基于模糊層次分析法的純電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的研究＊

陳一帆 龍澤鏈 林明松

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530004）

主題詞：純電動(dòng)汽車 高壓電池 冷卻系統(tǒng) 模糊層次法

0 引言

隨著近年來(lái)新能源汽車快速發(fā)展，我國(guó)純電動(dòng)汽車的保有量迅速增加，而純電動(dòng)汽車所存在的問(wèn)題也逐年顯現(xiàn)，特別是高壓電池自燃和冬夏兩季續(xù)駛里程劇降等問(wèn)題，嚴(yán)重影響消費(fèi)者對(duì)新能源汽車的看法。以純電動(dòng)汽車為例，從消費(fèi)者的角度來(lái)說(shuō)，汽車的使用壽命、能耗和安全性是純電動(dòng)汽車擁有者最關(guān)心的問(wèn)題，而高壓電池的使用壽命是當(dāng)前限制其發(fā)展的主要問(wèn)題之一。從冷卻系統(tǒng)的角度來(lái)說(shuō)，純電動(dòng)汽車的高壓電池主要有水冷型、風(fēng)冷型、相變材料和多種冷卻方式混合的混合型冷卻系統(tǒng)。這些冷卻系統(tǒng)的溫度控制能力、系統(tǒng)價(jià)格、系統(tǒng)質(zhì)量、能耗、安全性能等方面各有優(yōu)劣勢(shì)。從汽車廠商和消費(fèi)者的角度來(lái)說(shuō)，最佳的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)選擇分別成為當(dāng)前純電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)、制造和購(gòu)買(mǎi)的重要依據(jù)[1]。

由于汽車工作環(huán)境惡劣多變，解決高壓電池的使用壽命問(wèn)題、能耗問(wèn)題和安全問(wèn)題的主要辦法除了開(kāi)發(fā)高性能材料外，最重要的是開(kāi)發(fā)高性能的冷卻系統(tǒng)，保證高壓電池工作環(huán)境的穩(wěn)定性和適宜性。防止因?yàn)閻毫拥墓ぷ鳝h(huán)境導(dǎo)致電池組早衰、能耗增大、內(nèi)阻增大隨之導(dǎo)致高壓電池充放電性能下降和電池過(guò)熱甚至高壓電池自燃等問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)一款高效安全、廉價(jià)易保養(yǎng)的純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)顯得尤為重要[1-2]。

通過(guò)引入數(shù)學(xué)分析方法：模糊層次法，從溫度控制能力、系統(tǒng)價(jià)格、系統(tǒng)質(zhì)量、能耗、安全性能等方面對(duì)純電動(dòng)汽車的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析，然后設(shè)計(jì)了一款全新的新能源汽車?yán)鋮s系統(tǒng)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。該研究將現(xiàn)代的數(shù)理方法，應(yīng)用于高壓電池冷卻系統(tǒng)的優(yōu)選設(shè)計(jì)，為汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型提供了新的思路。

