电动汽车热管理与传统汽车热管理的异同
把这个Point放到第一位是因为,汽车行业进入新能源时代后,热管理的范围、实现方式及零部件都发生了很大的改变。
传统燃油汽车的热管理架构在这里就不必多说,各位专业的读者已经非常清楚,传统热管理主要包括了空调热管理系统以及动力总成的热管理子系统。
而电动汽车的热管理架构则在燃油汽车热管理架构的基础之上,又增加了电机电控热管理系统以及电池热管理系统,与燃油车不同的是,电动车对温度的变化更为敏感,温度是决定其安全、性能及寿命的关键因素,热管理是维持适宜的温度区间及均匀性的必要手段。因此,电池热管理系统就显得尤为关键,电池的热管理(散热/导热/隔热)直接关系到了电池的安全以及长期使用后的电量一致性问题。
那么,具体到细节上,主要有以下几点不同。

空调热源不同

传统燃油车的空调系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、管路等部件组成。
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制冷的时候是通过压缩机对制冷剂(冷媒)进行做功,搬走车内的热量从而降低温度,这就是制冷的原理。由于压缩机工作需要发动机带动,所以制冷过程会增加发动机的负担,我们所说的夏天开空调更费油就是这个道理。
燃油车的制热与制冷不同,目前几乎所有燃油车制热都是利用来自发动机冷却液的热量——发动机产生的大量废热可利用给空调采暖。冷却液流经暖风系统中的热交换器(也称水箱),将鼓风机输送进来的空气与发动机冷却液进行热交换,空气被加热后再送入车内。
但是严寒环境下发动机要较长时间运行才能把水温升高到合适的温度,用户在车里需忍受较长时间寒冷。
新能源汽车的采暖主要依靠电加热器,电加热器有风加热器、水加热器。风加热器的原理类似电吹风,通过加热片直接对流通的空气进行升温,从而给车内提供热风。风加热器优点在于加热时间快,能效比稍高,加热温度高等,缺点在于加热的风特别干燥,给人体带来燥热感。水加热器的原理类似电热水器,通过加热片加热冷却液,高温冷却液流经暖风芯体再加热流通的空气实现车内采暖。水加热器较风加热器加热时间稍长但也远快于燃油车,水管在低温环境下有热损失,能效比稍低。小鹏G3使用的便是上文所说的水加热器。
无论是风加热还是水加热,对于电动车来说都需要动力电池提供电能,在低温环境下有较大部分电量消耗在空调采暖上。这就导致电动车低温环境续驶里程降低。
相对于燃油车在低温环境下升温速度慢的问题,电动车使用电加热的方式就可以大幅缩短升温时间。

动力电池热管理

相对于燃油车的发动机热管理,电动车的动力系统热管理要求更严苛。
因为电池最佳工作的温度范围很小,一般在要求电池温度在15~40℃之间。但是车辆常使用的环境温度在-30~40℃,加上实际用户驾驶的工况复杂,热管理控制需要有效识别判定车辆行驶工况和电池的状态而进行最优的温度控制,力求让能耗、车辆性能、电池性能、舒适性等达到平衡。
v2-68234e55f749c2fc887b0f4642a1dca1_720w.jpg 电池合适的温度区间 v2-784d35eb4da61c2b311e26e3837eb48f_720w.jpg
为了缓解里程焦虑,现在电动车电池容量越来越大,能量密度越来越高;同时又需要解决用户过长的充电等待时间的矛盾,快充和超级快充应运而生。
在热管理方面,大电流快速充电带来的是电池更大的发热量和更高的能耗。一旦充电时电池温度过高,不仅可能引起安全隐患,还会导致电池效率降低、电池寿命衰减加快等问题。对热管理系统的设计是个严峻的考验。

