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电动汽车热管理系统的研究现状及展望

发表日期:2020/6/23 10:24:56 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

随着全球环境污染和能源短缺问题的日益加重,电动汽车因其对环境友好和排放无污染的特点受到了越来越多的关注。全球汽车行业投入了巨大的研发成本,旨在开发出高效、续航时间长的电动汽车。但是在电动汽车的研发过程中仍面临着许多问题。

电动汽车热管理系统主要包括电池热管理系统、电机及其控制器热管理系统、热泵空调系统。动力电池是电动汽车的动力来源,锂电池因其具有高的能量和功率密度,没有使用记忆影响,寿命长等特点被广泛应用于电动汽车。但是锂电池使用容易受到温度的影响,电池温度过高时,会导致电池寿命衰减,电池组内部热量累积,严重时会引发起火。电池温度过低时,也会导致电池容量严重衰减,此外在低温下充电会导致阳极析锂。驱动电机及其电控系统是电动汽车的核心部件之一,驱动电机的性能直接影响到汽车的动力、效率、舒适度等性能。然而,电机在工作过程中,绕组产生的热量和各种机械部件摩擦产生的热量都会使电机温度升高,温度过高会直接影响电机的使用性能和寿命。电动汽车的空调系统负责给车内乘员舱提供冷量、热量和通风,以及实现除雾和除霜,确保驾驶员安全驾驶。电动汽车的热泵空调系统由电力驱动,这会大幅度减少电动汽车的行驶里程。低温下热泵系统效率严重下降和车外换热器除霜是目前热泵系统的主要问题。因此,电动汽车热管理系统的研究有着重大的意义。本文从单独的电池热管理系统、电机热管理系统、热泵空调系统到集成热管理系统,对国内外的研究现状进行了总结和归纳,并预测和展望了未来的发展,以对今后电动汽车热管理技术的研究提供一些参考与帮助。

1  电池热管理系统

电池热管理的主要任务是使电池组的每一颗电池都处于合适的温度范围内,并保持温度的均匀性。研究表明,锂离子电池的适合温度范围是20 ℃~40 ℃,电池最大温差应该小于5 ℃。电池热管理包括加热和冷却。在环境温度较高的时候,需要对电池进行冷却,在环境温度太低的时候,要对电池进行预热。

1.1  电池冷却技术

1.1.1  空气冷却

空气冷却是最早出现的一种冷却方式,被国内外学者广泛地研究。空气冷却分为自然对流和强制对流两种方式,具有结构简单、成本低廉的优点。强制对流的换热系数远大于自然对流,换热性能也有了巨大提升。因此,对自然对流空冷的研究较少。传统的空冷通常是让空气流过电池组设定的通道,带走电池的热量。有串行和并行(图1)两种方式。


图1  空气冷却的串行和并行方式

近年来,强制对流冷却的研究热点主要是对风冷系统的几何结构的优化、电池组布置方式和电池组热模型的研究。MAHAMU R等研究了往复式空冷系统的热性能,仿真结果表明,相比单向流,往复式冷却可以减少4 ℃的温差,并使得最高温度减少了1.5 ℃。周期性的往复式冷却流可以使得冷空气重新分配,对电池侧边的边界层形成了扰动,增大了对流换热系数。类似地,HE F等也对这种往复式空冷做了实验和数值研究。结果表明使用合理的控制策略可以使电池组均温性更好,而且可以减少风扇的功耗。YANG N等对圆柱形锂电池模组的布置方案做了实验和数值研究,一种是顺排布置,另一种是叉排布置。分析了两种布置方式的换热性能,以及横向和纵向间距对冷却性能的影响。ZHAO J等研究了通风类型、空气流速和方向、间隙间距、单排电池数量、环境温度对电池组冷却性能的影响。研究发现,在风速小于1 m/s时,电池组的温差会随着风速的增大而增大;风速大于2 m/s时,温差会随着风速的增大而减小。

