电动汽车热管理技术发展

    

     受制于动力电池的能量密度与材料性质，纯电动汽车的续航里程成为制约其发展的关键问题，而整车热管理系统的需求与能耗逐步引起了行业的广泛关注。本期，我们就一起来探讨下电动汽车热管理技术发展。

   

1、电动汽车热管理需求

        

 

乘员舱是汽车行驶过程驾驶人员所处的环境空间，为保证驾驶人员舒适的驾驶环境，乘员舱热管理需要控制车室内环境的温度、湿度、送风温度等。乘员舱在不同情况下的热管理需求如表1所示。  

 

 

               

动力电池温控是保障电动汽车高效安全运行的重要前提，由于能量密度高、轻量化，锂电池成为电动汽车应用最广泛的动力电池。动力电池温控在热管理系统中的重要性也更加突出，不仅需要满足不同路况、不同充放电模式等车辆使用工况下的温控负荷变化，电池组间温度场均匀性与热失控防控，还需要满足严寒、高热高湿地区、夏热冬冷地区等不同环境工况下的所有温控需求。  

 

随着电动汽车的普及以及应用场景的增多，汽车动力需求不断提升，电动汽车电机需要更高的功率、扭矩以及转速，同时也意味着更高的发热量，因此电机系统的热管理需求逐渐提高。  

 

1、电动汽车热管理技术发展历程

        

 

整车热管理是电动汽车发展的核心技术之一，涉及乘员舱温湿环境调控、动力系统温控、玻璃防雾除雾等多目标管理。根据热管理系统架构与集成化程度，将电动汽车热管理的发展归纳为三个阶段，如图1所示。从单冷配合电加热到热泵配合电辅热再到宽温区热泵与整车热管理逐步耦合，电动汽车整车热管理技术逐渐朝着高度集成化、智能化的方向发展，并且在宽温区、极端条件下的环境适应性能力逐渐提升。  

             

 

 

2.1 第一阶段 PTC供热      

 

在电动汽车产业化起步阶段，基本是以电池、电机等动力系统的替代为核心技术发展起来的，车室空调、车窗除雾、动力部件温控等辅助系统是在传统燃油汽车热管理技术基础上逐步改进而来的。纯电动汽车空调与燃油汽车空调都是通过蒸气压缩循环来实现制冷功能，两者的区别是燃油汽车空调压缩机由发动机通过皮带间接驱动，而纯电动车则直接使用电驱动压缩机来驱动制冷循环。燃油汽车冬季制热时直接利用发动机余热对乘员舱进行供热，不需要额外的热源，而纯电动车的电机余热无法满足冬季制热的需求，因此冬季制热是纯电动汽车需要解决的问题。  

 

正温度系数加热器(positive temperature coefficient，PTC)由PTC陶瓷发热元件与铝管组成,具有热阻小、传热效率高的优点，并且在燃油汽车的车身基础上改动较小，因此早期的电动汽车采用蒸气压缩制冷循环制冷加PTC制热的方式来实现乘员舱的热管理，例如图2所示的早期三菱公司的i-MIEV电动汽车。与燃油汽车由燃料提供能量不同，电动汽车由动力电池提供能量。  

 

电动汽车正常运行时，动力电池放电产热，温度升高，需要对电池进行降温。电池冷却的方法主要有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却、热管冷却，由于空气冷却结构简单、成本低、便于维护，在早期的电动车上得到广泛应用。这一阶段的热管理主要形式是各个独立的子系统分别满足热管理的需求。  

                         

 

 

2.2第二阶段 热泵技术应用     

 

在实际使用过程中电动汽车冬季供热能耗需求较高，从热力学角度来说PTC制热的COP始终小于1，使得PTC供热耗电量较高，能源利用率低，严重制约了电动汽车的行驶里程。而热泵技术利用蒸气压缩循环将环境中的低品位热量进行利用，制热时的理论COP大于1，因此使用热泵系统代替PTC可以增加电动汽车制热工况下的续航里程。图3所示为宝马i3车型采用热泵系统来实现冬季制热。  

