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國(guó)內(nèi)外典型純電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)方案解析
2020-03-17 22:51:33· 來(lái)源：《國(guó)內(nèi)外典型純電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)方案解析》 作者：中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心
為應(yīng)對(duì)汽車(chē)燃料消耗快速增長(zhǎng)及由此引起的能源和環(huán)境問(wèn)題,鼓勵(lì)新能源汽車(chē)的發(fā)展,近日,工信部等五部委印發(fā)了《乘用車(chē)企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車(chē)積分并行管理
為應(yīng)對(duì)汽車(chē)燃料消耗快速增長(zhǎng)及由此引起的能源和環(huán)境問(wèn)題,鼓勵(lì)新能源汽車(chē)的發(fā)展,近日,工信部等五部委印發(fā)了《乘用車(chē)企業(yè)平均燃料消耗量與新能源汽車(chē)積分并行管理辦法》,該辦法自2018年4月1日起實(shí)行。這標(biāo)志著新能源汽車(chē)的研究已成為我國(guó)汽車(chē)發(fā)展的戰(zhàn)略。
電動(dòng)汽車(chē)的冷卻系統(tǒng)作為整車(chē)重要的一部分,一方面使動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵零部件工作在合適的溫度范圍內(nèi),防止因溫度失控導(dǎo)致性能受限甚至損壞;另一方面,冷卻系統(tǒng)控制方案影響著整車(chē)的能量利用,對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō),沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱可以利用,電池包的加熱需采用輔助電加熱器,由于取消了發(fā)動(dòng)機(jī),電子水泵等也將消耗一部分電能,從而影響整車(chē)的續(xù)駛里程。
因此,純電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的合理優(yōu)化構(gòu)型,保證整車(chē)的熱性能、盡可能少地消耗能量,對(duì)電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō)具有重要意義。本文主要對(duì)國(guó)內(nèi)外幾款典型的電動(dòng)車(chē)的冷卻系統(tǒng)方案進(jìn)行解析,分析其冷卻系統(tǒng)構(gòu)型方案的特點(diǎn),為國(guó)內(nèi)主機(jī)廠冷卻系統(tǒng)方案的制定提供參考。
國(guó)外典型電動(dòng)車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)方案
電機(jī)預(yù)熱及分級(jí)冷卻+電機(jī)余熱利用
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的預(yù)熱和冷卻
如圖1所示,電機(jī)三通閥相當(dāng)于一個(gè)節(jié)溫器的作用,當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí),電機(jī)溫度不高,冷卻液經(jīng)過(guò)水泵、DC-DC、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、暖風(fēng)三通閥、電機(jī)三通閥回到水泵。隨著冷卻液溫度的升高,冷卻液流經(jīng)散熱器回到水泵。
電池的冷卻
當(dāng)電池溫度在35 ℃以上時(shí),通過(guò)chiller給電池冷卻。
電池的加熱方式
當(dāng)車(chē)輛充電時(shí),如高壓電池回路冷卻液溫度低于10 ℃時(shí),通過(guò)PTC給電池加熱。
在駕駛過(guò)程中,如果電機(jī)冷卻液溫度比電池電路冷卻液溫度更高,則電池三通閥允許電機(jī)回路中的冷卻液進(jìn)入電池循環(huán)水路,從而幫助加熱電池。該功能設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮避免電機(jī)冷卻液處于高溫(如80 ℃)時(shí)仍流入高壓電池回路,這將可能導(dǎo)致電池的損壞甚至熱失控。
電力電子單元并聯(lián)冷卻+電池溫度分級(jí)控制
如圖2所示,Smart fortwo ED的冷卻系統(tǒng)主要包括車(chē)載充電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器(帶DCDC)以及電池包的冷卻。車(chē)載充電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用并聯(lián)的方式,分別實(shí)現(xiàn)行駛工況和充電工況的不同冷卻需求,有利于減少冷卻回路的阻力,從而有利于選取更小型號(hào)的主冷卻水泵。動(dòng)力電池包的溫度控制則根據(jù)其平均溫度的大小,采用不同的方式。
當(dāng)動(dòng)力電池包的平均溫度低于40 ℃,電池冷卻閥關(guān)閉,電池水泵不啟動(dòng),電池冷卻回路處于不激活狀態(tài),即不對(duì)電池進(jìn)行冷卻,但只要單體電池溫度差超過(guò)20 ℃時(shí),冷卻液通過(guò)水泵1、12VPTC、動(dòng)力電池、水泵2、電池冷卻三通閥,最后回到水泵1,對(duì)電池進(jìn)行冷卻。
