混合動力車和電動車的新型加熱方式

【德】　C. Hainzlmaier　A. S. Regueiro　M. Lappe

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新能源汽車

混合動力車和電動車的新型加熱方式

【德】C. HainzlmaierA. S. RegueiroM. Lappe

混合動力車和電動車由于發(fā)動機(jī)要頻繁在高效率區(qū)運(yùn)行，由于在純電力驅(qū)動情況下發(fā)動機(jī)不能作為熱源使用時(shí)，車輛就會發(fā)生沒有熱源的問題。特別是對于駕駛室的溫度調(diào)節(jié)，需要額外的熱源來保證舒適性與安全性。為了使電力驅(qū)動的續(xù)駛里程最大化和提高燃油效率，需要在動力蓄電池耗電最少的情況下，快速、高效和安全地生成熱量。Webasto公司基于1種獲專利的新熱層技術(shù)開發(fā)了新型高電壓加熱器。介紹了為達(dá)到該項(xiàng)目目標(biāo)的設(shè)計(jì)理念和研發(fā)結(jié)果。

動力電池加熱器廢熱利用

0　前言

汽車行業(yè)中向電力驅(qū)動和電氣動力總成發(fā)展的趨勢催生了種類繁多的車輛概念。從輕度混合動力到全混合動力、增程器和純電動車，電氣化程度在逐漸提高，同時(shí)內(nèi)燃機(jī)的應(yīng)用在下降。隨著發(fā)動機(jī)的不斷優(yōu)化、先進(jìn)的控制策略推出，以及越來越多的電動駕駛，由發(fā)動機(jī)或其他裝置產(chǎn)生的廢熱導(dǎo)致可用于駕駛室或動力蓄電池溫度調(diào)節(jié)的熱量不足，各種電氣化車輛對熱量需求的依賴度如表1所示。

表1各種電氣化車輛對熱量需求的依賴度

1　車輛加熱的功能和目的

1.1主要的功能和目的

駕駛室加熱是確保車輛安全及舒適行駛的1個(gè)重要功能。除了駕駛室舒適性和車內(nèi)的溫度以外，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)(HVAC)還必須確保包括滿足法規(guī)要求在內(nèi)的某些功能，如根據(jù)歐洲法規(guī)672/2010和美國聯(lián)邦機(jī)動車輛安全標(biāo)準(zhǔn)FMVSS103的規(guī)定，必須在20min后除去擋風(fēng)玻璃上80%以上的冰。除霜和去濕是法規(guī)要求的另外2項(xiàng)功能。駕駛室的良好調(diào)溫是舒適性和安全性的基礎(chǔ)，這也是保證駕駛不受影響的重要因素。

1.2性能指標(biāo)

對加熱器的主要要求隨汽車的用途而定，概括如下因素： (1) 效率最高；(2) 成本較低或比較合理；(3) 反應(yīng)時(shí)間快速，可控性好；(4) 封裝尺寸盡可能最小化和質(zhì)量輕；(5) 可靠性好；(6) 可持續(xù)性和環(huán)保性好。

1.3加熱概念

總的來說，熱概念可以分為主要熱源和次要熱源。主要熱源是能產(chǎn)生駕駛室調(diào)溫所需的2kW以上熱量的熱源。次要熱源產(chǎn)生的熱量在2kW以下，通常將其熱量導(dǎo)向特定的部位，如座椅加熱器。

1.3.1空氣加熱器與水加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)可分為2種主要的類別，它取決于燃料類加熱器還是電加熱器實(shí)現(xiàn)的加熱： (1) 直接加熱空氣的空氣加熱器，它能使駕駛室快速升溫；(2) 使用冷卻液作為媒介熱量載體的水加熱器，它能更好地分配熱量并集成在HVAC中。

過去，混合動力車和電動車中引入了燃用燃料的加熱器，其較低的電力消耗可使電能用于車輛行駛，而不是用于加熱。因?yàn)樵诙臼褂秒娂訜崞鲿闺娏︱?qū)動的續(xù)航里程縮短約50%，因此人們通常選擇燃料加熱方法。

然而，對無排放車輛系統(tǒng)的需求使得人們必須尋找其他加熱方案，其中電加熱器概念就是1種可行的解決方案。

1.3.2電加熱器概念

在開發(fā)之前，對現(xiàn)有和潛在的幾種技術(shù)(如線繞電阻或正溫度系數(shù)(PTC)加熱)進(jìn)行了分析。對4項(xiàng)主要的開發(fā)目標(biāo)進(jìn)行了評估，并針對這些目標(biāo)對幾種潛在的技術(shù)進(jìn)行了比較：

