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纯电动车热管理系统构建研究

  次浏览  汽车热管理之家  2020/06/29

摘要:现在国内专业领域针对电动车热管理多集中在电池热管理方向,探讨电机、电池、空调系统整合的整车热管理参考文献不多;主要介绍了纯电动汽车电机、电控等散热需求零件的热管系统构建和电池温控系统发展技术综述与技术趋势。希望通过本文的介绍,对后续热管理系统的发展,推动相关热管理零部件产业化发展提供参考(如通断式电子水阀、流量比例调节的电子水阀、高功率水泵、新型材料的冷却管路等);同时也对控制策略、控制阀值、零部件作动方式进行较为详细的介绍,有一定的参考意义。

1 引言

针对以上问题,部分车型进行技术升级,引入驱动系统模块化的设计,如图2所示。

先进的汽车热管理技术,不仅能够使电池工作在良好的温度状态,提升电动汽车的电池利用率和寿命,也能够充分考虑整车层面的能量再利用,提升整车的续航里程。一个好的热管理系统是多个系统耦合的复杂系统[3],是一个包含了电机/电控、电池温控、乘员舱温控的整体系统,不同工况下采用不同的热管理模式,采用不同的控制策略。例如目前主流的电动汽车针对电池热管理系统采用独立的温控系统,制冷采用电池冷却器(Chiller)中冷媒与水换热,冷水流入电池冷板给电池冷却的方式,而电池加热采用系统中串联的水加热器(WPTC)加热系统循环水,再流入电池换热板给电池采暖。这套独立的电池温控系统存在以下2个问题。第1,在环境温度较低,但受工况影响电池需要进行冷却时,例如电池快充或车辆高负荷工况状态下,仍需要启动电动压缩机,通过冷凝器和电池冷却器对动力电池进行冷却,需要消耗更多的电能。第2,车辆在低温刚启动后,动力电池需要加热保温时,此时需要启动电池加热器(WPTC)进行电池加热,同时电机和电控系统会有散热需求,由于电机/电控系统和电池温控系统相互独立,彼此能量不能相互利用,造成能耗损失。所以为了提高能耗利用率,需要选用更加优化的系统,希望通过下面的介绍,能够在系统构建,策略制定方面提供参考,制定符合项目要求的最优系统方案。

2 EV整车热管理介绍

常见电动汽车热管理系统由电机电控温控、动力电池温控、乘客舱温控3部分组成。

电机电控温控由电子水泵、低温散热器、补偿水壶、电控单元冷却模块、逆变器冷却模块和驱动电机冷却模块组成。该系统的温控对象为纯电动汽车的电控单元、逆变器和驱动电机。3个温控对象的发热功率,较之传统汽车散热量小,且合适的工作温度相近,因此采用串联进行连接。动力电池温控由电池水冷模块、电子水泵、冷却器、水加热器和冷媒制冷回路等构成。电池温控系统的作用在于维持各种工况下电池温度在合适工作范围内,因为较低温度会影响电池的放电功率和安全性,较高温度会严重影响电池寿命和稳定性[4];不同电池式样都有适合的工作温度区间,比如铅酸电池温度范围在20~45℃[5],所以电池温控系统需要具备制冷和加热的功能。乘客舱温控部分由电动压缩机、冷凝器、蒸发器和空气加热器等组成。由于热泵技术还多处于研发阶段,成员舱温控系统和传统差异不大,本次不作详细讨论。

针对电机/电控和电池热管理按发展的趋势分3种系统构建方式,下面进行详细研究讨论。

3 第1代热管理系统

2015年前上市的电动车由于续航里程短、电池容量小,热管理方面电机/电控与电池热管理分开管理;电机/电控冷却系统多采用串联冷却式样,利用低温散热器对散热需求部件进行散热,电机/电控热管理系统如图1(第1代热管理系统)。

图1 串联电机/电控/附属电器冷却系统(第1代热管理系统)

受制于技术和成本限制,早期电动车驱动系统散热部件包括:充电器、电源分配器、

逆变器和电机,采用串联冷却系统。此套系统需要考虑电器部件的发热量和性能要求,一般要求冷却液先流经低发热、对温度敏感的部件,然后再对高发热部件进行冷却。由于部件分开进行冷却,需要考虑整车布置要求,这套系统回路冗长,系统流阻较大,对水泵性能及加注性能要求高。

第2代温控系统的特点在于保持电机/电控系统水冷的基础上,电池温控系统采用更为高效的温控方式,针对电池制冷采用与空调系统进行耦合,同时考虑到保证电池低温性能,引入电池加热技术。

