純電動車熱管理系統(tǒng)構(gòu)建研究

1、純電動車熱管理系統(tǒng)構(gòu)建研究1引言一個好的熱管理系統(tǒng)是多個系濮合的復(fù)雜系統(tǒng)，是一個包含了電機(jī)/電控、電池溫控、乘員艙溫控 的整體系統(tǒng),不同工況下采用不同的熱管理模式,采用不同的控制策略。例如目前主流的電動汽車針對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)采用獨(dú)立的溫控系統(tǒng)，制冷采用電池冷卻 器 (Chiller)中冷媒與水換熱，冷水流入電池冷板給電池冷卻的方式,而電池加熱采用系統(tǒng) 中串聯(lián)的水加熱 器(WPTC)加熱系統(tǒng)循環(huán)水，再流入電池?fù)Q熱板給電池采曖。這套獨(dú)立的電池溫控系統(tǒng)存在以下2個問題。第一、在壞境溫度較低，但受工況影響電池需要進(jìn)行冷卻時，例如電池快充或車輛高負(fù) 荷工況狀 態(tài)下，仍需要啟動電動壓縮機(jī)，通過冷凝器和電池

2、冷卻器對動力電池進(jìn)行冷卻，需 要消耗更多的電能。第二、車輛在低溫剛啟動后，動力電池需要加熱保溫時，此時需要啟動電池加熱器(WPTC)進(jìn)行 電池加熱，同時電機(jī)和電控系統(tǒng)會有散熱需求，由于電機(jī)/電控系統(tǒng)和電池溫 控系統(tǒng)相互獨(dú)立，彼此能 星不能相互利用，造成能耗損失。所以為了提高能耗利用率,需要選用更加優(yōu)化的系統(tǒng)，希望通過下面的介紹，能夠在系統(tǒng)構(gòu)建，策 略制走方面提供參考，制走符合項(xiàng)目要求的最優(yōu)系統(tǒng)方案。2 EV整車熱管理介紹常見電動汽車熱管理系統(tǒng)由電機(jī)電控溫控、動力電池溫控、乘客艙溫控3部分組成。電機(jī)電控溫控由電子水泵、低溫散熱器、補(bǔ)償水壺、電控單元冷卻模塊、逆變器冷卻模塊和驅(qū)動 電機(jī)冷卻模塊組成

3、。該系統(tǒng)的溫控對象為純電動汽車的電控單元、逆變器和驅(qū)動電機(jī)。3個溫控對象的 發(fā)熱功率，較之傳統(tǒng)汽車散熱呈小，且合適的工作溫度相近，因此采用 串聯(lián)進(jìn)行連接。動力電池溫控由 電池水冷模塊、電子水泵、冷卻器、水加熱器和冷媒制冷回 路等構(gòu)成。電池溫控系統(tǒng)的作用在于維持各種工況下電池溫度在合適工作范圍內(nèi)，因?yàn)檩^低 溫度會影 響電池的放電功率安全性，較高溫康會嚴(yán)重影響電池壽命和穩(wěn)定性；不同電池式 樣都有適合的工作溫 度區(qū)間，比如鉛酸電池溫度范圍在2045 ,所以電池溫控系統(tǒng)需要 具備制冷和加熱的功能。乘客 艙溫控部分由電動壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器和空氣加熱器等組成。由于熱泵技術(shù)還多處于研發(fā)階段成 員艙溫控系

4、名赫Q傳統(tǒng)差異不大本次不作詳細(xì)討論。針對電機(jī)/電控和電池?zé)峁芾戆窗l(fā)展的趨勢分3種系統(tǒng)構(gòu)建方式，下面進(jìn)行詳細(xì)研究討論。3第I代熱管理系統(tǒng)2015年前上市的電動車由于續(xù)航里程短、電池容呈小，熱管理方面電機(jī)/電控與電池?zé)峁芾矸珠_ 管理；電機(jī)/電控冷卻系統(tǒng)多采用串聯(lián)冷卻式樣，利用低溫散熱器對散熱需求部件 進(jìn)行散熱，電機(jī)/電控 熱管理系統(tǒng)如圖1 （第1代熱管理系統(tǒng)1圖1 串聯(lián)電機(jī)/電控/附屬電器冷卻系統(tǒng)（第1 代熱管理系統(tǒng)）受制于技術(shù)和成本限制,早期電動車驅(qū)動系統(tǒng)散熱部件包括：充電器、電源分配器、逆變器和電機(jī)， 采用串聯(lián)冷卻系統(tǒng)。此套系統(tǒng)需要考慮電器部件的發(fā)熱星和性能要求，一般要求冷卻液先流經(jīng)彳氐發(fā)熱、

