純電動(dòng)重卡熱管理研究

郭帥 喬雷軍 張超

摘 要：純電動(dòng)重卡包含動(dòng)力電池?zé)峁芾?、電機(jī)冷卻和空調(diào)等三套子系統(tǒng) 文章分析研究了各子系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 根據(jù)其基本原理和基本組成發(fā)現(xiàn)電池冷卻和空調(diào)制冷集成可實(shí)現(xiàn)零部件共用 電機(jī)冷卻和空調(diào)暖風(fēng)集成可實(shí)現(xiàn)廢熱利用 為后續(xù)純電動(dòng)重卡的熱管理研究提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)重卡;動(dòng)力電池?zé)峁芾?電機(jī)冷卻;空調(diào)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U469.72? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）18-14-03

Abstract： Electric heavy truck includes three sets of thermal management subsystems， such as battery thermal management system， motor cooling system and air conditioning system. This paper analyzes the development status of each subsystem. According to its basic principle and composition， it is found that the integration of battery cooling and air conditioning refrigeration can realize the sharing of parts and components， and the integration of motor cooling and air conditioning heating can realize the utilization of waste heat， which provides a basis for the research on thermal management of electric heavy truck.

Keywords： Electric heavy truck; BTMS; Motor cooling system; Air conditioning system

CLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）18-14-03

前言

目前純電動(dòng)重卡是新能源重卡的主要發(fā)展方向 共有動(dòng)力電池?zé)峁芾?、電機(jī)冷卻和空調(diào)等三套子系統(tǒng) 關(guān)系到整車行駛的安全性、可靠性和人員的駕乘舒適性 因此熱管理也成為純電動(dòng)重卡開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

電池的適宜工作溫度一般為20℃～40℃ 其熱管理系統(tǒng)分為動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)和動(dòng)力電池加熱系統(tǒng)兩部分。

1.1 動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)

動(dòng)力電池冷卻目前有自然風(fēng)冷、強(qiáng)制風(fēng)冷、液冷、冷媒直冷、基于相變材料的冷卻、基于熱管的冷卻、基于熱電元件的冷卻等技術(shù)路線。

相變材料是一種受外界壓力或溫度變化后發(fā)生相變 并利用自身潛熱吸收和釋放能量 保持自身溫度恒定不變的儲(chǔ)能材料。其相變儲(chǔ)能過程不需要消耗能源 被廣泛應(yīng)用于多種能源行業(yè)。

熱管是一種不利用外部動(dòng)力提供功率的情況下自發(fā)工作的裝置 即使在較小的溫差下 也能利用相變傳熱 在較遠(yuǎn)的距離內(nèi)高速輸送大量的熱能。其結(jié)構(gòu)緊湊、形狀靈活、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用低 在許多高效率熱管理行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)熱管冷卻段的策略不同 可以分為風(fēng)冷熱管系統(tǒng)和液冷熱管系統(tǒng)。

熱電制冷技術(shù)作為一種高效、低能耗的電子制冷技術(shù) 其熱電元件可分為兩大類 一類是基于Seebeck效應(yīng)的熱電發(fā)生器（TEG） 它將熱能轉(zhuǎn)化為電能 利用余熱作為能源。另一類是基于Peltier效應(yīng)的熱電制冷器（TEC） 它將電能轉(zhuǎn)化為熱能 實(shí)現(xiàn)冷卻和加熱。

目前動(dòng)力電池冷卻多采用液冷的方式 其工作原理如圖1所示。

液冷電池冷卻系統(tǒng)主要由板式換熱器、電動(dòng)水泵、電動(dòng)壓縮機(jī)、膨脹閥、電動(dòng)風(fēng)扇、冷凝器、高壓預(yù)充、高低壓線束、各類傳感器、控制單元等零部件組成?？刂茊卧鶕?jù)電池管理系統(tǒng)的工作模式請(qǐng)求 按照設(shè)定邏輯控制電動(dòng)壓縮機(jī)、電動(dòng)風(fēng)扇和電動(dòng)水泵等工作 使動(dòng)力電池始終在適宜的溫度范圍內(nèi)工作。

1.2 動(dòng)力電池加熱系統(tǒng)

動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下的充放電性能較差 故需對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行預(yù)熱。

目前主要有兩種加熱方式 一種是在動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)中串聯(lián)PTC加熱器。PTC（Positive temperature coefficient正溫度系數(shù)）加熱器指采用陶瓷PTC電阻作為制熱元件的所有類型的加熱器 包括但不限于恒溫型PTC發(fā)熱器 風(fēng)暖型PTC加熱器 水暖型PTC加熱器等。