图2 优化的电机/电控冷却系统

优化后的冷却系统在电控模块中集成其他电器功能,整车布置考虑电控模块和电机,尽量将他们布置在统一区域,减少系统回路长度,这套系统应用的典型车型如日产的LEAF车型。

早期的EV车续航里程要求不高(一般<200 km),电池能量密度低,电池温控系统采用自然风量或主动风冷技术。

自然风冷是通过外界空气与电池壳体进行换热完成电池整包的温度控制,这种冷却方式对电池包的安装位置有要求,一般安装在地板等通风位置。

强制风冷系统是根据热流体仿真分析的结果对电池热量分布区域进行强制散热,这种电池冷却方式在K.J.Kelly等研究报告中进行了研究[6]。电池风冷系统会设定鼓风风扇,专用风道等零件;考虑到电池发热量及电池内部温差的要求,电池内部风道的式样分以下3种类型,如图3所示,可以看到并联风道[7]的流场更为合理。

图3 电池强制风冷风道类型

4 第2代温控系统

随着电池容量和电池能量密度的增加,电池在充放电过程中产生的热能增加(电池整体最大发热量大于5 kW),传统的风冷技术已经不能满足电池散热需求。

得益于锂离子电池技术的发展,电池能量密度不断提高,目前纯电动乘用车续航里程高于300 km的比例已经达到了81%[1]。随着电池能量密度不断增加,纯电动汽车的续航里程得到一定提升,有资料预测2020年纯电汽车满足市场营运要求的续航里程需要在450 km以上[2]。同时伴随着使用环境和使用区域的不断扩大,市场对电动车驱动单元、动力单元性能提出了更高的要求。在这样的背景下,电机/电控/电池热管理变的非常重要。与此同时,电动车整车热管理在考虑达成整车性能的基础上更需要考虑系统节能、高效,从而减小对整车续航里程的影响。

图4是第2代温控系统比较有代表性的系统构建方案,可以看到电机/电控与第1代对比无太大变化。电池温控系统具有制冷和加热功能,制冷采用引入电池冷却器(Chiller)来实现,冷媒在冷却器里蒸发使其内部的翅片变冷,翅片再与电池内部热交换后的暖水进行热交换,热交换后的冷水通过电子水泵再次流入电池内部冷却板完成换热循环。针对电池低温下的采暖需求,系统设定单独的水暖PTC,一般功率5 kW以下。采用这种电池温控系统方案的国内车型有荣威E50、帝豪EV、景逸S50EV等[8]。针对电池采暖某些车企采用空调采暖和电池加热共用加热器的系统构建,如图5所示的系统。

图4 第2代温控系统代表回路

图5 电池采暖与空调制热共用加热器

图5 是针对电池采暖与空调制热共用加热的系统构建说明,这套系统优点是设定一个水加热器给暖风和电池进行制暖,同时空调系统(制冷/制热)可以和传统燃油车共用。但这套系统需要重新构建空调制热回路,增加电子水泵和相关管路。考虑到除霜、除雾法规要求,共用加热器功率较大(一般在7 kW以上),进入到暖风芯体的冷却液温度要求较高,一般80℃以上,但如此高温冷却液不能直接用于电池加热,会造成电池过热,因为根据电池性能不同,影响电池寿命的温度限值有明确要求,一般在50℃左右。为解决这个问题需要为电池回路追加热交换器,形成水水热交换;也有车企量产车型采用四通阀方案,如比亚迪元[9]。为了保证空调制热优先原则,需要对电池制暖温度控制,也需要对流进电池采暖部分的高温防冻液的量进行控制,同时需要为系统追加电子水阀,控制系统流量。综上所述,共用加热器的系统方案需要更多的构成件,系统构建更为复杂,控制更为复杂,成本更高。

针对第2代温控系统构建概括如下:

(1)电机/电控和电池温控采用两套系统回路,系统构成相对简单,可以根据整车工况和实际需求单独控制。

(2)由于设定独立的电池温控系统,可以把电池温度控制在合适的工作温度,一般温度控制在15℃~35℃范围内,有利于提高电池的稳定性和寿命。由于存在电池采暖功能,电池在低温下的性能表现得到了提升,特别是大大缩短了低温充电时间。根据2019版《EV-TEST(电动汽车测评)管理规则》对低温充电时间有要求,如果此项得分大于90分,SOC在0~80%的低温充电时间/常温充电时间应小于1.38[10]。

(3)第2代温控系统电池的制冷和采暖分别需要启动压缩机和高压水加热器(WPTC),在北方低温环境下电池充放电时的采暖和乘员舱的制热需求会占用大量的能耗,通过实验测试证明用于加热的能耗占电池总能耗的20%以上,会影响整车的续航里程。