5、 對溫度敏感的部件，然后再對高發(fā)熱部件進(jìn)行冷卻。由于部件分開 進(jìn)行冷卻，需要考慮整車布置要求， 這套系統(tǒng)回路冗長，系統(tǒng)流阻較大，對水泵性能及加注性能要求高。針對以上問題，部分車型進(jìn)行技術(shù)升級，弓I入驅(qū)動系統(tǒng)模塊化的設(shè)計，如圖2所示。n.包畫圓窗Tr圖2優(yōu)化的電機(jī)/電控冷卻系統(tǒng)優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)在電控模塊中集成其他電器功能，整車布置考慮電控模塊和電機(jī)，盡星將他們布置在統(tǒng)一區(qū)域,減少系統(tǒng)回路長度,這套系統(tǒng)應(yīng)用的典型車型如日產(chǎn)的LEAF車型。早期的EV車?yán)m(xù)航里程要求不高（一般v 200km ），電池能呈密度低，電池溫控系統(tǒng)采用自然風(fēng)量或主動風(fēng)冷技術(shù)。自然風(fēng)冷是通過外界空氣與電池殼體進(jìn)行換熱完成電池整包

6、的溫度控制，這種冷卻方式對電池包的安裝位置有要求,一般安裝在地板等通風(fēng)位置。強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)是根據(jù)熱流體仿真分析的結(jié)果對電池?zé)崃糠植紖^(qū)域進(jìn)行強(qiáng)制散熱,這種電池冷卻方式在KJ.Kelly等研究報告中進(jìn)行了研究。電池風(fēng)冷系統(tǒng)會設(shè)定鼓風(fēng)風(fēng)扇，專用風(fēng)道等零件;考慮到電池發(fā)熱呈及電池內(nèi)部溫差的要求，電池內(nèi)部風(fēng)道的式樣分以下3種類型,如圖3所示，可以看到并聯(lián)風(fēng)道的流場更為合理。IIUI并聯(lián)風(fēng)道串聯(lián)風(fēng)道圖3電池強(qiáng)制風(fēng)冷風(fēng)道類型4第2代溫控系統(tǒng)隨著電池容呈和電池能呈密度的增加，電池在充放電過程中產(chǎn)生的熱能增加（電池整體 最大發(fā)熱 呈大于5kW ），傳統(tǒng)的風(fēng)冷技術(shù)已經(jīng)不能八足電池散熱需求。第2代溫控系統(tǒng)的特點(diǎn)在于保

7、持電機(jī)/電控系統(tǒng)水冷的基礎(chǔ)上，電池溫控系統(tǒng)采用更為高效的溫控方式，針對電池制冷采用與空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行耦合，同時考慮到保證電池低溫性能，引入電池加熱技術(shù)。3WXP 機(jī)空調(diào)冷躲縈統(tǒng)回路冷卻液系*充回路圖J第2代溫控系統(tǒng)代聚回路圖4是第2代溫控系統(tǒng)比較有代表性的系統(tǒng)構(gòu)建方案，可以看到電機(jī)/電控與第1代對 比無太大變化。電池溫控系統(tǒng)具有制冷和加熱功能，制冷采用引入電池冷卻器（Chiller）來 實(shí)現(xiàn)，冷媒在冷卻 器里蒸發(fā)使具內(nèi)部的翅片變冷，翅片再與電池內(nèi)部熱交換后的曖水進(jìn)行熱交換，熱交換后的冷水通過電 子水泵再次流入電池內(nèi)部冷卻板完成換熱循環(huán)。針對電池低湍下的采曖需求，系統(tǒng)設(shè)定單獨(dú)的水曖 PTC，一般功率