1 純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的工作機(jī)理

純電動(dòng)汽車的高壓電池冷卻系統(tǒng)的主要作用是保證高壓電池系統(tǒng)溫度在適宜的范圍內(nèi)工作，防止高壓電池系統(tǒng)由于溫度過(guò)高出現(xiàn)效能降低、使用壽命下降或者起火的危險(xiǎn)，或者出現(xiàn)因溫度過(guò)低導(dǎo)致充放電效能下降、鋰離子穿刺短路等危險(xiǎn)。通常高壓電池的最佳溫度在10 ℃～30 ℃之間。而從外在的使用環(huán)境溫度來(lái)看，環(huán)境溫度主要影響高壓電池的內(nèi)阻、電容量、電池正負(fù)極和隔膜材料反應(yīng)等。電池內(nèi)阻的變化直接影響高壓電池的自放熱量，高壓電池的內(nèi)阻變化主要受電池的工作溫度和電池荷電狀態(tài)（SOC）等方面的影響，通常高壓電池內(nèi)阻會(huì)隨著環(huán)境溫度的增大而降低，隨著電池荷電狀態(tài)值降低而增大。高壓電池的電容量則是直接影響純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程和使用壽命的重要參數(shù)。而電容量也受到環(huán)境溫度的影響，通常隨著溫度越高，高壓電池的電容量越大。過(guò)低的工作環(huán)境溫度，會(huì)導(dǎo)致高壓電池電容劇減，從而導(dǎo)致續(xù)駛里程劇降，長(zhǎng)期在低溫環(huán)境下工作甚至?xí)?dǎo)致高壓電池循環(huán)使用壽命劇降。此外過(guò)低的環(huán)境溫度還會(huì)導(dǎo)致高壓鋰電池內(nèi)部出現(xiàn)內(nèi)部鋰穿刺甚至出現(xiàn)短路自燃等危險(xiǎn)。過(guò)高的環(huán)境溫度同樣會(huì)嚴(yán)重影響高壓電池的使用性能和安全性能，如使用壽命下降、溫度失控、自燃的危害[1-4]。

純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮高壓電池在低溫環(huán)境下的加熱、高溫環(huán)境下的放熱和高壓電池系統(tǒng)工作過(guò)程中的產(chǎn)熱之間的平衡，保證高壓電池一直在最佳工作溫度下工作。為此首先需要了解環(huán)境溫度的變化和高壓電池工作過(guò)程的產(chǎn)熱。從環(huán)境溫度的角度來(lái)說(shuō)，本文選取了我國(guó)東部的上海、西部的烏魯木齊、南部的廣州、北部的哈爾濱和中部的武漢5個(gè)城市為例進(jìn)行分析。圖1為我國(guó)部分主要城市的主要環(huán)境的溫度特點(diǎn)。由圖1可以看出，所選的5個(gè)城市各地溫度特點(diǎn)區(qū)別較大，夏季最高溫度通常在30 ℃左右，冬季最低可以達(dá)到近-30 ℃。而純電動(dòng)汽車的高壓電池?zé)o論是鎳氫電池還是鋰電池，通常最佳溫度在10 ℃～30 ℃以內(nèi)。因此，在夏天氣溫炎熱時(shí)，純電動(dòng)汽車高壓電池的熱管理方法主要考慮將電池及其控制系統(tǒng)所產(chǎn)生的內(nèi)熱傳遞出去，而冬天主要關(guān)注高壓電池的保溫和加熱的功能。

圖1 我國(guó)部分城市的環(huán)境的最高/最低溫度

2 純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的種類及特性分析

2.1 純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的種類特點(diǎn)

純電動(dòng)汽車的高壓電池冷卻系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)可以分為自然控制和內(nèi)風(fēng)道強(qiáng)制控制2種形式。按照傳熱介質(zhì)的不同主要可以分為：風(fēng)冷熱型高壓電池冷卻系統(tǒng)、液冷熱型高壓電池冷卻系統(tǒng)、相變材料型高壓電池冷卻系統(tǒng)和混合型高壓電池冷卻系統(tǒng)。為了提高高壓電池冷卻系統(tǒng)的工作效能，帥令、李甜甜、李仁政和呂山等人針對(duì)各種類型的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了針對(duì)性的研究和優(yōu)化分析[5-8]。

風(fēng)冷熱型高壓電池液冷熱型管理系統(tǒng)主要通過(guò)風(fēng)機(jī)將冷卻后的空氣送入電池箱內(nèi)部風(fēng)道，將熱量帶走，以此達(dá)到散熱目的，部分車型還采用電池外部自然流動(dòng)空氣以實(shí)現(xiàn)冷卻的目的。風(fēng)冷熱型高壓電池冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要由風(fēng)道、加熱器、控制電路組成，在結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、成本低、維護(hù)保養(yǎng)、有害氣體帶出方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，其劣勢(shì)主要存在于在溫度控制均衡能力、可靠性方面[5-8]。