1.1.2  液体冷却

当环境温度很高或者电池的充放电倍率很大时,这时需要换热量更大,换热性能更好的液冷方式。液体冷却分为直接液体冷却和间接液体冷却,直接液体冷却是将电池直接浸在液体中(例如矿物油),而间接液体冷却是液体通过微通道、冷板等中间媒介间接与电池接触。

HIRANO H等使用一种氢氟醚有机流体对电池模块进行冷却,流体的沸点在34 ℃以下,电池直接与液体接触。结果指出即使在很高的放电倍率下(20 C),电池温度也能控制在35 ℃±2.5 ℃。然而,这种有机流体存在有毒的安全隐患,并且价格昂贵。

间接液体冷却的研究主要集中在使用铝扁管、水冷板对电池冷却的研究。ZHANG T等设计了一种交错铝扁管包裹电池的热管理系统。电池壁和扁管之间插入了具有高导热性能的柔性石墨片,柔性石墨片可以强化电池与扁管之间的传热。结果显示,这很大程度上提高了电池组均温性,最大温差由7 ℃减小到了2 ℃。HUO Y等对冷板里面的冷却液通道进行了研究,如图2所示。分析了冷板流道数目、流量大小、流体方向等因素对系统换热性能的影响。结果表明,最优的流动方向是从电极流向电池底部,增加流道数目和流量会减小温升,存在一个临界入口流量值使得换热性能最优。


图2  微通道水冷板示意图

JARRETT A等通过调整通道宽度和位置,用数学算法分析了蛇形通道冷板几何结构的优化问题。分别给出了基于压降、平均温度、温度均匀性为优化目标的最优结构。研究结果指出,前两者最优结果相似,而后者结构的进口受限且有更大的出口,如图3所示。


图3  (a)参考结构,(b)基于压降的优化,(c)基于平均温度的优化,(d)基于温度均匀性的优化

液体冷却系统的换热性能有了很大程度上的提升,液冷方式不需要风机,所以在保证换热需求的同时还使得系统更加紧凑、降低了噪声。但是液体冷却系统更加复杂,成本更高,而且可能存在液体泄漏的风险。

1.1.3  相变材料冷却

电池热管理常用的相变材料(Phase change material,简称PCM)是石蜡,石蜡是石化工业生产的,廉价易得,在数百摄氏度范围内具有稳定的化学性质和无腐蚀性。其熔点根据碳元素组成在5.5 ℃和76 ℃之间,可以很好地与电池最佳温度区间契合。PCM在发生相变时会释放或吸收大量潜热,且温度不会发生太大的改变。

2002年,AL-HALLAJ S和SELMAN J R第一次提出将石蜡用于电池热管理中,采用的石蜡熔点温度是56 ℃。在1C放电倍率下,对比了PCM、自然对流、强制风冷的散热性能,结果表明应用PCM的电池组温度更加均匀。然而,纯石蜡的导热系数非常低,一般在0.17~0.35 (W/m·K),这极大地阻碍了相变材料的散热能力。需要加入一些其他材料提高PCM的导热系数。GOLI等提出了一种石墨增强型混合PCM,并应用于锂离子电池热管理系统。将石墨烯制成纤维层状加入融化的石蜡中,然后将圆柱形电池浸没在制备好的混合PCM中。分析了不同石墨烯质量分数的PCM对系统换热性能的影响。

JIANG G等提出了一种PCM结合风冷的电池热管理系统,PCM是膨胀石墨和石蜡的混合物,如图4所示。铝壳容器的中间有挡板,两端有风扇形成强制对流,挡板的作用是形成空气扰流,加大对流换热系数。对比了带PCM和纯风冷系统的换热能力,研究了不同厚度的PCM的融化时间。


图4  PCM结合风冷的电池热管理系统

纯PCM冷却系统不需要消耗额外的能量,且具有很好的均温性。但是,PCM的导热系数非常低,不利于热量的扩散,这很大程度上限制了PCM冷却系统的应用。提高PCM的导热系数,以及使PCM系统具有再生能力使其能够持续吸收电池热量是近几年关于相变材料的研究热点。

