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新能源汽车热管理系统技术

     2022-11-23 次浏览

一、前言

汽车的热管理系统(Thermal Management System,TMS)是整车系统的重要部分,热管理系统的开发目的主要有安全性、舒适性、节能性、经济性和耐久性。

汽车热管理是从整车角度统筹车辆发动机、空调、电池、电机等相关部件及子系统相关匹配、优化与控制,有效解决整车热相关问题,使得各功能模块处于最佳温度工况区间,提高整车经济性和动力性,保证车辆安全行驶。


新能源汽车热管理系统是从传统燃油车热管理系统衍生过来的,既有传统燃油车热管理系统的共同部分如发动机冷却系统、空调系统等,又多了电池电机电控等新增部分的冷却系统。其中以三电取代发动机和变速箱,是较传统燃油车在热管理系统上的主要变化,另外还可能存在以电动压缩机替代普通压缩机,同时新增了电池冷却板、电池冷却器、PTC加热器或热泵等部件。


二、热管理一般组成部件


在汽车的热管理系统中,大致通过电子水泵、电磁阀门、压缩机、PTC加热器、电子风扇、膨胀水壶、蒸发器、冷凝器组成。


电子水泵:是输送液体或使液体增压的机械装置。它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体,使液体能量增加,来输送液体。运行原理为根据动力或其他部件当前状态进行判断,使通过控制通过水泵流量来控制流速,根据不同的流速可以带走热量来保持温度稳定。


电磁阀门:即电子控制的阀门,有两通和三通阀。在从冷凝器出口流出的制冷剂呈高温高压的液态,为了能使液态制冷剂的饱和温度降低,需要降低其压力,同时为了使流量在适合的范围内,在制冷剂进入蒸发器之前,需要通过控制阀门开断对其进行节流。


压缩机:将低压低温的制冷剂气体,通过推动和压缩制冷剂气体,对气态制冷剂做功,使其能够产生压力和温度的变化,从而变为高温高压的气态的制冷剂。


冷凝器:将高温的制冷剂冷却。制冷剂从压缩机排出后,呈高温高压状态,此时需要对其降温,并完成制冷剂从气态变为液态的过程。


蒸发器:蒸发器的作用原理与冷凝器正好相反,其吸收空气中的热量,将热量传递给制冷,使其能够完成气化过程。制冷剂经过节流装置节流后,处于汽液共存的状态,也称为湿蒸汽。在湿蒸汽进入蒸发器后,便开始吸收热量,并蒸发成为饱和蒸汽,此后如果制冷剂继续吸热,将变为过热蒸汽。


电子扇热风扇:唯一能够主动送风提高散热器换热性能的部件。目前车辆上采用的大多为轴流式冷却风扇,具有高效能、体积小易布置等优点,通常布置在散热器之后。


PTC加热器:是一种电阻式加热装置,通常额定工作电压为350v-550v之间。当PTC电加热器通电后,初始电阻较低,此时加热功率较大,之后PTC加热器温度升高超过居里温度后,PTC的阻值急剧增大产生热量,并通过水泵中水介质向部件输送热量。


制热系统:在制热系统中,若是混合动力汽车或者燃料电池系统汽车,可以利用发动机或者燃料电池系统自身做工过程中生产的热来满足热需求,燃料电池系统在低温情况下可能需要PTC加热器来辅助加热,使系统可以快速热机;若是纯动力电池汽车可能需要PTC加热器来满足热量需求。


制冷系统:若是散热系统,则需要通过水泵运转带动部件中散热液体进行流动,带走局部的热量,并通过扇热风扇来进行辅助快速散热。


空调制冷系统:从原理上讲,是通过制冷剂(常见的制冷剂有R134-四氟乙烷,R12二氟二氯甲烷等)的特殊性质,通过利用其蒸发和冷凝伴随的热量的吸收和释放来实现热量转移的效果。看似简单的热搬运过程,其中却包含了制冷剂复杂的相变过程,为了实现制冷剂状态的变化并使其周而复始地搬运热量。其中空调系统都主要由四大件组成:压缩机,冷凝器,蒸发器,膨胀阀。空调制冷循环系统的结构简图如下图所示,制冷剂从压缩机出来以此经过冷凝器,膨胀阀,蒸发器,再回到压缩机,完成一个制冷循环。