8、5kW以下。采用這種電池溫控系統(tǒng)方案的國內(nèi)車型有榮威E50、帝豪EV、景逸 S50EV等。針對電池采暖某些車企采用空調(diào)采曖和電池加熱共用加熱器的系統(tǒng)構(gòu)建，如圖5所示的系統(tǒng)。電子水最D"孑；Ml4水冷tta 冷 wan*圖5電池采暖與空調(diào)制熱共用加熱器圖5是針對電池采曖與空調(diào)制熱共用加熱的系統(tǒng)構(gòu)建說明，這套系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是設(shè)走一個水加熱器給 曖風(fēng)和電池進(jìn)行制曖，同時空調(diào)系統(tǒng)(制冷/制熱)可以和傳統(tǒng)燃油車共用。但這套系統(tǒng)需要重新構(gòu)建空 調(diào)制熱回路,增加電子水泵和相關(guān)管路?？紤]到除霜、除霧法規(guī)要求，共用加熱器功率較大(一般在7kW 以上)，進(jìn)入到曖風(fēng)芯體的冷卻液溫度要求較高，一般800c以上，但

9、如此高溫冷卻液不能直接用于電 池加熱，會造成電池過熱，因?yàn)楦鶕?jù)電池性能不同，影響電池壽命的溫度限值有明確要求，一般在50 左右。為解決這個問題需要為電池回路追加熱交換器，形成水水熱交換；也有車企呈產(chǎn)車型采用四通閥 方案，如比亞迪 無。為了保證空調(diào)制熱優(yōu)先原則，需要對電池制暖溫度控制，也需要對流進(jìn)電池采暖部 分的高溫防凍液的耋進(jìn)行控制，同時需要為系統(tǒng)追加電子水閥，控制系統(tǒng)流呈。綜上所述，共用加熱器 的系統(tǒng)方案需要更多的構(gòu)成件,系統(tǒng)構(gòu)建更為復(fù)雜，控制更為復(fù)雜，成本更高。針對第2代溫控系統(tǒng)構(gòu)建概括如下。(1)電機(jī)/電控和電池溫控采用兩套系統(tǒng)回路,系統(tǒng)構(gòu)月對簡單，可以根據(jù)整車工況和實(shí)際需求單獨(dú)控制。(

10、2)由于設(shè)走獨(dú)立的電池溫控系統(tǒng)，可以把電池溫度控制在合適的工作溫度，一般溫度控制在1535七范圍內(nèi)，有利于提高電池的穩(wěn)定性和壽命。由于存在電池采暖功能，電池在低溫 下的性能表現(xiàn)得到了提升，特SU是大大縮短了低溫充電時間。根據(jù)2019版EV - TEST (電動汽 車測評)管理規(guī)則對低溫充電時間有要求，如果此項(xiàng)得分大于90分，SOC在080%的低溫充電 時間/常溫充電時間應(yīng)小于1.3&(3篦2代溫控系統(tǒng)電池的制冷和采暖分別需要啟動壓縮機(jī)和高壓水加熱器(WPTC),在北方低溫 環(huán)境下電池充放電時的采曖和乘員艙的制熱需求會占用大星的能耗，通過實(shí)驗(yàn)測試證明用于加熱的能耗占電池總能耗的20%以上

11、，會影響整車的續(xù)航里程。5第3代溫控系統(tǒng)通過對第2代溫控系統(tǒng)構(gòu)建的分析,發(fā)現(xiàn)第2代溫控系統(tǒng)存在能耗過高的問題,需要 檢討更高效, 更節(jié)能的溫控系統(tǒng)構(gòu)建。電機(jī)/電控系統(tǒng)和電池溫控系統(tǒng)的溫度控制范圍不同，電機(jī)/電控的系統(tǒng)溫度高于電池適 合的工作 溫度（15935）,如表1所示。表1電機(jī)/電控作溫度要求部件名稱電控單元逆變器騾動電機(jī)作溫度<55<65<65考慮到環(huán)境溫度的影響，電機(jī)/電控系統(tǒng)的水溫在500c左右，在低溫情況下這部分水可 以流進(jìn)電池進(jìn)行電池預(yù)熱。同時，當(dāng)環(huán)境溫度較低，電機(jī)/電控散熱需求低，但電池需要制冷的時候，可以考慮采 用低溫散熱器給電池進(jìn)行制冷。根據(jù)以上說明構(gòu)建如