1.1.4  热管冷却

热管的作用机理是,工作介质在蒸发端受热,吸收热量后蒸发,将热量传递到冷凝端,工作介质在冷凝端释放热量后可通过重力重新回到蒸发端。在这种方式下,热量可以不断地从蒸发端传递到冷凝端,而不消耗额外的能量。

TRAN T等提出了一种将扁平热管与自然和强制对流结合的冷却方式,分析了在不同热管倾角和翅片倾角下,热管的冷却性能。在不同条件下进行了测试,结果表明电池的温度保持在50 ℃以下。FENG L等也设计了一种微型冷却风扇和热管结合的冷却系统,热管与圆柱电池通过铜片接触,实验结果证明了热管应用于电池热管理系统的优越性。DENG S等设计了一个将平板热管和铝板相结合的电池冷却系统,实验研究了高倍率放电下电池的温升情况。结果表明,在环境温度37 ℃,100 A放电电流下,采用热管加翅片方式的电池温度可以控制在40 ℃左右,温差在1.7 ℃左右。


图5  平板热管和PCM相结合的冷却系统

2018年,HUANG Q等提出了一种将平板热管、相变材料(PCM)和强制对流相结合的冷却方式,如图5所示。试验对比了3个热管理系统的散热性能,纯PCM、PCM-空气热管、PCM-液体热管。结果显示,5个循环之后,PCM-液体热管系统的温度能稳定保持在第一个循环后的温度,最终温度在50 ℃以下。

与其他冷却方式相比,热管似乎具有更有效的散热能力,但热管应用于汽车动力电池的可行性还有待进一步研究。应该综合评估其成本、重量、以及受车辆冲击和振动影响的热性能退化等因素。

1.2  电池加热技术

目前应用于电动汽车上比较成熟的电池外部加热技术是PTC加热器和金属电阻加热器,它们可以由电池本身或外部电源供电。PTC材料是一种对温度敏感的半导体电阻材料。当PTC加热器的温度超过设定的温度阈值时,其电阻会显著增加,以便可以调节PTC加热器的电流,可以将加热器的温度维持在一定水平。JIN X等将PTC片和铝板夹在方形电池中,使用电池本身对PTC加热器供电。结果表明,可以在48分钟内将电池从-19.3  ℃加热到-2.4  ℃。

在低温下为电池充电可能会导致电池析锂,但是可以通过放电产生的热量使电池的内部温度升高,这就是电池自加热法。JI Y等使用电化学热耦合模型进行仿真研究,结果表明,使用2C恒流放电可以实现在大约420秒内将电池温度从-20  ℃加热到15  ℃。可以通过改变放电电流的大小来减少加热时间。交流电加热是指将交流电作为输入信号施加到电池电极端子上,从而在电池内部产生热量。可以调节交流电电流信号的频率和幅值,从而调节在电池内部产生的热量。PESARAN A A等首先研究了使用10 kHz~20 kHz的交流电在低温下加热汽车镍氢电池的可行性,发现可在8 min内将电池从零下温度加热到室温。

内部自加热需要消耗电池自身的电量,因此该方法仅在电池SOC相对较高时才适用。交流电加热被证明是可行的,而且不消耗电池能量。但是,内部加热法需要考虑对电池寿命衰减的影响。

2  电机热管理

电机及其电控热管理的主要任务是分析电机内部的产热机理,设计冷却系统对其进行降温,保证电机及电控系统处于合适的温度范围内。目前电机冷却系统主要有空冷、液冷及其他冷却方式。

气体冷却方式的结构简单、制造成本低。KONDO M等对永磁同步电机设计了一个冷却系统,在轴承四周布置了环形冷却腔以隔绝电机内部的热空气,在电机轴承的外侧安装了带槽的小圆盘,通过风扇实现强迫对流。结果表明,该结构增强了电机的冷却性能,且平均能耗也有所减少。

