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技研|电动汽车集成热管理研究

2021-06-07 09:04:11




电动汽车中的热管理主要分为电动系统热管理和空调系统热管理,其中电动系统热管理又可分为电机系统热管理和电池系统热管理。这三大系统是电动汽车所产生热量的主要来源。

在以往的电动汽车中,三大系统的热管理通常是各自独立的,缺乏对整车热量的统一管理,热管理效率较低。而在新一代的电动汽车中,在设计之初便针对整车热量进行集成式管理,对三大系统产生的热量进行统一的管理,从而大幅提高车辆整车的热管理效率,以减少温度对电动汽车性能的影响。

1. 电动汽车热力源

电动汽车在行驶工作时,其内部会产生大量的热量,而热管理系统便是负责汽车内部热量的产生和传输等问题,将车内热量控制在合适的范围内,防止高温引起汽车故障。目前电动汽车内产生热量的热源主要有三个,分别是汽车的电机驱动系统、动力电池系统,以及车载空调系统的冷热负荷。

电动汽车的电机驱动系统是将电池中的电能转化为机械能,从而为汽车提供行驶的动力。在电机的工作过程中,一些能量会以热能的形式损耗,如铁芯损耗、绕组损耗以及机械损耗。动力电池系统为汽车提供电能时,由于持续的放电,电池组会释放一些热量,热量持续聚集便引起电池组的温度 升高。电动汽车空调系统冷热负荷的产生来源有很多,如汽 车内部人员散发的热量,外界环境通过车身结构导入车厢的 热量,电机系统和动力电池系统导入车厢内部的热量,以及通过汽车通风系统进入车厢的热量等等。在研究电动汽车热 管理系统时,必须重点考虑汽车内部的热量来源和汽车内部 热量的总量,才能采取针对性的热量管理。

2. 电动汽车中的热管理

电动汽车在设计时便针对主要的热量来源都进行了相应的热管理。但是,为了进一步提升电动汽车的各项性能参数,原有的各种独立式的热管理系统和方法已经难以适应新的设计要求。因此,需要对电动汽车各个独立的热管理系统进行科学的耦合,从而实现电动汽车热管理的集成化。

2.1 动力电池的热管理

动力电池的热管理主要负责对高温状态的电池组进行冷却,或者对低温的电池组进行加热。传统的电池热管理系统主要依靠空气或液体介质进行冷却、加温。但是,采用空气介质的热管理系统传热性能较差,以无法适应目前密集排列式的电池组的散热加热需求,而液体介质的热管理系统则过于复杂,即会增加额外的质量,还存在液体泄漏的风险。因此,液体介质的电池热管理系统同样不适用于当前电动汽车的电池热管理。

目前电动汽车的电池热管理系统主要采用复合式的热管理方式,即由多种导热材料共同作为介质,如多空介质、相变材料、纳米材料、金属翅片等多种导热材料配合空气介质或液体介质。此外,由热管构成的高效传热元件配合空气、 液体、相变材料而组成的复合式热管理系统也是当电池热管理领域中的研究重点。

2.2 乘员舱的热管理

电动汽车空调系统主要负责汽车乘员舱的热管理,从而为司乘人员提供舒适的驾驶乘坐环境,进而保障驾驶员的安全驾驶。

当前电动汽车主要采用的空调系统为压缩式单冷空调和电加热器的组合,这种空调系统技术成熟,与燃油车差别不大。但是电加热器会使用动力电池中的电能,从而造成动力电池的额外能源输出,降低电动汽车的续航里程。因此,目前电动汽车空调系统的研究热点便是热泵型空调系统对传统空调系统加热设备的取代问题。同时,热泵型空调系统也需要克服冬季热泵效率降低和结霜等实际问题。为此,人们开始集中研究辅助加热技术和余热回收技术,以提高热泵空调系统在寒冷环境下的工作效率。此外,含氟氯烃类制冷剂已经逐渐退出电动汽车空调系统制冷剂的应用范围,以进一步提升新型电动汽车的环保效果。

3. 电动汽车的集成式热管理

电动汽车的设计需要考虑整车质量和电池组的质量、密度等问题。在电池组数量固定的情况下,为了提升汽车动力性能和安全性能,同时还要将各种辅助系统的能耗降到最低,这就需要车辆电池组的工作环境保持良好的状态。由于温度对电池的影响最大,所以电动汽车的热管理系统要保证电池组的工作温度处于适宜范围内。为此,相互独立的汽车热管理系统要相互协调配合。因而集成式的电动汽车热管理系统便应运而生。

以往电动车的热管理系统都是各自独立的,不同的热管理系统在热管理效果,运行稳定性,系统成本等方面有着各自的优势。所以,在对各种热管理系统进行集成时,要根据车辆的实际设计需求,对热管理系统的耦合方式进行选择,从而发挥出集成热管理系统的优势。 

此外,电机余热可以通过集成热管理系统进行回收再利用,可以在冬季寒冷环境下为电动汽车提供一个良好的热源。对电机余热的再利用通常是将电机液冷回路与热交换器进行并联连接,同时将热交换器与热泵空调系统的蒸发器并联,从而将电机余热回收,进一步降低电机工作时的温度,并为空调系统提供热源。

目前,一种名为EVTMS的电动汽车集成热管理系统便实现了对车内热舒适、动力电池组的冷却、驱动电机余热的回收等功能的统一管理。该系统将热泵空调的技术优势充分发挥出来,利用热泵系统的两个换热器与热交换器支路分别并联,从而通过开闭不同热管理循环支路中的电磁阀,控制与热泵技术的耦合。通过大量的实验测试数据表明,使用该系统的电动汽车的行驶里程得到了增加,比使用PTC加热器的电动汽车要多出30%左右。

根据相关专家对采用热泵技术的电动汽车的研究检测,热泵系统比PTC加热器的能耗低,在车辆制热工作时,热泵系统可节约16%左右的电能消耗,并提高车辆18%左右的续航里程。因此,热泵技术成为了目前研究电动汽车集成热管理的重要技术。

4. 集成热管理系统的控制研究

电动汽车集成热管理系统是对多个不同热管理子系统的耦合,因此需要确保其控制策略的专业性和科学性,才能将集成热管理系统的性能完全发挥出来。在研究集成热管理的控制系统时,出于对集成热管理复杂性的考虑,通常要建立相应的仿真系统,在此基础上对集成热管理系统的控制方式做进一步的优化。相关学者通常会采用一维或三维系统仿真模型对集成热管理的控制进行模拟,并通过台架测试以验证仿真模型的科学性。通过仿真模型的研究表明,一维模型可以对集成热管理系统的进行整体性优化。但是集成热管理的核心部件无法通过一维模型进行优化研究,还需要使用三维模型对核心部件的外形尺寸及安装位置进行针对性的优化研究。

来源:张兴瑞,范武,杨贵林,吕建平,张大卫/吉利汽车研究院(宁波)有限公司