(1) 在效率方面，新的加熱器必須是高效的，它應(yīng)能在較寬的冷卻液溫度范圍內(nèi)和所有的電壓下提供所需的熱量輸出；

(2) 在質(zhì)量和尺寸方面，新型加熱器必須做到尺寸盡可能小，質(zhì)量盡可能輕；

(3) 在使用性和成本方面，必須避免使用稀土材料和Pb，同時(shí)，新產(chǎn)品的成本必須有競爭力；

(4) 在安全性方面，在所有的條件下都必須防止任何觸電危險(xiǎn)或者燙傷事故。

在現(xiàn)有的汽車用電加熱器概念中，最流行的是采用由溫度系數(shù)為正值的鈦酸鋇(BaTiO3)制成的電阻器的PTC加熱器。為此，對其工作原理的若干細(xì)節(jié)進(jìn)行了說明，并將它與按高電壓加熱器HVH開發(fā)的層狀加熱器進(jìn)行了對比。

圖1所示為PTC元件的電阻隨溫度的變化曲線，并將它與HVH的電阻溫度曲線作了比較。

圖1　　　　基于BaTiO3的PTC元件和HVH　　　熱層技術(shù)的電阻隨溫度變化的關(guān)系

圖中表明，PTC元件具有非常明顯的非線性特性，在較低的溫度下電阻減小，之后溫度升高時(shí)電阻陡增。這一特性會導(dǎo)致在施加電壓時(shí)發(fā)生電流的自我限制。雖然PTC元件的自限制特性在某些方面能使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，特別是故障模式的系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為容易，但它還是有某些固有的缺陷，其中主要的缺陷包括： (1) 當(dāng)PTC溫度超過120℃時(shí)，需要摻雜Pb[1]。為了確保在封裝尺寸較小的情況下能快速傳熱，在應(yīng)用汽車?yán)鋮s液加熱器時(shí)，PTC元件需要在必須摻雜Pb的溫度范圍內(nèi)工作；(2) 稀土金屬La的應(yīng)用對于PTC來說是十分常見的；(3) 通電時(shí)會產(chǎn)生較高起動電流的非線性電阻/溫度曲線，再加上PTC元件較高的熱阻，使得PTC加熱器的響應(yīng)時(shí)間相對較慢；(4) 由于PTC溫度較低，會導(dǎo)致傳遞到冷卻液的熱量較少，因而隨著冷卻液溫度升高，熱性能會降低；(5) 當(dāng)PTC溫度變小時(shí)，熱性能會隨著電壓降低而降低，從而限制了傳熱。(6) 由于PTC元件的溫度與施加的電壓直接相關(guān)，在部分負(fù)荷時(shí)很難進(jìn)行控制。

2　新型高電壓加熱器原理

初步評估和預(yù)開發(fā)的結(jié)果表明，1種新的電加熱器概念必須滿足為電加熱器設(shè)定的所有目標(biāo)。

2.1熱層原理

根據(jù)對幾種加熱器技術(shù)進(jìn)行分析所得的結(jié)果，層狀加熱器概念被選定為最富前景的加熱器概念，它既能實(shí)現(xiàn)較高的效率，又能集成為1種尺寸小、質(zhì)量輕的加熱單元。

熱層的一般結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用熱噴涂方法將電隔離層、熱層和傳感器元件涂覆在鋁質(zhì)熱交換器上，這些覆層的總厚度大約為0.7mm。由于這些覆層是均勻地噴涂在熱交換器上且粘合牢固，因而可以在整個(gè)熱交換器的表面實(shí)現(xiàn)非常均質(zhì)的熱量分布，從而能均勻地傳熱。

圖2　熱層技術(shù)的結(jié)構(gòu)

熱層原理在非汽車應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)是1種成熟的技術(shù)。主要在消費(fèi)類電器行業(yè)應(yīng)用，它已經(jīng)被應(yīng)用于洗碗機(jī)和洗衣機(jī)中。

這項(xiàng)獲專利的適用于汽車的技術(shù)方案其主要創(chuàng)新點(diǎn)是采用了熱噴涂工藝，它能使幾個(gè)覆層牢固地粘接在基礎(chǔ)材料上[2]。它能實(shí)現(xiàn)非常薄的覆層以高粘性和最小的熱阻相互粘合連接，如圖3所示。

與PTC加熱器采用的緊配合相比，熱層技術(shù)的熱量傳遞速度更快，由于熱阻較低，熱元件本身可以在較低的溫度下工作。圖3中顯示了線繞電阻加熱技術(shù)的特性，其溫度上升到了800～900℃。與線繞電阻加熱技術(shù)相比，PTC的熱阻與之相似，但可達(dá)到的最高溫度較低。這兩種技術(shù)及其特性與熱層技術(shù)正好相反，熱層技術(shù)的熱阻明顯更低，因而允許更低的最高溫度。

