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一种新能源汽车热管理系统的设计

  汽车热管理之家   2020-10-20 次浏览

与传统燃油车相比,电动汽车除了需要满足空调热管理和驱动电机的热管理需求之外,对电池包也需要进行严格的热管理控制电池包作为电动汽车上装载电池组的主要储能装置,是混动/电动汽车的关键部件,其性能直接影响混动/电动汽车的性能。目前电池普遍存在比能量和比功率低、循环寿命短、使用性能受温度影响大等缺点。基于以上问题,文章提出一种热管理系统,其可在3 种回路下进行切换,以适应新能源汽车不同的工况。

1 目前新能源汽车热管理系统存在的问题

由于车内空间有限,电池工作中产生的热量累积,会造成各处温度不均匀从而影响电池单体的一致性,进而降低电池充放电循环效率,影响电池的功率和能量发挥,严重时还将导致热失控,影响系统的安全性与可靠性。而低温下,电池的充电性能和放电功率都会大幅度降低,严重时无法正常进行充放电工作。所以为了使电池组发挥最佳的性能,新能源车必须对电池进行热管理,将电池包温度控制在合理的范围内。

目前大部分热管理系统为开环控制,即没有压力、流量、温度传感器对具体工作状况进行实时反馈,无法有效管理系统根据实际工作状态进行实时控制;在汽车运行中,由于驱动电机和控制器产生的热量没有得到充分利用,不但造成能量浪费,而且不利于节能环保。

2 热管理系统方案

2.1 系统组成

文章的新能源汽车热管理系统包括暖风空调子系统、驱动与电控总成子系统和电池包子系统,如图1 所示,三者由汽车整车控制器(VCU)进行控制。电池包子系统、驱动与电控总成子系统通过三通水阀1 相连接;电池包子系统、暖风空调子系统通过三通水阀2 与三通水阀3 相连接。

图1 新能源汽车热管理系统结构布局图

暖风空调子系统包括电子水泵2、压力传感器3、压力传感器4、流量传感器2、水温传感器2、PTC 加热器、三通水阀3、蒸发器、三通水阀2、膨胀水壶;电池包子系统包括电子水泵2、压力传感器3、压力传感器4、流量传感器2、水温传感器2、PTC 加热器、三通水阀3、电池包、三通水阀2、膨胀水壶;驱动与电控总成子系统包括电子水泵1、压力传感器1、压力传感器2、流量传感器1、水温传感器1、OBC&DC/DC&PEU 三合一控制器、驱动电机、三通水阀1、膨胀水壶、散热器。

PTC 加热器为正温度系数电阻丝。

2.2 各子系统的循环回路

该热管理系统各子系统的循环回路如下:

1)暖风空调子系统,加热模式的冷却液循环回路为:膨胀水壶→压力传感器3→电子水泵2→压力传感器4→流量传感器2→水温传感器2→PTC 加热器→三通水阀3→蒸发器→三通水阀2→膨胀水壶。

2)驱动与电控总成子系统,散热模式的冷却液循环回路1 为:膨胀水壶→散热器→压力传感器1→电子水泵1→压力传感器2→流量传感器1→水温传感器1→OBC&DC/DC&PEU 三合一控制器→驱动电机→三通水阀1→膨胀水壶。

3)驱动与电控总成子系统、电池包子系统相连接的回路,利用OBC&DC/DC&PEU 三合一控制器、驱动电机运行时所产生的热量,给电池包加热模式的冷却液循环回路2 为:膨胀水壶→散热器→压力传感器1→电子水泵1→压力传感器2→流量传感器1→水温传感器1→OBC&DC/DC&PEU 三合一控制器→驱动电机→三通水阀1→电池包→膨胀水壶。

4)暖风空调子系统、电池包子系统相连接的回路,利用PTC 加热器给电池包加热模式的冷却液循环回路为:膨胀水壶→压力传感器3→电子水泵2→压力传感器4→流量传感器2→水温传感器2→PTC 加热器→三通水阀3→电池包→三通水阀2→膨胀水壶;暖风空调子系统中,PTC 加热器将冷却液加热后,经由蒸发器安装的风扇,将热量吹入车舱内,实现车内取暖;电池包子系统中,PTC 加热器将冷却液加热后,热量经过电池包内部,实现电池包的加热。

