基于模糊层次分析法的纯电动汽车冷却系统的研究＊

陈一帆 龙泽链 林明松

（广西交通职业技术学院，南宁 530004）

主题词：纯电动汽车 高压电池 冷却系统 模糊层次法

0 引言

随着近年来新能源汽车快速发展，我国纯电动汽车的保有量迅速增加，而纯电动汽车所存在的问题也逐年显现，特别是高压电池自燃和冬夏两季续驶里程剧降等问题，严重影响消费者对新能源汽车的看法。以纯电动汽车为例，从消费者的角度来说，汽车的使用寿命、能耗和安全性是纯电动汽车拥有者最关心的问题，而高压电池的使用寿命是当前限制其发展的主要问题之一。从冷却系统的角度来说，纯电动汽车的高压电池主要有水冷型、风冷型、相变材料和多种冷却方式混合的混合型冷却系统。这些冷却系统的温度控制能力、系统价格、系统质量、能耗、安全性能等方面各有优劣势。从汽车厂商和消费者的角度来说，最佳的设计和系统选择分别成为当前纯电动汽车的设计、制造和购买的重要依据[1]。

由于汽车工作环境恶劣多变，解决高压电池的使用寿命问题、能耗问题和安全问题的主要办法除了开发高性能材料外，最重要的是开发高性能的冷却系统，保证高压电池工作环境的稳定性和适宜性。防止因为恶劣的工作环境导致电池组早衰、能耗增大、内阻增大随之导致高压电池充放电性能下降和电池过热甚至高压电池自燃等问题。因此，设计一款高效安全、廉价易保养的纯电动汽车高压电池冷却系统显得尤为重要[1-2]。

通过引入数学分析方法：模糊层次法，从温度控制能力、系统价格、系统质量、能耗、安全性能等方面对纯电动汽车的冷却系统进行分析，然后设计了一款全新的新能源汽车冷却系统，并通过试验验证。该研究将现代的数理方法，应用于高压电池冷却系统的优选设计，为汽车结构设计选型提供了新的思路。

1 纯电动汽车高压电池冷却系统的工作机理

纯电动汽车的高压电池冷却系统的主要作用是保证高压电池系统温度在适宜的范围内工作，防止高压电池系统由于温度过高出现效能降低、使用寿命下降或者起火的危险，或者出现因温度过低导致充放电效能下降、锂离子穿刺短路等危险。通常高压电池的最佳温度在10 ℃～30 ℃之间。而从外在的使用环境温度来看，环境温度主要影响高压电池的内阻、电容量、电池正负极和隔膜材料反应等。电池内阻的变化直接影响高压电池的自放热量，高压电池的内阻变化主要受电池的工作温度和电池荷电状态（SOC）等方面的影响，通常高压电池内阻会随着环境温度的增大而降低，随着电池荷电状态值降低而增大。高压电池的电容量则是直接影响纯电动汽车续驶里程和使用寿命的重要参数。而电容量也受到环境温度的影响，通常随着温度越高，高压电池的电容量越大。过低的工作环境温度，会导致高压电池电容剧减，从而导致续驶里程剧降，长期在低温环境下工作甚至会导致高压电池循环使用寿命剧降。此外过低的环境温度还会导致高压锂电池内部出现内部锂穿刺甚至出现短路自燃等危险。过高的环境温度同样会严重影响高压电池的使用性能和安全性能，如使用寿命下降、温度失控、自燃的危害[1-4]。

纯电动汽车高压电池冷却系统的设计需要考虑高压电池在低温环境下的加热、高温环境下的放热和高压电池系统工作过程中的产热之间的平衡，保证高压电池一直在最佳工作温度下工作。为此首先需要了解环境温度的变化和高压电池工作过程的产热。从环境温度的角度来说，本文选取了我国东部的上海、西部的乌鲁木齐、南部的广州、北部的哈尔滨和中部的武汉5个城市为例进行分析。图1为我国部分主要城市的主要环境的温度特点。由图1可以看出，所选的5个城市各地温度特点区别较大，夏季最高温度通常在30 ℃左右，冬季最低可以达到近-30 ℃。而纯电动汽车的高压电池无论是镍氢电池还是锂电池，通常最佳温度在10 ℃～30 ℃以内。因此，在夏天气温炎热时，纯电动汽车高压电池的热管理方法主要考虑将电池及其控制系统所产生的内热传递出去，而冬天主要关注高压电池的保温和加热的功能。