液体冷却方式因其优异的换热性能,而广受关注,主要研究热点是电机外壳水套的结构设计及水道的设计。田玉冬等对一台额定功率为21 kW的电动车的永磁同步电机优化设计了一种C型环槽水路结构,并运用有限元数值计算的方法,对电机水冷系统及电机内部的三维温度场进行了计算分析。研究结果显示,转子区域内温度分布均匀,最高温度集中于磁钢中部;定子区域内绕组端部的温度高于中部温度。丁杰等对电动车用高功率密度的永磁同步电机螺旋水路的进出口水管布置方式进行了分析。仿真计算表明,进出水管切向于水路方式比进出水管法向于水路方式的压降损失要小,降低了10.7%。通过压降、表面散热系数与散热面积的综合分析,最终确定了最优化的水路结构设计方案。

NAINI S S等设计了一种新型的混合型电机冷却系统,冷却系统包括热管、铜管水套、风扇,风扇可以加速带走冷凝端的热量,如图6所示。这种被动式和主动式相结合的冷却系统,可以设计有效的控制策略以优化冷却系统的能耗。对电机冷却系统的热特性进行了试验和数值研究。结果发现,对于250 VA的热负荷,在保证运行工况的前提下,采用混合冷却策略可节省33%的功耗。



 

图6  新型混合型电机冷却系统


3  热泵空调系统

电动汽车的热泵空调系统,其作用主要是给乘员舱供冷、供暖、通风以及实现挡风玻璃的除霜除雾和车外换热器除霜等。主要研究重点在于提高制冷/制热的能源效率、车外换热器的除霜方法及替代制冷剂的研究等。

3.1  热泵系统技术

传统的制热模式是通过PTC加热器来实现的,然而,使用PTC加热器会严重减少电动汽车的行驶里程。ZHANG Z等对两种空调系统(带PTC加热器的单一制冷空调系统和热泵空调系统)在中国30个城市的年度能耗进行了计算。结果表明,除了热带城市,热泵系统可以实现平均41.3%的节能。因此,热泵系统应用在电动汽车上,是很实际也是很有前景的。2013年,李丽等设计了一个最基本的用于电动汽车的可逆蒸汽压缩式热泵空调系统,制冷工质是R134a。制冷模式和制热模式是通过四向阀的转换来实现的。分别在环境温度为35 ℃和-15 ℃做了实验,测得系统的制冷量和制热量分别为2.95 kW、2.63 kW。

考虑到车内除雾和除湿的需求,1996年, IRITANI K和SUZUKI T提出了一种以R134a为制冷剂的电动车热泵系统。可以实现制冷、制热、车内除雾和除湿的功能。系统包含了两个车内换热器(一个蒸发器和一个冷凝器),一个车外换热器。当系统切换至除雾模式时,制冷剂流经3个换热器,车内蒸发器的蒸发制冷过程可以减少空气的相对湿度,达到除雾除湿的目的。结果显示,在环境温度为-10 ℃时,系统的COP可以达到2.3 kW。2014年,QIN F等设计了一种带有3个换热器的蒸汽压缩式热泵系统,研究了其在低温环境下的热性能。基于车内挡风玻璃水汽凝结除雾的需求,在全新风供应和多个低温环境(-20 ℃,-15 ℃,-10 ℃)条件下进行了测试。结果指出,在-20 ℃条件下,最大COP超过了1.7。