2.3 各子系统的工作方式

驱动与电控总成子系统设有压力传感器1、压力传感器2、流量传感器1、水温传感器1。通过计算压力传感器1、压力传感器2 测量的压力,可得知电子水泵1工作时的扬程,即回路的系统压力;流量传感器1 可测量电子水泵1 工作时的流量,即回路的冷却液流量;水温传感器1 可测量回路的冷却液温度,从而实时控制电子水泵1 的工作状态,当测量到冷却液温度较低时,整车VCU 发出控制信号,降低电子水泵1 的转速,系统压力、流量同步降低,反之则提高电子水泵1 的转速,系统压力、流量同步提高。

暖风空调子系统和电池包子系统设有压力传感器3、压力传感器4、流量传感器2、水温传感器2。通过计算压力传感器3、压力传感器4 测量的压力,可得知电子水泵2 工作时的扬程,即回路的系统压力;流量传感器2 可测量电子水泵2 工作时的流量,即回路的冷却液流量;水温传感器2 可测量回路的冷却液温度,从而实时控制电子水泵2 的工作状态,当测量冷却液温度较低时,整车VCU 发出控制信号,降低电子水泵2的转速,系统压力、流量同步降低,反之则提高电子水泵2 的转速,系统压力、流量同步提高。

2.4 传感器选型参数

系统中各传感器的选型参数如下。

压力传感器1、3 的量程为-100~100 kPa,压力传感器2、4 的量程为0~200 kPa,精度为0.5%F.S.,工作电压(DC)为5~24 V,输出信号(DC)为1~5 V。

流量传感器1、2 的量程为0~100 L/min,精度为±1%,最低额定电压(DC)为4.5 V,供电(DC)范围为5~24 V,负载能力≤10 mA(DC 5 V),最大工作电流为15 mA(DC 5 V)。

温度传感器1、2 的型号为Pt100,类型为NTC 热敏电阻,采用三线制接法接入温控仪,实现水温的测量。

电子水泵的功率范围为:10~1 500 W。

3 新能源热管理系统的测试

根据上述方案,搭建并调试了新能源汽车的热管理系统,如图2 所示。以某型号的电子水泵为对象,测试了其在不同流量下的额定电流、额定电压和进出口压力,并通过程序计算处理得出额定功率、扬程和效率值。通过曲线拟合后,获得电子水泵的性能曲线,如图3所示,完成电子水泵的基本性能测试。

图2 新能源汽车热管理系统的局部图

图3 新能源汽车热管理系统电子水泵的性能曲线

在图3a 中可以看到,电子水泵的扬程(压差)随着流量的增加而减小,流量越大,扬程越小,在流量为0~20 L/min 时,扬程较为稳定;在图3b 中可以看出,泵的驱动功率随流量的增加而增加,从曲线趋势可知,当流量为0 时,功率最低;在图3c 中可以看到,随着电子水泵流量的增加,泵效率值增加到最大值,并且在一定流量范围内(流量值在18~32 L/min)变化较小,之后随着电子水泵的流量逐步增加,水泵效率逐步降低。

4 结论

文章介绍的热管理系统为闭环控制,具有实时反馈和实时控制功能,能够综合管理,优化控制,充分利用发热部件的余热进行温度管理,从而有效降低电池能耗,达到舒适、节能的效果。该热管理系统可在3 种回路下进行切换,以适应新能源汽车不同的工况。此外,在汽车热管理应用中,还可以实现诸如控制泵的启动/停止、流量控制、压力控制、功率控制、防干运转保护,以及电压过压、欠压、过流、过载和启动故障保护等功能。泵的工作状态可以由外部信号控制。电子水泵具有结构紧凑、使用方便、功能强大、使用寿命长、性能稳定、噪声低、能耗低、效率高等优点,被广泛应用于汽车热管理系统中,已成为一种后续发展趋势。来源:EDC电驱未来

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