 

此外，一汽奔腾与红旗、上汽荣威等也在部分车型上采用了热泵系统。然而在低温环境下，传统热泵系统制热量衰减严重，无法满足电动汽车低温环境制热需求，需要额外的加热器辅助加热，因此热泵加PTC辅热的制热方式成为电动汽车冬季低温环境下乘员舱制热的主要方式。随着动力电池容量与功率的进一步提升，动力电池运行过程的热负荷也逐渐增大，传统的空冷结构无法满足动力电池的温控需求，因此液冷成为当前电池温控的主要方式。  

 

并且，由于人体所需的舒适温度和动力电池正常工作所处的温度相近，可以通过在乘员舱热泵系统中并联换热器的方式来分别满足乘员舱与动力电池制冷的需求。通过换热器以及二次冷却间接带走动力电池的热量，电动汽车整车热管理系统集成化程度有所提高。虽然集成化程度有所提升，但这一阶段的热管理系统只对电池制冷与乘员舱制冷进行了简单整合，电池、电机余热未得到有效利用。  

   

 

2.3第三阶段 宽温区热泵及整车热管理集成一体化技术发展    

 

传 统热泵空调在高寒环境下制热效率低、制热量不足，制约了电动汽车的应用场景。 因此，一系列提升热泵空调低温工况下性能的方法得以开发应用。 通过合理增加二次换热回路，在对动力电池与电机系统进行冷却的同时，对其余热进行回收利用，以提高电动汽车在低温工况下的制热量。 实验结果表明，余热回收式热泵空调与传统热泵空调相比，制热量显著提升。 各热管理子系统耦合程度更深的余热回收式热泵以及集成化程度更高的整车热管理系统在特斯拉 Model Y 、大众 ID4.CROZZ 等车型上已得以应用 ( 图 4) 。  

 

 

但当环境温度更低，且余热回收量更少时，仅通过余热回收依然无法满足低温环境下的制热量需求，仍需使用 PTC 加热器来弥补上述情况下制热量的不足。 但随着电车整车热管理集成程度的逐渐提升，可以通过合理的增大电机发热量的方式来增加余热的回收量，从而提高热泵系统的制热量与 COP ，避免了 PTC 加热器的使用，在进一步降低热管理系统空间占用率的同时满足电动汽车在低温环境下的制热需求。  

 

除电池、电机系统余热回收利用外，回风利用也是降低低温工况下热管理系统能耗的方式。 研究结果表明，低温环境下，合理的回风利用措施能够在避免车窗起雾、结霜的同时使电动汽车所需制热量下降 46% ～ 62% ，最大能够降低约 40% 的制热能耗。 日本电装也开发了相应的双层回风 / 新风结构，能够在防起雾的同时降低 30% 由通风引起的热损失。 这一阶段电动汽车热管理在极端条件下的环境适应能力逐渐提升，并朝着集成化、绿色化的方向发展。
 

     

 

为进一步提高电池高功率情况下的热管理效率，降低热管理复杂程度，将制冷剂直接送入电池组内部进行换热的直冷直热式电池温控方式也是目前的一个技术方案，一种电池包与制冷剂直接换热的热管理构型如图5所示。直冷技术能够提高换热效率与换热量，使电池内部获得更均匀的温度分布，减少二次回路的同时增大系统余热回收量，进而提高电池温控性能。但由于电池与制冷剂直接换热技术需要通过热泵系统的工作提高冷热量，一方面电池温控受限于热泵空调系统的启停，并对制冷剂环路的性能有一定影响，另一方面也限制了过渡季节的自然冷源利用，因此该技术仍需通进一步的研究改进与应用评估。  

• 0人已收藏

• 0人已打赏

  免费
• 0人已点赞

• 分享

  复制链接 新浪微博 微信扫一扫