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纯电动重卡热管理研究

  陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院   2021-02-01 次浏览

前言


目前纯电动重卡是新能源重卡的主要发展方向,共有动力电池热管理、电机冷却和空调等三套子系统,关系到整车行驶的安全性、可靠性和人员的驾乘舒适性,因此热管理也成为纯电动重卡开发的关键技术之一。


1动力电池热管理系统


电池的适宜工作温度一般为20℃~40℃,其热管理系统分为动力电池冷却系统和动力电池加热系统两部分。


1.1  动力电池冷却系统

动力电池冷却目前有自然风冷、强制风冷、液冷、冷媒直冷、基于相变材料的冷却、基于热管的冷却、基于热电元件的冷却等技术路线。

相变材料是一种受外界压力或温度变化后发生相变,并利用自身潜热吸收和释放能量,保持自身温度恒定不变的储能材料。其相变储能过程不需要消耗能源,被广泛应用于多种能源行业。

热管是一种不利用外部动力提供功率的情况下自发工作的装置,即使在较小的温差下,也能利用相变传热,在较远的距离内高速输送大量的热能。其结构紧凑、形状灵活、使用寿命长、维护费用低,在许多高效率热管理行业中得到了广泛应用。根据热管冷却段的策略不同,可以分为风冷热管系统和液冷热管系统。

热电制冷技术作为一种高效、低能耗的电子制冷技术,其热电元件可分为两大类,一类是基于Seebeck效应的热电发生器(TEG),它将热能转化为电能,利用余热作为能源。另一类是基于Peltier效应的热电制冷器(TEC),它将电能转化为热能,实现冷却和加热。

目前动力电池冷却多采用液冷的方式,其工作原理如图1所示。



液冷电池冷却系统主要由板式换热器、电动水泵、电动压缩机、膨胀阀、电动风扇、冷凝器、高压预充、高低压线束、各类传感器、控制单元等零部件组成。控制单元根据电池管理系统的工作模式请求,按照设定逻辑控制电动压缩机、电动风扇和电动水泵等工作,使动力电池始终在适宜的温度范围内工作。

1.2  动力电池加热系统

动力电池在低温环境下的充放电性能较差,故需对动力电池进行预热。

目前主要有两种加热方式,一种是在动力电池冷却系统中串联PTC加热器。PTC(Positivetemperaturecoefficient正温度系数)加热器指采用陶瓷PTC电阻作为制热元件的所有类型的加热器,包括但不限于恒温型PTC发热器,风暖型PTC加热器,水暖型PTC加热器等。

另一种是在动力电池包中增加电加热膜,其构造如图2所示,电加热膜分为金属加热膜、无机电加热膜(包括碳纤维电加热膜、油墨电加热膜)和高分子电加热膜。

目前多采用高分子电加热膜的动力电池加热方式。



2电机冷却


电机冷却系统主要为驱动电机、电驱桥电机、上装电机电机看控制器和多合一控制器等冷却,采用强制液冷冷却的方式,其基本原理如图3所示。其中散热器和柴油车的散热器类似,电动风扇和电动水泵的工作电压为24VDC,未来应会发展高电压的电动风扇和电动水泵。

电机冷却控制单元根据散热器进出水口温度、环境温度等,按照预设逻辑控制风扇转速、水泵转速等,使冷却液始终维持在合适的温度范围内。



3空调系统


纯电动重卡的空调系统主要包括制冷和暖风两部分,其冷源、热源和其他能源都来自动力电池。

3.1空调制冷
空调制冷采用电动压缩机作为动力源,其工作原理如图4所示。



空调制冷系统主要由蒸发器、电动压缩机、膨胀阀、电动风扇、冷凝器、高压预充、高低压线束、各类传感器、控制单元等零部件组成。其工作原理和液冷电池冷却类似,因此可考虑将二者集成设计,通过共用零部件来降低开发成本。

3.2空调暖风

空调暖风目前有两种方式,一种是利用风暖型PTC加热器直接加热空气,结构简单、热效率高,但有一定的安全隐患;另一种是利用水暖型PTC加热器加热冷却液,再通过冷却液加热空气,可沿用柴油车的暖风芯体,成本低,热效率较低。目前多采用风暖PTC加热的方式,其工作原理如图5所示。



空调暖风未来可采用综合电机废热利用和风暖/水暖PTC加热的方式,减少动力电池的电量消耗。也可利用热泵空调技术,其工作原理如图6所示。

 


4结论

纯电动重卡整车热管理包括了动力电池热管理、电机冷却和空调三个子系统,根据各子系统的基本原理和基本组成发现电池冷却和空调制冷集成可实现零部件共用,电机冷却和空调暖风集成实现废热利用,可有效降低纯电动重卡的开发成本、降低动力电池的电量消耗、提高车辆续驶里程,为后续纯电动重卡的热管理研究提供了依据。

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