在制热模式下,车外换热器被当作蒸发器使用,其表面温度可能会低于0 ℃,这会引起换热器表面结霜或者结冰,从而使换热器的性能急剧下降。李会喜试验研究发现车外换热器结霜会严重降电动汽车热泵系统的热性能,空气通过车外换热器时流量减少了36.7%,制热量会减少大约34.7%,系统的COP降低了31.2%。因此,电动汽车的除霜是必不可少的,应用于电动汽车除霜的方法主要有逆循环法和热气旁通法。逆循环法除霜是通过改变四通换向阀的方向,切换至短暂的制冷模式,车外换热器当作冷凝器使用,从而融化掉换热器表面的霜。李会喜对一台电动汽车用空调热泵系统的除霜过程进行了研究,发现在给定的条件下,使用逆循环的方法,可以在120s内实现全部融化。研究还发现,车外换热器表面未被蒸发的水容易导致二次结冰,这又会降低系统的性能。热气旁通法除霜通常是指将压缩机排气旁通到蒸发器入口处,利用压缩机排出的高温高压制冷剂的潜热来融霜。A. STEINER等对电动汽车热泵系统的热气旁通法除霜进行了研究,加了两个电磁阀,可以实现除霜模式和制热模式的切换。研究表明,在一定的工况下,以结霜和除霜过程的平均COP为优化目标,存在一个最佳的除霜时间点。

上述两种电动汽车常用的除霜方法,各有优缺点。逆循环法除霜,有更高的除霜效率,因为有了温度较高的驾驶舱热源可以用,但是逆循环法除霜过程会引起车内温度的波动。热气旁通法除霜过程中可以同时保证车内制热模式正常地运行。然而,热气旁通法除霜,需要加一个旁通阀,还要考虑到压缩机排气温度升高,需要额外的冷却装置,这增加了系统的复杂性。从节能和可行性来看,在实际运用中逆循环法除霜法更有前景。

电动汽车热泵空调系统的关键问题是,随着温度降低,热泵性能会急剧下降,尤其是对于R134a的热泵系统。王沣浩等指出,空气源热泵在环境温度较低时,会出现压缩机的压缩比增大、排气温度高、制热量不足等问题。因此需要引入其他的辅助措施,提高热泵系统的性能。KIM K Y等研究了一种混合供热系统,将PTC加热器和热泵系统结合起来,用于电动汽车在制热模式下供暖。相比较单一的PTC加热器供热,在满足车内温度20 ℃条件下,混合供暖热泵系统的制热量提高了59%。LI H等将经济器补气增焓技术运用于电动汽车的空气源热泵空调系统,原理图如图7。将压缩机高压侧单独引出一条补气回路,节流后经过经济器与主回路制冷剂换热,然后再喷入压缩机中。补气回路增加了系统的制热量,同时改善了压缩机的排气温度,提高了系统的能源效率。试验结果显示在-20 ℃环境下,COP约为1.5,制热量提升了20%。AHN J H等研发了一种双热源热泵空调系统,并将其应用于电动汽车上。这种双热源是指空气源和电动汽车废热源,工质是R134a。实验结果显示,这种双热源系统比单一空气源或者单一废热源性能更好。然而,当环境温度低于-10 ℃时,这种双热源系统的性能很大程度上要依赖于废热量。作者还指出,可以通过两种单一模式的交替运行来解决极端环境下热源热泵性能低的问题。


图7  LI H等人设计的带喷气增焓的热泵系统

双级压缩机的应用可以进一步增加热泵系统的制热量,PITARCH M等人对R744跨临界循环热泵系统的不同方式的双级压缩进行了分析和优化,一种是两个压缩机串联,另一种是两个压缩机并联,原理图如图8所示。对于第一种,两个压缩机串联的方式,为了降低其高压级压缩机的排气温度,这种热泵系统必须要有中间冷却,中间冷却有两个方式:一是从低压级压缩机出来的气体先和环境换热之后,再进入高压级压缩机;二是低压级压缩机的气体和节流后的制冷剂混合后再进入高压级压缩机。将两种方式的双级压缩和R744单级压缩、R134a双级压缩系统做了对比,双级压缩机的COP分别提高了11%和14%。研究还指出,并联双级压缩更容易实现,但是串联双级压缩系统相比并联压缩系统有更高的COP和更大的工作温度范围。