液冷熱型高壓電池冷卻系統(tǒng)主要通過(guò)制冷劑流過(guò)電池箱內(nèi)部的換熱管吸收或者釋放熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓電池系統(tǒng)的溫度控制目的。液冷熱型高壓電池冷卻系統(tǒng)主要由制冷劑、冷卻管路、壓縮機(jī)、膨脹閥、干燥器部分組成。液冷型電池冷卻系統(tǒng)相對(duì)于風(fēng)冷熱型高壓電池冷卻系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于冷卻效率高、控制精度高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、溫度控制均衡能力強(qiáng)，劣勢(shì)主要在于成本較高、機(jī)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、質(zhì)量大、維護(hù)保養(yǎng)成本高、維修困難方面[5-8]。

相變材料高壓電池冷卻系統(tǒng)主要是通過(guò)在電池組箱體中填充大量相變材料，將各電池單體均勻包裹，通過(guò)相變材料在相變過(guò)程中吸收、釋放熱量，保證高壓電池的溫度的穩(wěn)定性[5-8]。

而混合型高壓電池冷卻系統(tǒng)通常是由液冷熱型、風(fēng)冷熱型或者相變材料型高壓電池冷卻系統(tǒng)的2種組合而成，結(jié)合了2種冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，相互補(bǔ)充，因此管理效果最好，但是存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)較高、維護(hù)困難缺點(diǎn)[5-8]。

2.2 純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的特性分析

從用戶、企業(yè)等角度來(lái)說(shuō)，純電動(dòng)汽車的高壓電池冷卻系統(tǒng)主要目的在于簡(jiǎn)單且持久、安全、高效、穩(wěn)定地保持純電動(dòng)汽車的高壓電池工作溫度的穩(wěn)定性同時(shí)兼顧價(jià)格、保養(yǎng)方面的性能。因此，評(píng)價(jià)純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的主要標(biāo)準(zhǔn)為管理系統(tǒng)的冷卻能力、加熱能力、溫度均衡能力、系統(tǒng)質(zhì)量、系統(tǒng)體積、系統(tǒng)造價(jià)、能量消耗、安全可靠性能、維護(hù)保養(yǎng)的便捷性。

基于當(dāng)前的技術(shù)條件，冷卻和加熱能力效果最佳的為混合型冷卻系統(tǒng)，其次是液冷熱型，相變型最差。而從溫度均衡能力的角度來(lái)說(shuō)混合型、相變型冷卻系統(tǒng)和液冷熱型效果要優(yōu)于風(fēng)冷熱型。從系統(tǒng)質(zhì)量的角度來(lái)說(shuō)，風(fēng)冷熱型和相變型冷卻系統(tǒng)最優(yōu)，混合型最差。從體積的方面來(lái)說(shuō)相變型冷卻系統(tǒng)最佳，混合型和風(fēng)冷型最差。從系統(tǒng)造價(jià)的角度來(lái)說(shuō)，風(fēng)冷熱型冷卻系統(tǒng)和相變型造價(jià)最低、混合型型造價(jià)最高。從能耗的角度來(lái)說(shuō)，相變型冷卻系統(tǒng)最佳其次是風(fēng)冷熱型，液冷熱型最差。從安全可靠性能的角度來(lái)說(shuō)，由于當(dāng)前相變型冷卻系統(tǒng)采用的相變材料通常有石蠟、溶膠等物質(zhì)，具有一定的可燃性且可持續(xù)性差，因此安全性最差，其次是風(fēng)冷熱型和混合型，最好的是液冷熱型冷卻系統(tǒng)。而從維護(hù)保養(yǎng)的角度來(lái)說(shuō)，風(fēng)冷型維護(hù)保養(yǎng)最為方便，混合型維護(hù)保養(yǎng)成本最高[5-10]。