电动车热管理,都管理什么?
车内乘员舱舒适性调节
车辆室内热环境直接影响乘员的舒适感,结合人体的感官模型,对驾驶室的流动与传热进行研究,是改善车辆舒适性,提高车辆性能的重要手段。从车身结构设计出发,从空调排风口、受阳光辐射影响的车辆玻璃及整个车身的设计等方面,结合空调系统,考虑对乘员舒适性的影响。
用户在驾驶车辆时不仅要体验到车辆强劲动力的输出带来的驾驶感受,同时座舱环境舒适性也是重要的一环。
动力电池工作温度调节控制
电池在使用过程中会遇到很多问题,尤其在电池温度方面,锂电池在极低温环境下电量衰减严重,在高温环境下容易出现安全隐患,极端情况下使用电池就会有很大可能对电池造成伤害,从而使得电池性能及寿命减少。
热管理的主要目的是可以让电池组始终工作在合适温度范围内,以维持电池组的最佳工作状态。电池的热管理系统主要包括散热、预热以及温度均衡三个功能。散热和预热主要是针对外部环境温度对电池可能造成的影响来进行相应的调整。温度均衡则是用来减小电池组内部的温度差异,防止某一部分电池过热造成的快速衰减。
现在市面上在售的电动车,所采用的电池热管理系统主要分为两大类:风冷和液冷。
风冷式热管理系统的原理比较像电脑的散热原理,在电池包的一段装一个散热风扇,另一端则有一个通风口,通过风扇的工作来加速电池之间空气的流动,从而带走电池在工作时所散发的热量。
v2-26f7b62bb1b6cd2ec627eb72baa33bb6_720w.jpg 风冷 v2-97c51c47386ba18b62a5954942ec0afd_720w.jpg 风冷原理示意图
直白一点说,风冷就是在电池包边上加一个电扇,通过电扇吹风来为电池包降温,不过电扇吹出来的风会受到外界因素的影响,外界温度较高的时候,风冷的效率就会降低。好比天热的时候,吹风扇也不能让你更凉快一样。风冷的好处是结构简单,成本低廉。
v2-1458354c9b25b7fdf9ca167faeb236be_720w.jpg 液冷原理示意图
液冷则是通过电池包内部的冷却液管路中的冷却液来带走电池在工作中所产生的热量,以达到降低电池温度的效果。从实际的使用效果来说,液体介质的换热系数高、热容量大、冷却速度也更快,小鹏G3采用的便是冷却效率更高的液冷系统。
简单来说,液冷的原理就是在电池包里布置一根水管,电池包温度过高需要降温的时候就往水管里灌冷水,通过冷水带走热量来降温;电池包温度过低需要升温就灌热水。
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在车辆剧烈驾驶或者快速充电时,电池充、放电过程中产生大量的热量。当电池温度过高时,开启压缩机,低温制冷剂流过电池换热器冷却管路里的冷却液,低温的冷却液流入电池包把热量带走,让电池维持最佳的温度范围,极大提升了用车过程中电池安全可靠性和缩短充电时间。
在极寒的冬季,因低温导致锂电池的活性降低,电池性能大幅下降,电池无法大功率放电或快速充电。此时开启水加热器加热电池回路里的冷却液,高温冷却液对电池进行升温。保证了低温环境下车辆也可具备快速的充电能力和长续驶里程。

电驱电控及大功率电器件降温散热
新能源汽车实现了全面的电气化功能,燃油动力系统改为电能动力系统。动力电池输出高达370V的直流电压给车辆提供动力、制冷制热,给车上各种用电器件供电。在车辆行驶过程中,大功率电器件(如,电机、DCDC、电机控制器等)将会产生大量热量。功率电器件温度过高将可能引起车辆报故障、动力受限甚至安全隐患。整车热管理需要及时的把产生的热量散走以保证车辆大功率电器件处于安全工作的温度范围。
G3电驱电控系统热管理采用液冷散热方式。通过电子水泵驱动系统管路内的冷却液流经电机等发热器件把电器件热量带走,再流经车辆前进气格栅处的散热器,开启电子风扇对高温冷却液进行散热降温。

对未来热管理行业发展的一点思考
低能耗:
为了降低空调带来的大电量消耗问题,热泵空调逐渐受到高度关注。虽然一般的热泵系统(采用R134a作为制冷剂)使用的环境有一定的限制,如极低温(-10℃以下)无法工作,高温环境下制冷与普通电动车空调无异。但是在中国大部分地区的春秋季节(环境温度)能有效降低空调能耗,能效比是电加热器的2~3倍。

低噪音:
电动车没有发动机的噪音源后,开启空调制冷时压缩机和前端电子风扇运转产生的噪音容易被用户抱怨。高效静音的电子风扇产品和大排量压缩机有利于增加制冷能力的前提下降低运转造成的噪音

低成本:
热管理系统的冷却加热方式多采用液冷系统,低温环境下电池加热和空调采暖需求的热量非常大。当前的解决方案是增加电加热器提高制热量,带来的是零件成本高,能耗高等问题。如果电池技术有突破性发展,解决或降低电池对温度的严苛需求,对热管理系统设计上和成本上将带来很大的优化。电机在车辆行驶过程中产生的废热需有效利用起来也会有助于降低热管理系统的能耗。折算回来就是电池容量的降低,续驶里程的提高,整车成本的降低。

智能化:
高度电气化是电动车的发展趋势,传统空调在仅局限于制冷采暖功能向智能化发展。空调可进一步改进为根据用户用车习惯的大数据支持,如一家人用车,不同的人上车后空调的温度可以智能适应。在出门前提前开启空调让车内温度达到舒适的温度。智能电动出风口能根据车内人数,位置,体型大小自动调节风口的吹风方向等。



来源:小鹏汽车