純電動汽車整車熱管理系統(tǒng)探究

（貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學院，貴州 凱里 556000）

純電動汽車車型在新能源汽車中占比較高，與傳統(tǒng)汽車相比，除懸架系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)一致外，較大區(qū)別為動力來源。傳統(tǒng)汽車動力來源是以燃油為能源的發(fā)動機做功提供動力，新能源汽車以動力電池（儲電量>75%）結(jié)合驅(qū)動電機、電機控制器為動力來源。傳統(tǒng)汽車整車熱管理主要涉及發(fā)動機溫度控制，以發(fā)動機驅(qū)動空調(diào)系統(tǒng)為座艙制冷的制冷系統(tǒng)，以發(fā)動機自身散熱的熱量來源為座艙提供制熱的暖風系統(tǒng)。純電動汽車整車熱管理系統(tǒng)包括驅(qū)動電機、室內(nèi)散熱器、兩通電磁閥、第一三通電磁閥、雙腔散熱器、充電機、DC/DC 等。DC/DC 變換器在大電流工況下產(chǎn)生較多的熱量，動力電池最佳工作溫度為25℃，且以動力電池為能量來源的空調(diào)制冷系統(tǒng)和PTC 制暖系統(tǒng)為座艙提供適宜的環(huán)境溫度。由于PTC 耗能較高，嚴重影響在低溫環(huán)境下的純電動汽車續(xù)航里程。因此，非常有必要對純電動汽車整車熱管理系統(tǒng)進行精細化能量管理[1-4]。

1 傳統(tǒng)燃油汽車與純電動汽車整車熱管理系統(tǒng)對比

1.1 傳統(tǒng)燃油汽車整車熱管理系統(tǒng)

燃油汽車整車熱管理系統(tǒng)主要涉及發(fā)動機溫控、座艙制冷、座艙制暖，其余如變速箱、進排氣散熱由于相關(guān)性較小，本文不再贅述。1）發(fā)動機溫控系統(tǒng)主要由散熱風扇、散熱器、節(jié)溫器、電子水泵、副水箱、冷卻液水道等其余附屬裝置組成。發(fā)動機最佳工作溫度為90℃左右，長時間停放的車輛在剛啟動時由于發(fā)動機溫度與環(huán)境溫度較為一致，遠低于最佳工作溫度（90℃），在發(fā)動機低溫啟動時由于眾所周知的熱脹冷縮原理導(dǎo)致發(fā)動機內(nèi)部運動構(gòu)建間隙收縮致使摩擦增加，不僅增加了油耗，也導(dǎo)致構(gòu)件之間的磨損加劇。因此，在發(fā)動機啟動階段需要迅速將溫度提升至最佳工作溫度（90℃），此時冷卻系統(tǒng)中的節(jié)溫器是關(guān)閉狀態(tài)，冷卻液進行小循環(huán)為發(fā)動機進行“暖機”預(yù)熱工作。暖機結(jié)束后，發(fā)動機達到最佳工作溫度（90℃），隨著工況的增加燃油爆燃熱損的增多，發(fā)動機溫度逐步上升超過最佳工作溫度（90℃），溫度的過高增加將會導(dǎo)致金屬元器件膨脹，不僅使其力學性能下降，增加零部件形變和斷裂的危險，而且過高的溫度也導(dǎo)致潤滑油性能下降，極易導(dǎo)致潤滑不足而加劇零件磨損，同時過高的溫度導(dǎo)致進氣量減少致使燃燒不充分引起功率下降。因此，在發(fā)動機工作階段需要將溫度降低至最佳工作溫度（90℃），此時冷卻系統(tǒng)中的節(jié)溫器是打開狀態(tài)，冷卻液進行大循環(huán)為發(fā)動機進行“高溫”散熱，將多余熱量經(jīng)過散熱器散失至大氣之中。2）座艙制冷采用發(fā)動機曲軸通過皮帶帶動空調(diào)壓縮機做功，通過制冷劑吸收座艙內(nèi)部熱量調(diào)整座艙內(nèi)部溫度。3)座艙制暖利用發(fā)動機燃料燃燒散失的熱量經(jīng)過暖水管帶入座艙實現(xiàn)座艙內(nèi)部溫度控制。

1.2 純電動汽車整車熱管理系統(tǒng)

純電動汽車熱管理主要涉及動力電池、驅(qū)動電機、電機控制器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器、電動壓縮機、PTC 等部件的熱管理。動力電池最佳工作溫度為25℃，由于動力電池實際工況為大電流放電和充電，在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，值得注意的是動力電池在低溫啟動、低溫充電時由于BMS 動力電池內(nèi)部溫度較低而對充電電流進行限制，僅能夠在十幾安培甚至幾安培的限制下進行充電，嚴重影響充電效率。同樣，動力電池溫度過高，放任不管的話將嚴重影響動力電池的性能，甚至導(dǎo)致動力電池自燃。驅(qū)動電機和電機控制器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器實際工況均為大電流，極易產(chǎn)生熱量，同時系統(tǒng)均處于密閉空間，容易導(dǎo)致熱量聚集導(dǎo)致溫度上升，設(shè)備高溫將導(dǎo)致電極功率的降低，甚至是電極繞組、DC-DC 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的IGBT 燒毀，導(dǎo)致車輛無法正常使用。純電動空調(diào)系統(tǒng)中電動壓縮機采用動力電池提供的高壓直流電作為工作能源，純電動空調(diào)系統(tǒng)還兼具燃油汽車不具備的如低溫時為動力電池提供充電預(yù)熱和高溫時散熱，放電時預(yù)熱和散熱等功能。