3 基于模糊層次分析法的高壓電池冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化分析

從當(dāng)前的技術(shù)條件和應(yīng)用等角度來(lái)說(shuō)風(fēng)冷熱型、液冷熱型、相變材料型和混合型高壓電池冷卻系統(tǒng)各有優(yōu)劣勢(shì)，而選取合適的高壓電池冷卻系統(tǒng)對(duì)于消費(fèi)者、企業(yè)都有非常重要的意義。因此，高壓電池冷卻系統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的優(yōu)選，有著非常重要的意義，為此，本文應(yīng)用了一種現(xiàn)代數(shù)理分析方法“模糊層次分析法”，對(duì)高壓電池冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析。

模糊層次分析法是一種數(shù)理優(yōu)選方法，廣泛應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)選過(guò)程。通過(guò)模糊層次分析法，可以高效地從多個(gè)角度針對(duì)高壓電池冷卻系統(tǒng)的多種方案中優(yōu)選出綜合性能最佳的電池冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過(guò)模糊層次法對(duì)電池冷卻系統(tǒng)的方案進(jìn)行優(yōu)選，主要分為6步完成[11]。

第1 步：確定優(yōu)選過(guò)程的評(píng)價(jià)因素和評(píng)價(jià)因子。若要實(shí)現(xiàn)對(duì)各種類的電池冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)劣分析，首先需要確定影響電池冷卻系統(tǒng)的因數(shù)，而評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)則在于評(píng)價(jià)因子的確定。論文主要針對(duì)電池冷卻系統(tǒng)的冷卻能力和加熱能力等9個(gè)因素進(jìn)行分析，而對(duì)每一個(gè)因素的特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比時(shí)，分為優(yōu)、良、差3種評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)因子分別賦值為9、7和3[11]。

第2 步：確定評(píng)價(jià)的權(quán)值。模糊層次法進(jìn)行優(yōu)選分析的時(shí)候，是基于需要對(duì)每一種類型的電池冷卻系統(tǒng)進(jìn)行權(quán)值確定，也就是在橫向?qū)Ρ鹊幕A(chǔ)上進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)[11]。因此，在評(píng)價(jià)因數(shù)和評(píng)價(jià)因子確定后，需要對(duì)每一種電池冷卻系統(tǒng)的每一個(gè)評(píng)價(jià)因素按權(quán)值進(jìn)行確定。

第3 步：基于模糊集合變換的原理，同時(shí)根據(jù)評(píng)價(jià)因素和因子構(gòu)建模糊矩陣。用模糊判斷矩陣的形式來(lái)表達(dá)結(jié)構(gòu)模型中各層中的每一個(gè)因素，以及在上一層中各個(gè)因素的重要程度。矩陣中各元素按照下述方法確定：前一個(gè)對(duì)比因素優(yōu)于后一個(gè)對(duì)比因素，元素取值為1；前后對(duì)比因素優(yōu)劣相同，元素取值為0.5；前一個(gè)對(duì)比因素劣于后一個(gè)對(duì)比因素，元素取值為0[11]。

第4步：利用多層的復(fù)合矩陣運(yùn)算，計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象的等級(jí)，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)選目的。將第3步中的模糊矩陣轉(zhuǎn)化為模糊一致矩陣。首先對(duì)模糊矩陣F=（fij）n×n按行求和，記為同時(shí)，由數(shù)學(xué)變換建立模糊一致矩陣。

第5 步：確定純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)選擇的層次單排序，得出各指標(biāo)的權(quán)重，權(quán)重的計(jì)算公式為：

式中m為矩陣的階數(shù)。

第6 步：確定純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)選擇的總排序，選擇出最佳設(shè)計(jì)方案。

3.1 高壓電池冷卻系統(tǒng)的定量分析

基于模糊層次分析方法對(duì)純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)選設(shè)計(jì)，其基本步驟如下。

第1 步：確認(rèn)純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)優(yōu)選過(guò)程所考察的冷卻能力、加熱能力、溫度均衡能力、特征性能、系統(tǒng)質(zhì)量、系統(tǒng)體積、系統(tǒng)造價(jià)、能耗、安全性能、維護(hù)保養(yǎng)性能情況，對(duì)熱管理的定性問(wèn)題進(jìn)行定量化處理；