與此同時(shí)，熱層概念能使外表面與熱交換器之間實(shí)現(xiàn)高度的絕熱(圖4)。這是實(shí)現(xiàn)較高傳熱效率的重要因素之一。

圖4　　　　在最高冷卻液溫度和最大功率下工作時(shí)　　　外罩和熱交換器的熱量分布

2.2熱層的電氣特性和系統(tǒng)配置

HVH中所用的熱層所起的作用就像1個(gè)普通電阻器，它產(chǎn)生的熱量與施加的電壓之間呈平方關(guān)系。因此，隨著電壓的增加，如果不安裝限制功率的機(jī)構(gòu)，電功率將會增大。這與PTC加熱器正好相反，后者具有隨著電壓增加的固有限制特性。

2.2.1安全目標(biāo)

根據(jù)按ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的故障和風(fēng)險(xiǎn)詳細(xì)分析，確定了HVH的主要安全目標(biāo)為無電擊和無過熱現(xiàn)象。

因此，在整個(gè)設(shè)計(jì)和開發(fā)階段應(yīng)對此十分注意，以確保在HVH的所有工作條件下都能滿足這些安全目標(biāo)。

通過一些容易利用的措施，諸如采取高電壓側(cè)和低電壓側(cè)的電絕緣、基礎(chǔ)絕緣和電位補(bǔ)償?shù)却胧﹣眍A(yù)防電擊。

由于在工作溫度范圍內(nèi)加熱層的電阻近乎恒定，如果不采取某種控制手段的話，HVH的電功率勢能和生成的熱量將會隨電壓的升高而快速、成比例地增加。一方面，由于在整個(gè)工作范圍內(nèi)產(chǎn)生的熱量不受施加的電壓或冷卻液溫度的限制，這是HVH的主要優(yōu)點(diǎn)之一。另一方面，HVH工作不受控制將會產(chǎn)生高溫，且可能會超過HVH的溫度限值。因此，HVH的主要挑戰(zhàn)之一是要開發(fā)一種能在所有情況下防止不受控制熱量生成的系統(tǒng)配置。下列章節(jié)將介紹幾種主要的電子保護(hù)機(jī)制。

2.2.2預(yù)防不受控制的熱量產(chǎn)生

主要的保護(hù)機(jī)制可分為以下幾類： (1) 確保冷卻液溫度的穩(wěn)定控制；(2) 可靠地檢測HVH所有相關(guān)零件的電流、電壓和溫度過載；(3) 在檢測到過載的情況下，快速、安全地轉(zhuǎn)換到安全狀態(tài)。

用1個(gè)脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制的電源開關(guān)控制通過熱層所需的功率。以高切換頻率用1個(gè)DC-Link電容器使電壓保持平穩(wěn)。出于備用原因，設(shè)置了1個(gè)附加的電源開關(guān)。它能使高電壓回路斷路，即使其中的1個(gè)電源開關(guān)短路，它也能將HVH帶入安全的狀態(tài)。

HVH采用冷卻液輸出的溫度信號作為控制冷卻液溫度的主要輸入。為了防止在可能出現(xiàn)的故障模式中發(fā)生過熱，額外安裝了幾個(gè)溫度、電壓和電流傳感器。

如果這些傳感器中的任何1個(gè)超過了規(guī)定的閾值，硬件邏輯線路將立即檢測到這一信息并關(guān)閉與微控制器無關(guān)的電源開關(guān)。通過這些措施，一旦檢測到潛在的過熱，HVH始終能回到安全的狀態(tài)。

由于直接涂覆的傳熱層非常薄(0.7mm)，熱交換器表面與冷卻液之間的溫度差值相當(dāng)小(圖4)，這就允許將過熱傳感器標(biāo)定為稍稍大于系統(tǒng)的最大冷卻液溫度(120℃)(表2)。當(dāng)溫度低于過熱或過熱狀態(tài)下會發(fā)生損壞的溫度水平時(shí)，該標(biāo)定溫度是安全的。在冷卻系統(tǒng)經(jīng)受冷卻液或冷卻液流損失時(shí)，該技術(shù)的這一特性還能提供非?？斓捻憫?yīng)時(shí)間。