5 第3代温控系统

通过对第2代温控系统构建的分析,发现第2代温控系统存在能耗过高的问题,需要检讨更高效,更节能的温控系统构建。

电机/电控系统和电池温控系统的温度控制范围不同,电机/电控的系统温度高于电池适合的工作温度(15℃~35℃),如表1所示。

表1 电机/电控作温度要求 ℃

考虑到环境温度的影响,电机/电控系统的水温在50℃左右,在低温情况下这部分水可以流进电池进行电池预热。同时,当环境温度较低,电机/电控散热需求低,但电池需要制冷的时候,可以考虑采用低温散热器给电池进行制冷。根据以上说明构建如图6所示的系统回路(第3代温控系统)。

图6系统构建优势在于,电池慢充电或者高负荷放电时候可以根据环境温度来决定采用低温散热器制冷或者空调系统制冷。同时可以将电机/电控的部分余热用于电池制暖或保温,这个功能在前后双驱动电机/电控系统表现的较为实用,通过仿真分析说明如下。

以某车开发模拟数据为例,在环境温度-7℃(电池温度-7℃)条件下,进行0.5 h CLTC工况循环模拟,分别分析电机冷却水温和电池有无余热回收电池温度,如图7所示。

图6 第3代温控系统代表回路

图7 电机余热利用说明

通过图7可知,电机冷却液温度与电池温度温差大于20℃,热量利用率较高,同时可见电池在-7℃环境电池在无余热利用时仅靠自身发热温升不明显。

针对第3代温控系统,详细整理工作模式,如表2所示,其中Tbat为电池实际温度,Tmin为电池制暖开启限值温度,Tmax为电池制冷开启限值温度。

表2 第3代温控系统工作模式

工作模式包括行驶和充电工况,概括如下。

5.1 行驶工况

(1)Tbat<Tmin:这种情况出现在环境温度和电池本体温度较低的情况,这个工况可以将电机的余热用于电池加热或保温,结合电池放电自发热情况,这个工况下水加热器只有在极低温度下才会启动;

(2)Tmin≤Tbat≤Tmax:电池温度在合适的工作温度下,只需要给电机/电控系统制冷,但考虑到电池内部均温要求,针对电池温控系统设定的电子水泵考虑部分时间开启;

(3)Tbat>Tmax(散热器出水温度<25℃):这种情况一般出现在环境温度较低,同时整车在高负荷工作,如长时间爬坡、高速、堵车等工况。此时电池放电功率大,温度逐渐上升需要制冷;由于环境温度较低,低温散热器的换热效率较高(前置散热器的布置方案尤为明显),经过低温散热器的冷却液温度低于25℃以下,这样的低温冷却液可以流入到电池冷板给电池包进行制冷;

(4)Tbat>Tmax(散热器出水温度>25℃):当环境温度较高,经过低温散热器的冷却液温度较高(一般大于35℃)时,电池制冷需要借用空调系统,启动压缩机,通过电池冷却器为电池制冷。

5.2 充电工况

(1)Tbat<Tmin:当电池温度较低情况下,电池活性会降低,电池充电时间大大增加,需要开启水加热器为电池制暖再进行充电,通过实验数据得知有主动制暖功能的电池温控系统会缩短50%的充电时间;

(2)Tmin≤Tbat≤Tmax:充电过程中电池温度持续在合适工作温度,只需要关注电池温差,决定是否启动电子水泵;

(3)Tbat>Tmax(散热器出水温度<25℃):这个工况类似于走行时环境温度较低的情况,可以利用低温散热器对电池进行制冷。但考虑到大电流快充电,电池温升较快时可以考虑开启压缩机和电池制冷器,提升制冷效率;

(4)Tbat>Tmax(散热器出水温度>25℃):当环境温度较高,特别是大电流快充的情况,需要启动压缩机,利用电池制冷器进行系统制冷。

第3代温控系统最大的优势在于降低了压缩机和水加热器的开启频率,降低了整车能耗,增加了续航里程。

6 结论

随着电机/电控和电池热管理要求的不断提高,基于水冷方式构建的电机/电控和电池温控系统成为主流的冷却技术方案。同时由于法律法规对电动车续航里程要求不断提高,兼顾节能、电机电控系统热能再利用的高效的热管理系统的构建是今后发展趋势。当热泵技术逐步产业化后,纯电动车热管理系统需要将电机/电控温控、动力电池温控、乘客舱温控进行全面考虑,构建更加高效节能的热管理系统。同时会推动针对三代热管理系统零件的产业化进程,如流量调节水阀、高功率电子水泵、集成化的热管理模块等零件的开发。

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