图8  R744双级压缩循环原理图:(a)两压缩机串联,(b)两压缩机并联

3.2  汽车空调制冷剂

对于汽车空调制冷剂方面的研究,目前R134a是主流的车用空调制冷剂。但是,根据欧盟已通过的含氟温室气体控制法规的要求,自2017年1月1日起,欧盟将禁止新生产的汽车空调使用GWP(全球变暖潜能值)大于150的制冷剂。然而,R134a的GWP大于1 300,因此对于新的车用空调替代制冷剂的研究是非常迫切的。GWP在150以下的能够替代R134a的制冷剂主要有以下两类:一是不饱和氟化烯烃类制冷工质,例如R1234yf、R1234ze等;二是天然制冷工质,例如R744、R717等。

R1234yf具有较好的环保性能,ODP(臭氧耗减潜能值)为0,GWP为4,整个生命周期碳排放量较低,毒性小。其热力性能与R134a相近,因此可以直接应用于目前典型的空调系统。有关R1234yf空调系统的研究表明,用R1234yf的空调系统的COP和制冷量略低于R134a系统。

R744(CO2)的ODP为0,GWP为1,具有无毒、不可燃、来源广泛等优点。此外,在热泵模式,R744有较高的制热量和COP,使得其可以在较低的环境温度和较高的乘员舱送风温度下运行。但是,由于CO2的饱和蒸汽压较高,R744系统需要在高压条件下运转,需要进行跨临界循环,R744系统的工作压力是传统系统的7~10倍。WANG D等研究了寒冷天气下电动汽车R744热泵空调系统的供暖性能。该系统采用电动涡旋压缩机,采用电磁阀来调节超临界区域的制冷剂质量流量和压力。试验结果表明,在室外温度、室内进风口、出风口温度分别为-20  ℃、20  ℃和40  ℃的条件下,该系统的COP能达到1.7。R717(氨)也是一种环保制冷剂,其ODP和GWP均可忽略,但R717有一定刺激性、毒性和可燃性,若将R717应用到汽车空调系统上,必须要设计回路解决密封和防爆的问题。胡杨等提出了将R717应用到电动汽车空调上,作为R134a的替代制冷剂。研究表明,设计的氨工质电动汽车空调系统的理论COP与R1234yf系统的理论COP相当,二次回路的设计可使得R717比R1234yf更安全可靠。

R1234yf和R134a具有相似的物理性质,因此,R1234yf会成为取代R134a的优先选择。但是,关于R1234yf应用于电动汽车空调系统的研究却略显不足。R744系统在寒冷环境条件下具有出色的供暖性能,也是一个很有前景的选择,但冷却性能却有所不足。目前在车用空调制冷剂领域还没有非常好的替代方案,现有的替代方案需要牺牲系统性能或者经济性来实现,寻求更优秀的替代制冷剂仍将是今后研究重点之一。

4  集成热管理系统

前面分别介绍了电池热管理、电机及其电控热管理、热泵空调系统各自的研究内容。然而,他们之间可以联系起来,组成更高效的集成热管理系统。

2011年,通用汽车推出了一款增程式电动汽车“雪佛兰伏特”,将电池、乘员舱的热管理系统通过空调系统联系起来,可以同时满足电池和乘员舱的制冷/制热需求,如图9所示。当环境温度很低时,“C”回路导通,电池被水暖PTC加热,可以快速达到适宜的温度。当环境温度很高时,“B”回路导通,从冷凝器出来的低温冷却液可以快速带走电池的热量。当环境温度适中的时候,“A”回路导通,电池散热器足够使电池的温度保持在适宜的范围内。


图9  通用汽车提出的集成热管理系统

ZOU H等对某款五座电动汽车提出了一种集成热管理系统,集成热管理系统可以实现电池和乘员舱的热管理,可同时满足电池和乘员舱的加热或冷却。电池和乘员舱并联,制冷模式下,可以通过调节各自回路的电磁膨胀阀来改变通过乘员舱蒸发器和电池冷凝器的制冷剂流量。预热模式下,乘员舱由热泵系统供暖,电池组的预热通过水暖PTC加热冷却液实现。研究发现,电池冷却回路的附加并联支路可以在不增加输入功率的情况下,额外提供约20%的制冷量。当环境温度和车内温度为-20 ℃和20 ℃时,乘员舱加热时的COP可以达到1.34。