图1 我国部分城市的环境的最高/最低温度

2 纯电动汽车高压电池冷却系统的种类及特性分析

2.1 纯电动汽车高压电池冷却系统的种类特点

纯电动汽车的高压电池冷却系统按照结构可以分为自然控制和内风道强制控制2种形式。按照传热介质的不同主要可以分为：风冷热型高压电池冷却系统、液冷热型高压电池冷却系统、相变材料型高压电池冷却系统和混合型高压电池冷却系统。为了提高高压电池冷却系统的工作效能，帅令、李甜甜、李仁政和吕山等人针对各种类型的冷却系统进行了针对性的研究和优化分析[5-8]。

风冷热型高压电池液冷热型管理系统主要通过风机将冷却后的空气送入电池箱内部风道，将热量带走，以此达到散热目的，部分车型还采用电池外部自然流动空气以实现冷却的目的。风冷热型高压电池冷却系统的结构主要由风道、加热器、控制电路组成，在结构、质量、成本低、维护保养、有害气体带出方面具有较大的优势，其劣势主要存在于在温度控制均衡能力、可靠性方面[5-8]。

液冷热型高压电池冷却系统主要通过制冷剂流过电池箱内部的换热管吸收或者释放热量，实现对高压电池系统的温度控制目的。液冷热型高压电池冷却系统主要由制冷剂、冷却管路、压缩机、膨胀阀、干燥器部分组成。液冷型电池冷却系统相对于风冷热型高压电池冷却系统的主要优势在于冷却效率高、控制精度高、环境适应能力强、结构紧凑、温度控制均衡能力强，劣势主要在于成本较高、机构相对复杂、质量大、维护保养成本高、维修困难方面[5-8]。

相变材料高压电池冷却系统主要是通过在电池组箱体中填充大量相变材料，将各电池单体均匀包裹，通过相变材料在相变过程中吸收、释放热量，保证高压电池的温度的稳定性[5-8]。

而混合型高压电池冷却系统通常是由液冷热型、风冷热型或者相变材料型高压电池冷却系统的2种组合而成，结合了2种冷却系统的优势，相互补充，因此管理效果最好，但是存在系统结构复杂、造价较高、维护困难缺点[5-8]。

2.2 纯电动汽车高压电池冷却系统的特性分析

从用户、企业等角度来说，纯电动汽车的高压电池冷却系统主要目的在于简单且持久、安全、高效、稳定地保持纯电动汽车的高压电池工作温度的稳定性同时兼顾价格、保养方面的性能。因此，评价纯电动汽车高压电池冷却系统的主要标准为管理系统的冷却能力、加热能力、温度均衡能力、系统质量、系统体积、系统造价、能量消耗、安全可靠性能、维护保养的便捷性。

基于当前的技术条件，冷却和加热能力效果最佳的为混合型冷却系统，其次是液冷热型，相变型最差。而从温度均衡能力的角度来说混合型、相变型冷却系统和液冷热型效果要优于风冷热型。从系统质量的角度来说，风冷热型和相变型冷却系统最优，混合型最差。从体积的方面来说相变型冷却系统最佳，混合型和风冷型最差。从系统造价的角度来说，风冷热型冷却系统和相变型造价最低、混合型型造价最高。从能耗的角度来说，相变型冷却系统最佳其次是风冷热型，液冷热型最差。从安全可靠性能的角度来说，由于当前相变型冷却系统采用的相变材料通常有石蜡、溶胶等物质，具有一定的可燃性且可持续性差，因此安全性最差，其次是风冷热型和混合型，最好的是液冷热型冷却系统。而从维护保养的角度来说，风冷型维护保养最为方便，混合型维护保养成本最高[5-10]。

3 基于模糊层次分析法的高压电池冷却系统的优化分析

从当前的技术条件和应用等角度来说风冷热型、液冷热型、相变材料型和混合型高压电池冷却系统各有优劣势，而选取合适的高压电池冷却系统对于消费者、企业都有非常重要的意义。因此，高压电池冷却系统方法设计的优选，有着非常重要的意义，为此，本文应用了一种现代数理分析方法“模糊层次分析法”，对高压电池冷却系统进行分析。

模糊层次分析法是一种数理优选方法，广泛应用于复杂系统的优选过程。通过模糊层次分析法，可以高效地从多个角度针对高压电池冷却系统的多种方案中优选出综合性能最佳的电池冷却系统设计方案。通过模糊层次法对电池冷却系统的方案进行优选，主要分为6步完成[11]。

第1 步：确定优选过程的评价因素和评价因子。若要实现对各种类的电池冷却系统进行优劣分析，首先需要确定影响电池冷却系统的因数，而评价的标准则在于评价因子的确定。论文主要针对电池冷却系统的冷却能力和加热能力等9个因素进行分析，而对每一个因素的特点进行对比时，分为优、良、差3种评价，评价因子分别赋值为9、7和3[11]。