另一種是在動(dòng)力電池包中增加電加熱膜 其構(gòu)造如圖2所示 電加熱膜分為金屬加熱膜、無機(jī)電加熱膜（包括碳纖維電加熱膜、油墨電加熱膜）和高分子電加熱膜。

目前多采用高分子電加熱膜的動(dòng)力電池加熱方式。

2 電機(jī)冷卻

電機(jī)冷卻系統(tǒng)主要為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電驅(qū)橋電機(jī)、上裝電機(jī)、電機(jī)控制器和多合一控制器等冷卻 采用強(qiáng)制液冷的冷卻方式 其基本原理如圖3所示。其中散熱器和柴油車的散熱器類似 電動(dòng)風(fēng)扇和電動(dòng)水泵的工作電壓為24VDC 未來應(yīng)會(huì)發(fā)展高電壓的電動(dòng)風(fēng)扇和電動(dòng)水泵。

電機(jī)冷卻控制單元根據(jù)散熱器進(jìn)出水口溫度、環(huán)境溫度等 按照預(yù)設(shè)邏輯控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、水泵轉(zhuǎn)速等 使冷卻液始終維持在合適的溫度范圍內(nèi)。

3 空調(diào)系統(tǒng)

純電動(dòng)重卡的空調(diào)系統(tǒng)主要包括制冷和暖風(fēng)兩部分 其冷源、熱源和其他能源都來自動(dòng)力電池。

3.1 空調(diào)制冷

空調(diào)制冷采用電動(dòng)壓縮機(jī)作為動(dòng)力源 其工作原理如圖4所示。

空調(diào)制冷系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、電動(dòng)壓縮機(jī)、膨脹閥、電動(dòng)風(fēng)扇、冷凝器、高壓預(yù)充、高低壓線束、各類傳感器、控制單元等零部件組成。其工作原理和液冷電池冷卻類似 因此可考慮將二者集成設(shè)計(jì) 通過共用零部件來降低開發(fā)成本。

3.2 空調(diào)暖風(fēng)

空調(diào)暖風(fēng)目前有兩種方式 一種是利用風(fēng)暖型PTC加熱器直接加熱空氣 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱效率高 但有一定的安全隱患;另一種是利用水暖型PTC加熱器加熱冷卻液 再通過冷卻液加熱空氣 可沿用柴油車的暖風(fēng)芯體 成本低 熱效率較低。目前多采用風(fēng)暖PTC加熱的方式 其工作原理如圖5所示。

空調(diào)暖風(fēng)未來可采用綜合電機(jī)廢熱利用和風(fēng)暖/水暖PTC加熱的方式 減少動(dòng)力電池的電量消耗。也可利用熱泵空調(diào)技術(shù) 其工作原理如圖6所示。

4 結(jié)論

純電動(dòng)重卡整車熱管理包括了動(dòng)力電池?zé)峁芾?、電機(jī)冷卻和空調(diào)三個(gè)子系統(tǒng) 根據(jù)各子系統(tǒng)的基本原理和基本組成發(fā)現(xiàn)電池冷卻和空調(diào)制冷集成可實(shí)現(xiàn)零部件共用 電機(jī)冷卻和空調(diào)暖風(fēng)集成實(shí)現(xiàn)廢熱利用 可有效降低純電動(dòng)重卡的開發(fā)成本、降低動(dòng)力電池的電量消耗、提高車輛續(xù)駛里程 為后續(xù)純電動(dòng)重卡的熱管理研究提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 丁鵬，王忠，葛如海，王瑩，李慶蓮.新能源汽車暖風(fēng)分段制熱控制系統(tǒng)[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2017（3）：303-309.

[2] 彭影，黃瑞，俞小莉，許建青.電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池冷卻方案的對(duì)比研究[J].機(jī)電工程，2015（4）：537-543.

[3] 黃文雪，杜雪偉，李文.輕型純電動(dòng)商用車動(dòng)力電池冷卻性能分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2015（11）：32-35.

[4] 趙南，田鈞. 基于空調(diào)技術(shù)的純電動(dòng)車電池系統(tǒng)恒溫裝置的研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2013（4）：96-102.

[5] 盧夢(mèng)瑤，章學(xué)來.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池冷卻技術(shù)的研究進(jìn)展[J].上海節(jié)能，2019（10）：801-809.

[6] 曾爽，陳平，陳海洋，趙迪俐，丁屹峰.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池自加熱裝置設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2019 43（1）：88-90.

[7] 曹汝恒，劉松，張書義，曹建明.新能源汽車空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2016（6）：106-108.