计算
水冷板的散热量：
[0058][0059]
其中，q为散热量，c为冷却液的比热容，m为冷却液在水冷板中的质量，为水冷板进水口处的冷却液温度，为水冷板出水口处的冷却液温度。对于其温度均匀性，可以通过在水冷板表面均匀布置一定数量的第二温度传感器130，采集各个点位的温度变化速率及采用方差(标准差)进行评价。水冷板表面平均温度t
avg
、表面温差δt及表面标准差σ
t
计算如下：
[0060][0061]
其中，ti为第i个第二温度传感器测得的温度，i＝1,2,
…
n，n为设置的第二温度传感器的总数值，t
max
，t
min
为这n个第二温度传感器测得的温度中最大值与最小值。
[0062]
如图2所示，低温散热器冷却系统包括电动风扇110、水冷散热器106、三通阀107、储液罐108，形成的冷却液回路，回路中通过三通阀107实现低温散热器冷却及直接水冷却的切换。电动风扇110与水冷散热器106相对设置。冷却液回路与水冷板测试台架116之间则通过快速接头119进行连接，或者使用同尺寸软管与固定卡扣之间相互配合形成的接头形式，使用的接头形式不限于以上形式。
[0063]
如图3所示，本发明所述的一种水冷板连接头117与快速接头119之间的连接，水冷板连接头117包括水冷板的进水口125与出水口126，或分别采用一段压力管实现连接头117与水冷板的进水口与出水口连接，不限于图中所示的同类型进、出水口。
[0064]
在本发明的其中一些实施例中，如图3所示，水冷板连接头117接口处有与快速接头119连接的凹槽118，快速接头119包括自锁弹簧123、锁套120、滚珠121、卡簧122、及位于接头接口处的密封圈(未示出)，此处所述的快速接头不限于其他接头形式，只需满足一定的压力及快速连接即可。
[0065]
如图1和图2所示，本发明所述的一种数据采集及控制系统，采用数据采集卡及运动控制卡，结合上位机labview软件，对传感器数据进行采集和实现对热泵空调系统、低温散热器冷却系统等的相关器件控制，相关器件包括风扇110、压缩机101、三通阀107、四通阀104、水泵109、第一温度传感器113、加热元件、电子膨胀阀105。数据采集的信息包括风扇110及压缩机101的功率、转速，冷却液回路上的第一温度传感器113、流量计114、压力传感器115的温度信息、流量信息和压力信息，不限于如图2所示标记的传感器位置，可以灵活对传感器进行布置。在本发明的其中一些实施例中，加热元件采用ptc加热器112。可以理解的是，在其他实施例中，可以采用气体加热元件。
[0066]
如图4所示，本发明所述的水冷板测试台架116包括被测水冷板111、温度测量点位布置板128、加热点位布置板129、进水口125、出水口126，上下包裹的保温层127及导热垫未示出)。进水口125和出水口126设置在被测水冷板111上，导热垫设置在加热点位布置板129和被测水冷板111之间，用于增强加热点位布置板129与水冷板111之间的导热效果。整体水冷板测试台架116用夹紧装置(未示出)固定水冷板111、温度测量点位布置板128、加热点位布置板129、上下包裹的保温层127及导热垫，不限于使用螺栓夹紧等。温度测量点位布置板
128上设置有至少一个第二温度传感器130，加热点位布置板129上设置有至少一个ptc加热器112，温度测量点位布置板128、加热点位布置板129灵活布置，具体以实验项目需求布置。
[0067]
如图5和图6所示，水冷板加热分布均匀性实验，热泵空调系统工作为热泵形式，热泵空调系统通过板式换热器102与水冷板测试台架116实现热量交换，即板式换热器102充当冷凝散热器作用，则冷凝/蒸发散热器103充当蒸发散热器作用。从压缩机101出来的高温高压制冷剂经过板式换热器102加热冷却回路中的冷却液，被加热的冷却液经过三通阀107后通过快速接头119对水冷板111进行加热。在本发明的其中一些实施例中，图6为第二温度传感器130在温度测量点位布置板128上分布，第二温度传感器130测量水冷板111表面的温度分布情况，即温度测量点位布置板128应放置在水冷板上方，导热垫布置于两者之间。将各个测量点的稳态温度坐标化，通过现有的插值拟合方法推算整个水冷板的温度分布云图，更能直观显示水冷板的温度均匀性。其中，在其他实施例中，温度测量点位的布置及数量不限于图6所示。
[0068]
如图7和图8所示，图7是本发明实施例在环境温度-30℃下，实测点通过插值拟合的温度等高线云图，图8为水冷板采用计算流体力学方法仿真的温度等高线云图，通过仿真与实验对比，不同温度分布区域及占比两者具有较好的一致性。
[0069]
如图9和图10所示，空调制冷下的水冷板散热性能实验，热泵空调系统通过板式换热器102与水冷板测试台架116实现热量交换，即板式换热器102充当蒸发散热器作用，则冷凝/蒸发散热器103充当冷凝散热器作用。从膨胀阀105出来的低温低压制冷剂经过板式换热器102蒸发作用，吸收冷却回路中冷却液的热量从而被制冷，被制冷的冷却液经过三通阀107后通过快速接头119对水冷板111进行冷却，水冷板111上则设置ptc加热器112模拟电池发热，在本发明的其中一些实施例中，ptc加热器112加热点位的布置可以按电池排布布置，点位的布置不限于图10所示。加热点位布置板129被放置在水冷板111上方，两者之间布置有导热垫，而温度测量点位布置板128根据测量要求，可以放置在加热点位布置板129上方模拟测量电池上表面温度，也可以布置在导热垫上方，即加热点位布置板129下方模拟测量电池底部温度。
[0070]
如图10和图11所示，水冷板低温散热器冷却性能实验，通过风扇110结合水冷散热器106对水冷板111进行散热测试，结合布置在快速接头处的压力传感器115、流量计114等，能测定在不同流量下的压降(或流阻)。通过水泵109调节水冷板111进水口的流量，或者在水泵管路中布置节流阀控制流量，待流量较为稳定时再进行压降计算。通过电子膨胀阀105开度结合快速接头119处设置的温度传感器，实现水冷板111进水口的温度调节，测定在不同温度下的压降(或流阻)。
[0071]
如图2、图6和图10所示，由于一种开放性系统，灵活性高，其也能研究电动汽车电池热管理系统控制方法。如研究电池热管理采用空冷/水冷混合冷却系统的控制方法，其中传感器的布置不限于图2所示，按功能需求可以灵活布置各回路中的传感器数量及种类。通过数据采集卡及运动控制卡，结合上位机labview软件进行对电动汽车电池热管理系统控制方法进行研究。
[0072]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。