第2 步：确定评价的权值。模糊层次法进行优选分析的时候，是基于需要对每一种类型的电池冷却系统进行权值确定，也就是在横向对比的基础上进行综合测评[11]。因此，在评价因数和评价因子确定后，需要对每一种电池冷却系统的每一个评价因素按权值进行确定。

第3 步：基于模糊集合变换的原理，同时根据评价因素和因子构建模糊矩阵。用模糊判断矩阵的形式来表达结构模型中各层中的每一个因素，以及在上一层中各个因素的重要程度。矩阵中各元素按照下述方法确定：前一个对比因素优于后一个对比因素，元素取值为1；前后对比因素优劣相同，元素取值为0.5；前一个对比因素劣于后一个对比因素，元素取值为0[11]。

第4步：利用多层的复合矩阵运算，计算评价对象的等级，最终实现优选目的。将第3步中的模糊矩阵转化为模糊一致矩阵。首先对模糊矩阵F=（fij）n×n按行求和，记为同时，由数学变换建立模糊一致矩阵。

第5 步：确定纯电动汽车高压电池冷却系统选择的层次单排序，得出各指标的权重，权重的计算公式为：

式中m为矩阵的阶数。

第6 步：确定纯电动汽车高压电池冷却系统选择的总排序，选择出最佳设计方案。

3.1 高压电池冷却系统的定量分析

基于模糊层次分析方法对纯电动汽车高压电池冷却系统进行优选设计，其基本步骤如下。

第1 步：确认纯电动汽车高压电池冷却系统优选过程所考察的冷却能力、加热能力、温度均衡能力、特征性能、系统质量、系统体积、系统造价、能耗、安全性能、维护保养性能情况，对热管理的定性问题进行定量化处理；

第2步：其中优秀—9分，良—7分，差—3分；

第3 步：根据各种纯电动汽车高压电池冷却系统的特征以及纯电动汽车对于高压电池冷却系统的要求，对各种热管理形式的定性问题进行定量化处理，结果如表1所示[5-13]。

表1 各种纯电动汽车对于高压电池冷却系统的部分指标特点

3.2 纯电动汽车高压电池冷却系统的模糊层次结构模型建立

对纯电动汽车高压电池冷却系统的优选建立模糊层次结构，并利用模糊层次分析法，基于所考查的9个特征，针对4种方法进行优选，建立的模糊层次模型由图2所示。

图2 模糊层次模型

3.3 纯电动汽车高压电池冷却系统的模糊判断矩阵建立

根据模糊层次法的原则以及纯电动汽车高压电池冷却系统的特点，评价电池冷却系统的指标性能的重要性依次为安全性能＞冷却能力＞加热能力＞系统造价＞维护保养性能＞温度均衡能力＞能量消耗＞系统质量＞系统体积，并建立模糊判断矩阵F。

再由表1各种纯电动汽车对于高压电池冷却系统的部分指标特点，建立准则层到方案层的模糊矩阵F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8和F9为式（1）～式（9）。

3.4 纯电动汽车高压电池冷却系统的优选建立模糊一致矩阵

将模糊矩阵F转化为模糊一致矩阵R：

将模糊矩阵式（1）～式（9）转化为模糊一致矩阵（10）～式（18）。

3.5 建立纯电动汽车高压电池冷却系统的优选的层次单排序

计算得R的权重矩阵W(19)和矩阵（10）～式（18）的权重矩阵（20）～（28）。

3.6 建立纯电动汽车高压电池冷却系统的优选的层次总排序

为了对纯电动汽车高压电池冷却系统的优选进行综合评价，建立层次总排序(29)。

最后根据计算结果显示，综合考虑冷却能力、加热能力、安全性能和经济性能方面的因素，在当前条件下，纯电动汽车的冷却系统以混合型冷却系统最佳，然后依次是相变型液冷型和风冷型冷却系统。

4 总结

首先通过研究发现当前纯电动汽车的高压电池事故已经成为了当前影响纯电动汽车的发展的主要影响因素之一。为了提升纯电动汽车的市场接受度、为纯电动汽车冷却系统的设计提供思路，从纯电动汽车的使用环境和高压电池的热特性角度出发，分析了当前主要的纯电动汽车的冷却系统的种类、特点、使用特性和环境特性。通过使用模糊层次法，从冷却能力、加热能力、温度均衡能力、特征性能、系统质量、系统体积、系统造价、能耗、安全性能、维护保养性能角度对当前的纯电动汽车的高压电池冷却系统进行了优化分析。发现纯电动汽车的冷却系统的选择，以混合型冷却系统效果最佳，然后依次是相变型、液冷型和风冷型冷却系统。