【原】新能源汽车热管理系统如何实现一体化？

     

    昨天我们分享了新能源汽车热管理的控制方式，今天再来看一看实现新能源汽车热管理系统一体化的3个方案。

1、热管理系统实现形式

汽车车室空调主要目标是保障乘员的舒适性以及挡风玻璃的安全性。 其主要包含以下4种功能:

(1) 采暖和制冷功能;

(2) 过滤、通风和换气功能;

(3) 湿度控制与调节功能;

(4) 除雾与除霜功能。

 

汽车车室空调的实现形式主要有直接式、间接式、半直接式等。

直接式空调：前端模块以及空调箱均与空气直接换热, 效率高，

半直接式和间接式：有部分或全部换热器采用载冷剂二次回路的实现形式，侧系统构造简单, 且可以防止制冷剂向乘员舱泄漏引发安全隐患, 适用于可燃、微可燃型工质系统。

关于间接系统, 有学者提出采用冰蓄冷的方式提升二次回路式车室空调系统降温过程的功耗以及达到车室舒适条件的时间。但考虑到二次回路本身成本、重量的增加以及性能上的损失, 这种循环方式在车辆应用领域的推广程度始终不高。具体的实现形式因车型及需求不同有所变化, 本文不再赘述。

 

2、热管理一体化的3个方案

在传统燃油车中, 由于冬季可以采用发动机余热进行供暖, 因此车室空调仅考虑夏季制冷应用即可. 但 对于纯电动汽车而言, 发动机余热的缺失导致车辆冬 季供暖需求尤为紧迫. 目前主流的供热方式有高压电加热和热泵供热两种技术. 根据冬季制热方式, 目前的新能源汽车的车室空调系统可分为单冷空调加完全电加热系统、热泵空调加辅助电加热系统. 考虑到新能源汽车中电池、电机与电控系统的温度同样需要精确管理, 通常意义上的热管理系统应该是车室空调与三电热管理的耦合系统.

 

1、单冷空调+PTC

单冷空调+PTC是较为简单的新能源汽车车室冷热供应方式, 基本可沿用燃油车系统, 是目前新能源汽车应用较为普遍的空调系统形式. 其主要形式与传统 燃油车较为相似, 图1为单冷车室空调匹配完全电加热 PTC供暖方式的系统原理图。PTC电加热的最大优点是结构与控制简单、成本较低; 但加热效率永远小于1, 冬季制热时需要消耗大量的电池能量, 直接导致续航里程的严重衰减. PTC电加热系统按使用方法可分为 PTC风暖和PTC水暖两种形式. 其中PTC风暖是电加热直接加热空气, 结构简单、加热温度高, 但具有一定的 安全隐患; PTC水暖方法是利用PTC模块加热冷却液, 再通过冷却液加热空气, 虽然安全系数较高, 但系统比较复杂, 加热温度也相对较低。

 

2、热泵空调+PTC

 

PTC通常是直接消耗电能进行采暖的方式, 其电能 利用能效比小于1, 电能的大量消耗对续航里程产生较大影响. 因此, 为提高车室空调能效比, 借鉴家用空调的使用模式, 热泵在车室空调中逐步得到关注和应用. 然而, 传统的氟利昂类热泵在低温环境下制热量骤减, 难以满足车室采暖需求, 因此衍生了热泵空调+PTC的 系统形式. 热泵的系统形式呈现多样化性, 主要通过阀件的组合、换热器的组合等形式实现, 近年也逐渐产生了四通换向阀以及阀岛等的实现形式. 不同车型、车企的热泵实现形式也不尽相同, 但最终的目的都是 实现空调箱内换热器功能的转化, 如图2所示.

 

客车等商用车中通常采用四通换向阀等进行模式切换, 而乘用车空调目前主要采用三通阀的三换热器系统, 通过电动二通阀或电动三通阀实现制冷、制热、除湿和 蒸发器除霜模式的切换. 冬季制热运行时, 车外换热器 (蒸发器)温度可能低于室外空气的露点温度, 从而导致 结霜现象, 当霜层太厚时需要进入除霜模式, 除霜模式 的系统流程与夏季制冷模式一致. 乘用车除湿工况时, 空调风系统先经过车内蒸发器降温, 将空气中的水蒸 气凝结排出, 再经过车内冷凝器加热回温后送回车室 内, 达到除湿的目的.

 

面对严寒工况、启动过程等, 热泵系统制热能力 通常受限, 还需额外布置PTC以备不时之需. 用于热泵系统的辅助电加热通常有两种方式: 直接热泵式系统, 如图3(a)所示, 风暖PTC与制冷系统内的车内冷凝器协同布置, 共同提供制热量; 间接式热泵系统, 如图3(b)所示, 制冷系统在板式换热器中向二次回路的循环流体放热, 而二次回路循环流体与PTC、暖风芯体 串联.

3、 三电耦合系统/余热回收

近年来, 随着新能源汽车不断向高能量密度、高能量转换效率和高集成度的方向发展, 三电系统(电池、电动机、电控系统)的热管理需求与日俱增, 已经关系到新能源汽车整体的安全和效率问题, 促进了一体化热管理系统的提出、升级和演化。

目前, 车辆热管理问题存在多个并行独立的方面, 可以将其总结为安全性目标、动力性目标、续航能力目标、舒适性目标、耐久性目标. 一般而言, 安全性目标为关键目标, 动力性与续航能力目标为次级目标, 舒适性与耐久性目标为三级目标. 根据车室空调与电池/电机温控的不同组合形式, 可构成不同的一体式热管理系统, 如车室空调+电池温控并联式热管理系统(图4(a))和车室空调+电池冷却、电机余热回收式热管理系统(图4(b))。

 

图4(a)所示的系统工作原理为: 制冷剂系统增加了与蒸发器并联的 Chiller, 用于冷却电池回路的冷却液; 在乘员舱加热用的水PTC回路上增加一个与暖风散热器并联的板式换 热器, 用以加热电池回路的冷却液. 这样电池回路的冷却液既有冷源又有热源, 可以保证在全工况范围内使 动力电池处于相对合理的温度区间, 动力电池的使用 性能不会受到限制, 明显提升了整车的使用体验通节流阀在全通模式与节流模式间的切换, 实现对乘员舱和电池包各自的加热和冷却作用. 同时, 电动机及其控制部件的热管理也同样耦合在整体回路中。在温度过高时, 可以通过室外散热器散热, 也可以通过制冷循环Chiller进行强效散热; 而在冬季温度过低时, 还可以通过冷却介质串联的方式为电池包提供预热或加热效果。

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