YOKOYAMA A等研发了一种集电机/逆变器和乘员舱的空调系统于一体的集成热管理系统,电机和乘员舱串联,中间有一条旁通回路,通过旁通阀的控制,可以实现电机的冷却以及电机的余热回收。在冷却模式下,旁通回路打开,冷却液通过电机冷却循环,而不通过乘员舱的内部换热器。在加热模式下,电机换热器回路的电子膨胀阀处于关闭状态,因此,电机冷却回路的换热器是不工作的,电机的热量可通过内部换热器传递给乘员舱,此时可利用热泵的热量和电机/逆变器的废热给乘员舱供暖。通过电机的废热回收,可将采暖能耗降低至580 W以下,且采暖容量达到2.0 kW,加热模式下COP超过了3.3。

2018年,TIAN Z等提出了一种集乘员舱、电池和电机为一体的电动汽车整车热管理系统(图10)。该集成热管理系统可以实现乘员舱的加热/冷却需求、电池的冷却需求、电机冷却需求,在制热模式下,可以通过热泵系统回收电机的废热给乘员舱加热。研究了压缩机转速、环境温度、废热负荷等参数对系统性能的影响。结果表明,电池冷却回路的开通,使电池的电量降低了10.60%。冬季采暖条件下,电机的废热回收有助于提高蒸发压力和出口空气温度,与PTC加热器相比,集成热管理系统可使系统的能耗减少53.07%。电机废热回收有利于延长行驶里程,使电动汽车行驶里程延长了31.71%。


图10  TIAN Z等提出的集成热管理系统

张天时设计了一种全功能的电动汽车一体化热管理系统,系统包括乘员舱供暖通风系统、电池组热管理系统、电子设备冷却系统(电机、PCU、DC-DC)、PCM储能系统。该系统通过冷却液循环来传递和分配由热泵、电池、电机/电控等产生的热量,从能量全效率角度实现了整车热量的管理。在寒冷的天气下,PCM储能系统将从电池组和电子设备回收的废热,用于支持电池组预热和提高热泵的效率;在温和的天气和条件下,电池和电子设备由散热器冷却;而在极端或高温的天气条件下,它们将由冷凝器迅速冷却。该研究包括了电动汽车的夏季制冷和冬季采暖,可实现全天候的低能耗热管理。

5  结束语

本文分别对电池热管理系统、电机热管理、热泵系统的研究内容进行了详细阐述,结合国内外的研究现状,对各种电池冷却/加热技术以及电机冷却技术进行了总结和归纳,分析了不同冷却/加热技术的优缺点,总结了热泵系统在应用过程中存在的问题及其解决方案。此外,还从整车层面上对集成热管理系统的国内外研究现状进行了总结和分析。最后对于未来电动汽车热管理系统研究的预测和展望如下,希望对今后电动汽车热管理系统的进一步研究提供一些参考。

1)基于液体冷却的电池热管理系统有很大潜力成为未来应用最广泛的电池热管理技术。因为基于液流循环的热管理技术可以很容易的实现加热和冷却的两种功能,另外,此方法可以很好地将电池热管理系统、电机及电控热管理系统、热泵系统联系起来。

2)设计出更高效的换热器、建立精确的热模型和换热关系,可以进一步推动电池、电机热管理技术的发展。

3)热泵系统在解决乘员舱热管理方面具有很大的潜力和优势,补气增焓技术、新的除霜方法、低温下多种热源供暖、新的替代制冷剂的进一步研究可使得热泵系统在低温环境下得以应用推广。

4)在冬季低温环境下,结合PCM蓄能,回收电池、电机废热给乘员舱供暖的技术具有很大潜力,可以延长电动汽车的行驶里程。研究出一种舒适、高效、安全的一体化热管理系统是今后的发展趋势。





本文选自《制冷与空调》2020年5月刊60-70页;作者:李夔宁  邝锡金  荣正壁  李京苑  谢翌;未经许可,不得转载



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