三、纯电动汽车的热管理技术


纯电动汽车的热管理系统,除去满足保证驾驶人员舒适的驾驶环境,控制车室内环境的温度、湿度、送风温度等,主要是对动力电池进行温控,对动力电池的控温是保障电动汽车高效安全运行的重要前提。


用于动力电池的冷却方式有很多种,可分为空气冷却、液体冷却、散热片冷却、相变材料冷却和热管冷却等。


温度过高或过低都会影响锂离子电池的使用性能,但不同温度对电池内部结构以及离子化学反应等所造成的影响是不同的。


低温时,充放电过程中电解液的离子电导率较低、正极/电解液界面和负极/电解液界面的阻抗较高,从而影响正极与负极表面的电荷传递阻抗及锂离子在负极中的扩散速度,最终影响电池倍率放电性能和充放电效率等关键指标。低温下,电池的电解液中部分溶剂会发生凝固,导致锂离子迁移困难;随着温度下降电解质盐的电化学反应阻抗会不断增加,同时其离子的离解常数也不断减低,这些因素都会严重影响离子在电解质中的移动速率,降低电化学反应速率;并且低温下电池在充电过程中由于锂离子迁移困难会引发锂离子还原成金属锂枝晶反应,导致电解液分解,浓差极化增加,并且这种锂金属枝晶锐角锋利,易刺穿电池内部隔膜,引发电池内短路,引发安全事故。


高温不会导致电解液溶剂凝固,也不会降低电解质盐离子的扩散速率;相反,高温而会提高材料的电化学反应活性,提高离子扩散速率加快锂离子的迁移,因此从某种意义上讲高温有助于提高锂离子电池的充放电性能。但是温度过高时会加速SEI膜分解反应,嵌锂碳与电解液的反应,嵌锂碳与粘接剂的反应,电解液分解反应以及正极材料的分解反应,从而严重影响电池的使用寿命和使用性能。以上所发生的这些反应几乎都是不可逆的,当这些反应速率加快时,电池内部可用于进行可逆电化学反应的物质会迅速减少,使电池性能在短时间内衰退。并且当电池温度持续上升超过电池安全温度后电池内部自发发生电解液及电极的分解反应,这将在极短的时间内产生大量的热量,即发生电池的热失效,这将导致电池彻底被破坏。在电池箱狭小的空间内,热量难以及时散出,短时间内出现热量的迅速堆积,这极有可能导致电池热失效的迅速蔓延,使电池包冒烟、自燃甚至爆炸等安全事故的发生。


纯电动汽车热管理控制策略为:动力电池冷启动过程为:电动车辆起动前,BMS对电池模块的温度进行检查,并将温度传感器的平均温度值与目标温度进行对比,若当前电池模块的平均温度高于目标温度,则电动车辆可以正常起动;若传感器的平均温度值低于目标温度则需打开PTC加热器开启预加热系统。在加热过程中,BMS时刻监测电池的温度,随着预加热系统的工作电池温度的上升,当温度传感器平均温度达到目标温度时,预加热系统停止工作。

启动成功进入运行状态,根据不同的需求来进行判断当前模式,大致有三种工作模式,1.空调需求模式;2.动力电池需求模式;3.动力电池+空调都需求模式。


当需求模式1时,判断蒸发箱温度是否大于6℃,若满足需求,则压缩机以相对应的转速进行运行,通过空调制冷回路进行制冷。


当需求模式2时,检测动力电池出入水口的温度,压缩机先固定转速进行预热20秒,随后将制冷器阀门打开,将空调制冷阀门关闭,再根据温度需求运转压缩机来满足模式需求。


当需求模式3时,判断蒸发箱的温度时候大于6℃、膨胀水箱压力是否在适当范围内,并驱动电子水泵进行工作,检测动力电池出入水口温度,压缩机先固定转速进行预热20秒,随后打开将冷却器阀门打开,并将空调制冷阀门打开,根据温度需求运转压缩机满足模式需求;若压缩机运转至最大负荷,仍无法将动力电池出入水口温度降至设定温度,则提升电子水泵运转速度,仍然无法满足动力电池需求,则关闭空调制冷阀门,检测动力电池出入口温度,仍无法控制温度,为防止动力电池损坏甚至热失控自燃,则对动力电池输出功率进行限制并发出警报,必要时阶梯式降低动力电池输出功率发出严重警告,提醒驾驶者靠边停车并进行最大功率降温处理。