第2步：其中優(yōu)秀—9分，良—7分，差—3分；

第3 步：根據(jù)各種純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的特征以及純電動(dòng)汽車對(duì)于高壓電池冷卻系統(tǒng)的要求，對(duì)各種熱管理形式的定性問(wèn)題進(jìn)行定量化處理，結(jié)果如表1所示[5-13]。

表1 各種純電動(dòng)汽車對(duì)于高壓電池冷卻系統(tǒng)的部分指標(biāo)特點(diǎn)

3.2 純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的模糊層次結(jié)構(gòu)模型建立

對(duì)純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的優(yōu)選建立模糊層次結(jié)構(gòu)，并利用模糊層次分析法，基于所考查的9個(gè)特征，針對(duì)4種方法進(jìn)行優(yōu)選，建立的模糊層次模型由圖2所示。

圖2 模糊層次模型

3.3 純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的模糊判斷矩陣建立

根據(jù)模糊層次法的原則以及純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)，評(píng)價(jià)電池冷卻系統(tǒng)的指標(biāo)性能的重要性依次為安全性能＞冷卻能力＞加熱能力＞系統(tǒng)造價(jià)＞維護(hù)保養(yǎng)性能＞溫度均衡能力＞能量消耗＞系統(tǒng)質(zhì)量＞系統(tǒng)體積，并建立模糊判斷矩陣F。

再由表1各種純電動(dòng)汽車對(duì)于高壓電池冷卻系統(tǒng)的部分指標(biāo)特點(diǎn)，建立準(zhǔn)則層到方案層的模糊矩陣F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8和F9為式（1）～式（9）。

3.4 純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的優(yōu)選建立模糊一致矩陣

將模糊矩陣F轉(zhuǎn)化為模糊一致矩陣R：

將模糊矩陣式（1）～式（9）轉(zhuǎn)化為模糊一致矩陣（10）～式（18）。

3.5 建立純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的優(yōu)選的層次單排序

計(jì)算得R的權(quán)重矩陣W(19)和矩陣（10）～式（18）的權(quán)重矩陣（20）～（28）。

3.6 建立純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的優(yōu)選的層次總排序

為了對(duì)純電動(dòng)汽車高壓電池冷卻系統(tǒng)的優(yōu)選進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，建立層次總排序(29)。

最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果顯示，綜合考慮冷卻能力、加熱能力、安全性能和經(jīng)濟(jì)性能方面的因素，在當(dāng)前條件下，純電動(dòng)汽車的冷卻系統(tǒng)以混合型冷卻系統(tǒng)最佳，然后依次是相變型液冷型和風(fēng)冷型冷卻系統(tǒng)。

4 總結(jié)

首先通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)前純電動(dòng)汽車的高壓電池事故已經(jīng)成為了當(dāng)前影響純電動(dòng)汽車的發(fā)展的主要影響因素之一。為了提升純電動(dòng)汽車的市場(chǎng)接受度、為純電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供思路，從純電動(dòng)汽車的使用環(huán)境和高壓電池的熱特性角度出發(fā)，分析了當(dāng)前主要的純電動(dòng)汽車的冷卻系統(tǒng)的種類、特點(diǎn)、使用特性和環(huán)境特性。通過(guò)使用模糊層次法，從冷卻能力、加熱能力、溫度均衡能力、特征性能、系統(tǒng)質(zhì)量、系統(tǒng)體積、系統(tǒng)造價(jià)、能耗、安全性能、維護(hù)保養(yǎng)性能角度對(duì)當(dāng)前的純電動(dòng)汽車的高壓電池冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化分析。發(fā)現(xiàn)純電動(dòng)汽車的冷卻系統(tǒng)的選擇，以混合型冷卻系統(tǒng)效果最佳，然后依次是相變型、液冷型和風(fēng)冷型冷卻系統(tǒng)。