2.2.3HVH的性能

在整個(gè)開發(fā)期間，對這種新型熱層技術(shù)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證，并確證了它相對于傳統(tǒng)加熱系統(tǒng)(如PTC加熱器)所具有的優(yōu)點(diǎn)。它與現(xiàn)有加熱器系統(tǒng)相比，主要性能改善可概括如下： (1) 與PTC相比無起動電流；(2) 提高電壓或冷卻液溫度時(shí)無功率限制；(3) 從工作開始電壓和電流就很穩(wěn)定，電壓和電流的脈動非常?。?4) 電氣和熱響應(yīng)時(shí)間非常短；(5) 在整個(gè)工作范圍內(nèi)功率/電流呈線性控制。

圖5是在1輛電動車上測得的通電時(shí)和通電后HVH與PTC加熱器的電力特性比較。上述HVH的優(yōu)點(diǎn)得到了確認(rèn)。與PTC加熱器相比，HVH無起動電流，響應(yīng)時(shí)間非?？欤覜]有功率限制。

由于優(yōu)化了熱交換器的形狀，使其暴露在外面的表面最少，并使外罩與熱交換器之間隔熱，因而HVH達(dá)到了近99%的轉(zhuǎn)換效率。這一效率由1家德國的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了驗(yàn)證(圖6)。在該試驗(yàn)中，HVH自身暴露于-10℃的在零空氣流速下氣溫中。

圖5　在車輛應(yīng)用中測得的HVH與PTC加熱器的電力接通特性(起動條件： 冷卻液入口溫度-20℃，　　　與車輛HVAC的設(shè)置相同)

圖6　由獨(dú)立德國實(shí)驗(yàn)室測得的HVH轉(zhuǎn)換效率(空氣溫度-10℃，冷卻液溫度75℃，冷卻　　　液流量10L/min，空氣流量240kg/h)

高轉(zhuǎn)換效率和快速響應(yīng)時(shí)間的正面效果在車輛上測定時(shí)得到了驗(yàn)證。如圖7所示，與安裝在車輛上的PTC加熱器相比，HVH達(dá)到60℃參比溫度的時(shí)間幾乎要減少一半(270s與500s)，并且消耗的電能減少40%(0.28kW·h與0.48kW·h)。這一差異是由于HVH的通電響應(yīng)快(即實(shí)際上能立刻達(dá)到目標(biāo)功率水平)，以及貼近冷卻液的加熱層較薄的緣故。相比之下，PTC加熱器則由于電阻會發(fā)生變化，以及PTC與冷卻液之間的熱質(zhì)量較大，而出現(xiàn)通電響應(yīng)時(shí)間延遲。該試驗(yàn)中冷卻液流量設(shè)定為270L/h。

圖7　　　　在實(shí)際車輛上應(yīng)用時(shí)，HVH與PTC　　　加熱器冷卻液升溫特性的比較

2.3技術(shù)數(shù)據(jù)匯總

新開發(fā)加熱器的主要特性如表2所示。加熱器的長、寬、高尺寸為284mm、200mm、54mm，體積為1700mL、質(zhì)量為2kg，基于熱層技術(shù)的HVH是最小的加熱器，它能在-40～90℃的整個(gè)冷卻液溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生5kW的熱量，并能夠使最高溫度升到高達(dá)120℃。PWM控制的單元允許在250～450V的電壓范圍內(nèi)對熱量輸出以50W的步長從200W調(diào)節(jié)到5kW。

表2　HVH的主要規(guī)格匯總

3　結(jié)語

總結(jié)來說，開發(fā)了1種適合汽車應(yīng)用的新型高電壓加熱器，采用了直接熱噴涂的薄膜電阻加熱層技術(shù)。這一技術(shù)能使冷卻液實(shí)現(xiàn)非常快速和準(zhǔn)確控制的加熱。在緊湊而輕量的設(shè)計(jì)中還包括了備用的機(jī)械安全系統(tǒng)、硬件，以及安全系統(tǒng)。

新型熱層技術(shù)具有相當(dāng)扁平的結(jié)構(gòu)，并能直接涂覆在熱交換器上，它能為汽車取暖領(lǐng)域帶來各種有前景的應(yīng)用機(jī)會，且能不局限于目前應(yīng)用中采用的形狀或幾何結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)新技術(shù)將會首次在量產(chǎn)乘用車上應(yīng)用。

該項(xiàng)術(shù)可以應(yīng)用于諸多場合，它的外形尺寸與熱量需求、所需的供熱位置或供熱目的無關(guān)。目前正在對其中幾種可能性對進(jìn)行評估。

通過這些評估，主要想推出幾種可供選擇的技術(shù)方案，如改變工作電壓范圍和熱量輸出水平。除此之外，將熱層技術(shù)應(yīng)用于空氣加熱器的方案無疑也是另一種選擇。

[1] Hegbom T. Integrating electrical heating elements in appliance design[M]. Taylor & Francis Inc., 1997, 355-371.

[2] IAV lab report commissioned by Webasto, 2013.