四、混动汽车热管理


相对于传统汽车热管理,混动车热管理结构更加复杂。其中不仅要考虑发动机冷却性能,还加入了电机、电池的冷却要求,同时还要考虑乘员舱的换热和空调控制。


由于存在发动机这个热力源,很大程度上可以不需要使用PTC部件来对动力系统进行加热,发动机运行是以燃料燃烧为基础的,工作工程中产生大量的热可以较大满足动力电池的初始加热及驾驶舱热需求。


在运行过程中,若满足热需求同时冷却不足,则会发动机内部机件温度升高、机械强度降低,高温会加剧零件的磨损并使润滑油产生变质和结焦;还会影响缸内燃烧过程,降低内燃机功率。若冷却过度,气缸壁温度降低,高温混合气与之接触时会重新凝结流回曲轴箱,增加燃油的消耗量;本该转换为有用功的热量也会被冷却液带走。


同时要保证电机的高效率运行,也离不开冷却系统的作用,高温会影响电机内零件的正常运行,引发故障,增加耗电量:降低电机温度主要依靠水泵和风扇的运行,降温效果好,附件消耗电量越多,同样不利于节能。因此发动机和电机冷却系统的主要作用都是带走多余的热量,使冷却对象一直工作在合适的温度范围。


确保出口水温处于合理范围是热管理系统的首要控制指标。目前对出口水温的温度控制具有时滞长、非线性、多变量耦合等难点。当使用目标温度和实际温度之间的温差进行反馈调节时,需要进行大量实验来降低实际值和目标值之间的差距,控制过程效率低、能耗大。


发动机冷却系统包括散热风扇,散热器,水泵,节温器和相关管路。发动机冷却系统中分为大循环管路与小循环管路,利用管路中流动的冷却液来实现热量传递再加上风扇散热。冷却系统中小循环管路的作用是帮助发动机自身预热,使发动机尽快工作在最佳温度范围。如下图所示,当发动机刚启动冷却液温度低于80℃时,冷却液走小循环回路,即图中右侧回路。当冷却液温度高于 90℃,节温器向左侧打开,冷却液走大循环回路流经散热器,即图中左侧回路。


电机冷却系统如下图所示,包括散热风扇、散热器、水泵及相关管路。电机冷却系统中的散热器经常可以用空调中的冷凝器代替。电机工作时系统中水泵开始工作,利用管路中冷却介质循环流动来实现热量传递。


动力电池冷却结构如下图所示,主要有水泵和传热性能更好的散热翅片。当电池温度达到最佳工作温度范围时,水泵开始运转,冷却液在水套中循环从电池组中吸收热量经过散热翅片与空气换热,目的是通过冷却液散掉热量保证动力电池在合理温度范围内工作。


混动动力电池热管理的控制思路大致如下:


车辆启动时,当外界环境小于10℃,设定只允许使用发动机,此时发动机单独驱动并给动力电池进行预热。因为外界环境低于电池的正常工作温度,为了防止动力电池损坏,系统设定电池不工作。


第一种情况当外界环境温度大于10℃、动力电池电量小于35%时发动机单独驱动,此时动力电池温度如果小于25℃则开启发动机给电池预热的冷却液回路,动力电池温度若大于25℃则开启发动机冷却系统。


当外界环境温度大于10℃、电池SOC值在35%到55%之间时,动力电池处于电量维持模式,如果整车需求功率大于发动机输出功率,电机运行提供一定功率,整车设定为发动机、电机联合驱动。此时动力电池温度如果小于25℃则开启电池预热回路,电池温度大于25℃则开启动力部件各自的冷却系统。


当外界环境大于10℃、电池SOC值在大于55%时设置为电机单独驱动,此时需要考虑发动机的工作环境温度。当发动机温度小于70℃则开启预热回路阀门,冷却液流过小循环回路给发动机预热,如果发动机温度大于70℃则阀门关闭,系统自动运行电机、动力电池的冷却系统。


五、小结


汽车的热管理技术涉及方方面面,文中仅仅对新能源汽车热管理控制思路进行介绍,除此之外散热部件选型、参数计算、散热流道设计等皆有较大说法。且为了汽车整体的成本及集成化考虑,其他很多高低压部件也应该考虑设计继承在一起。


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