12、圖6所示的系統(tǒng)回路（第3代溫控系統(tǒng)）。陽子心I空調(diào)冷媒系統(tǒng)回路冷卻液系統(tǒng)回路圖6系統(tǒng)構(gòu)建優(yōu)勢在于，電池慢充電或者高負(fù)荷放電時候可以根據(jù)環(huán)境溫度來決定米用低溫散熱 器制冷或者空調(diào)系統(tǒng)制冷。同時可以將電機(jī)/電控的部分余熱用于電池制暖或保溫，這個功能在前后 雙驅(qū)動電機(jī)/電控系統(tǒng)表現(xiàn)的較為實(shí)用，通過仿真分析說明如下。以某車開發(fā)模擬數(shù)據(jù)為例，在環(huán)境溫度-7 （電池溫度-7）條件下，進(jìn)行0.5hCLTC工況循環(huán)模擬，分別分析電機(jī)冷卻水溫和電池有無余熱回收電池溫度，如圖7所示。 電機(jī)冷卻水a(chǎn)r雯余恰回牧后電池原度無余熱回收電池浪度通過圖7可知,圖7電機(jī)余熱利用說明電機(jī)冷卻液溫度與電池溫度溫差大于20七r熱呈

13、利用率較高,同時可見電池在-7壞境電池在無余熱利用時僅靠自身發(fā)熱溫升不明顯。衷2第3代溫控系統(tǒng)工作樓式行駛零件T作狀態(tài)TbatvhninTl>at<TmaxTbat>TinaxThatPinaxH>at<5TIminSIlmKTmaxThat> hnaxri>at> Tmax水加熱器(O)電池制 冷器XX(O)OXX(O)O壓縮機(jī)XX(O)OXX(O)0電產(chǎn)膨脹 閥XX(0)OXX(O)O水閥通X通或關(guān)關(guān)關(guān)X通或關(guān)通X通或關(guān)關(guān)關(guān)XL戒關(guān)關(guān)電子 水采OOOOXXXXO(0)OOO(O)O0針對第3代溫控系統(tǒng)，詳細(xì)整理工作模式，如表2所示，其中Tba

14、t為電池實(shí)際溫度，Tmin為 電池制暖開啟限值溫度，Tmax為電池制冷開啟限值溫度。工作模式包括行駛和充電工況，概括如下。5.1行駛工況(1) Tbat v Tmin ：這種情況出現(xiàn)在環(huán)境溫度和電池本體溫度較低的情況，這個工況可以將電機(jī) 的余熱用于電池加熱或保溫，結(jié)合電池放電自發(fā)熱情況，這個工況下水加熱器只有在極低溫度下才會 啟動；(2 ) TminvTbatvTmax :電池溫度在合適的工作溫度下，只需要給電機(jī)/電控系統(tǒng)制冷，但考慮 到電池內(nèi)部均溫要求，針對電池溫控系統(tǒng)設(shè)走的電子水泵考慮部分時間開啟；(3) Tbat > Tmax (散熱器出水溫度< 25):這種情況一般出現(xiàn)在環(huán)

15、境溫度較低，同時整車在 高負(fù)荷工作，如長時間爬坡、高速、堵車等工況。此時電池放電功率大，溫度逐漸上升需要制冷；由于 環(huán)境溫度較低，低溫散熱器的換熱效率較高(前置歆熱器的布置方案尤為明顯)，經(jīng)過低溫散熱器的冷 卻液溫度低于250c以下，這樣的低溫冷卻液可以流入到電池 冷板給電池包進(jìn)行制冷；(4 ) Tbat > Tmax (散熱器出水溫度25 ):當(dāng)環(huán)境溫度較高，經(jīng)過低溫散熱器的冷 卻液溫庚較高(一般大于35)時，電池制冷需要借用空調(diào)系統(tǒng)，啟動壓縮機(jī)，通過電池冷卻器為電 池制冷。52充電工；兄(1 )TbatvTmin ：當(dāng)電池溫度較低情況下，電池活性會降低，電池充電時間大大增加，需要開啟 水加熱器為電池制暖再進(jìn)行充電，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知有主動制曖功能的電池溫控系統(tǒng)會縮短50%的 充電時間；(2 )TminvTbatvTmax :充電過程中電池溫度持續(xù)在合適工作溫度，只需要關(guān)注電池 溫差，決 走是否啟動電子水泵；(3