當(dāng)動(dòng)力電池包的平均溫度高于40 ℃時(shí),整車(chē)控制器通過(guò)冷卻液溫度傳感器1估計(jì)冷卻液溫度,當(dāng)冷卻液溫度明顯低于動(dòng)力電池包的平均溫度時(shí),冷卻液經(jīng)過(guò)電池冷卻三通閥。電池冷卻水泵1、12V PTC、動(dòng)力電池、電池冷卻水泵2、散熱器。主冷卻水泵,通過(guò)散熱器對(duì)電池進(jìn)行冷卻。如果冷卻液的溫度沒(méi)有明顯低于電池包的平均溫度,主冷卻水泵的水不進(jìn)入動(dòng)力電池,冷卻液通過(guò)水泵1、12VPTC、動(dòng)力電池、水泵2、電池冷卻三通閥,最后回到水泵1,對(duì)電池進(jìn)行冷卻。
當(dāng)動(dòng)力電池包的平均溫度高于45℃時(shí),通過(guò)chiller對(duì)電池進(jìn)行冷卻,即冷卻液經(jīng)過(guò)水泵1、12VPTC、動(dòng)力電池、水泵2、chiller、電池三通閥。
充電過(guò)程中對(duì)電池的加熱通過(guò)12V PTC實(shí)現(xiàn),冷卻液經(jīng)過(guò)水泵1、12V PTC、動(dòng)力電池、水泵2、電池三通閥。
電力電子單元串行冷卻+電池包直冷/直熱
如圖3所示,BMW i3的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷卻和電池冷卻為2個(gè)獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)。電機(jī)電子裝置包括電機(jī)控制器、DCDC、OBC,與電機(jī)采用串行冷卻的形式。不同于其它車(chē)型的電池冷卻方式,電池的冷卻采用制冷劑直冷的方式,即制冷劑管路直接布置在動(dòng)力電池殼體內(nèi)部。電池的加熱依靠沿冷卻通道布置的加熱絲來(lái)實(shí)現(xiàn)。
雙模式冷卻循環(huán)
串行模式
1.電池加熱
如圖4所,當(dāng)車(chē)輛停放車(chē)庫(kù)數(shù)晚或者長(zhǎng)時(shí)間放置后,此時(shí)車(chē)輛溫度低,串行模式可以使冷卻液先示經(jīng)過(guò)電機(jī)預(yù)熱然后經(jīng)過(guò)電池給電池加熱,有利于降低加熱器輸出功率。
此外,行駛中外界溫度低且電池需要加熱時(shí)或者駐車(chē)時(shí)電池需要加熱時(shí)也會(huì)使用串行模式。
充電時(shí),由于電池溫度太低導(dǎo)致充電效率不高,串行模式可利用充電機(jī)的熱量給電池加熱,加熱器也可以同時(shí)使用。當(dāng)充電機(jī)和電池溫度都上來(lái)以后,如果有需要可以接入散熱器來(lái)給兩者降溫。
在串行模式下,通過(guò)三位兩通電磁閥來(lái)控制冷卻液是否通過(guò)散熱器,從而控制冷卻液溫度和系統(tǒng)的效率。
2.電力電子裝置及電池的冷卻
當(dāng)外界環(huán)境溫度低時(shí),只需要散熱器就足夠給電池和電機(jī)降溫了,電池不需要制冷系統(tǒng)的制冷。
當(dāng)外界環(huán)境溫度過(guò)高或者某個(gè)元器件(比如電機(jī))超過(guò)其規(guī)定溫度時(shí),chiller串行于此冷卻循環(huán)系統(tǒng)中,可使系統(tǒng)冷卻液溫度比單獨(dú)使用散熱器冷卻時(shí)更低。如果散熱器在此環(huán)境下不能提供有效的冷卻甚至加熱冷卻液,可通過(guò)三通閥的控制使冷卻液不通過(guò)散熱器。在此模式中,即使沒(méi)有chiller的冷卻,也可以將電機(jī)的熱轉(zhuǎn)移到電池中,此時(shí)電池作為一個(gè)熱容器。
并行模式
如圖5所示,在某些時(shí)刻下,即使電機(jī)溫度還比較低,但電池達(dá)到合適溫度,并行模式可以使電池溫度維持在合理的范圍。
在充電的某些時(shí)刻,根據(jù)環(huán)境溫度,需要對(duì)電池溫度進(jìn)行獨(dú)立的控制。
國(guó)內(nèi)典型電動(dòng)車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)方案
國(guó)內(nèi)冷卻系統(tǒng)的方案基本都一致,如榮威E50、帝豪EV、景逸S50EV等,其電力電子裝置和電池包的冷卻循環(huán)是獨(dú)立的回路,電池的冷卻通過(guò)chiller來(lái)實(shí)現(xiàn),電池的加熱則采用PTC,如圖6所示。
可以看出,國(guó)內(nèi)電動(dòng)車(chē)的冷卻系統(tǒng)構(gòu)型相對(duì)簡(jiǎn)單,基本沒(méi)有利用電機(jī)的余熱,控制也較簡(jiǎn)單,一方面受技術(shù)的影響,越復(fù)雜的系統(tǒng),優(yōu)化控制難度更大,另一方面,系統(tǒng)的復(fù)雜程度也會(huì)導(dǎo)致成本的增加。
3 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)以上對(duì)國(guó)外幾款電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的分析,其冷卻系統(tǒng)構(gòu)型主要有以下幾個(gè)特點(diǎn):
1.較多的從能量角度考慮,通過(guò)電機(jī)余熱利用、電機(jī)及電池溫度分級(jí)控制等方面,盡可能地優(yōu)化能量利用及系統(tǒng)的熱性能。
2.由于不僅考慮了冷卻系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn),還兼顧了系統(tǒng)的能耗,使得系統(tǒng)的復(fù)雜程度較高,通過(guò)較多的四通閥、三通閥來(lái)實(shí)現(xiàn),控制上也更為復(fù)雜,對(duì)系統(tǒng)的要求更高。
國(guó)內(nèi)電動(dòng)車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)構(gòu)型相對(duì)簡(jiǎn)單,電力電子裝置和電池包的冷卻循環(huán)獨(dú)立控制,控制也較簡(jiǎn)單,在能量?jī)?yōu)化控制上還有較大的提升空間。
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