2 純電動汽車整車熱管理策略

熱管理主要是控制各個元器件的溫度，如作為車輛上能量源泉的動力電池最佳工作溫度為25℃，動力電池溫度過高容易導(dǎo)致動力電池性能下降，甚至發(fā)生電池自燃的危險，溫度過低直觀的變化是續(xù)航里程的下降及充電效率較低。因此，熱管理系統(tǒng)需要對相關(guān)系統(tǒng)進行吸熱、放熱，以實現(xiàn)對該系統(tǒng)溫度的精確控制，從而確保各系統(tǒng)的安全運行。整車冷、熱管理系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。

圖1 整車冷、熱管理系統(tǒng)示意圖

2.1 動力電池熱管理

純電動汽車在運行中，動力電池持續(xù)不斷進行電子交換，不斷產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致動力電池整體溫度不斷上升，如果不加以控制，必將嚴重影響動力電池使用性能，嚴重甚至導(dǎo)致車輛自燃。由此，動力電池熱管理中BMS 時時在線檢測動力電池溫度，當動力電池溫度超過安全溫度（38℃）最高限，BMS 將通過CAN 線向VCU、空調(diào)控制單元、空調(diào)壓縮機控制單元發(fā)送動力電池冷卻請求。如圖1所示，空調(diào)控制單元控制三通電磁閥B 打開熱交換器冷卻水道，水泵開始工作，同時空調(diào)壓縮機控制單元關(guān)閉制冷管路電池閥，打開熱交換器電磁閥，空調(diào)壓縮機啟動工作，制冷劑進入熱交換器，將動力電池內(nèi)部流出的高溫冷卻液進行降溫，將降溫過后的冷卻液再由水泵輸送至動力電池繼續(xù)吸收動力電池高溫熱量，依次形成散熱冷卻循環(huán)降低動力電池溫度。動力電池最佳工作溫度為25℃，動力電池溫度過高容易導(dǎo)致動力電池性能下降，甚至發(fā)生電池自燃的危險，溫度過低直觀的變化是續(xù)航里程的下降及充電效率降低。低溫條件下尤其是低溫充電時，BMS 檢測到動力電池內(nèi)部溫度較低從而開啟限制充電電流（小于十幾安培）。假如未進行動力電池低溫預(yù)熱工作，動力電池將持續(xù)在低溫狀態(tài)下以限制電流進行充電，由于充電過程中電池內(nèi)部進行電子交換將會產(chǎn)生熱量。因此，在較長時間充電后，動力電池本體溫度不斷升高直到溫度達到最低溫度限制后，充電電流限制關(guān)閉，充電電流加大。由此可見，低溫充電大大限制了充電效率，延長了充電時間，有必要對低溫動力電池進行預(yù)熱。低溫慢充時動力電池低于3℃時開啟PTC 加熱對動力電池進行預(yù)熱，高于3℃時關(guān)閉預(yù)熱。低溫快充時動力電池低于10℃時開啟PTC 加熱對動力電池進行預(yù)熱，高于12℃時關(guān)閉預(yù)熱。動力電池在充電過程中由于電池內(nèi)部進行大量的電子交換，因此將會產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致動力電池本體溫度不斷上升，假如不加以控制將會嚴重影響動力電池的性能，甚至導(dǎo)致電池自燃。為此BMS 時時監(jiān)控動力電池溫度，當充電過程中溫度高于設(shè)定上限值時，將會開啟上述講過的動力電池散熱模式。

2.2 驅(qū)動系統(tǒng)、DC-DC 熱管理

驅(qū)動電機及電機控制器工作時由于繞組損耗、機械摩擦等損耗均于熱量的形式散發(fā)出來，從而引起驅(qū)動電機及電機控制器系統(tǒng)溫度的上升，在車輛進行慢充時，OBC 啟動工作為動力電池進行充電。于此同時，車輛會啟動DCDC 轉(zhuǎn)換器，從而為輔助電池及車輛整車低壓用電器提供12V 低壓直流電。DC-DC 轉(zhuǎn)換器負責將高壓直流電轉(zhuǎn)換成為12V 低壓直流電的任務(wù)，DC-DC 轉(zhuǎn)換器及OBC 內(nèi)部的IGBT 持續(xù)不斷的工作，產(chǎn)生大量的熱量，必須及時散發(fā)出去以確保自身及線路正常工作。假如所產(chǎn)生的熱量無法及時散失出去，將導(dǎo)致OBC 及DC-DC 轉(zhuǎn)換器相關(guān)線路燒毀，無法正常工作，汽車無法及時補充電能。

2.3 空調(diào)系統(tǒng)熱管理

純電動汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)最大的不同為驅(qū)動壓縮機的動力來源不同，純電動汽車壓縮機由動力電池提供高壓直流電源。純電動汽車空調(diào)制熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油汽車采用發(fā)動機冷卻液余熱對座艙制暖模式不同，純電動汽車空調(diào)制熱系統(tǒng)采用高壓直流電加熱正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC（Positive Temperature Coefficient）加熱器直接加熱空氣或水的方式進行座艙制暖的模式。當駕駛員開啟暖風時，動力電池高壓直流電進入高壓配電盒，通過OBC 內(nèi)部的PTC 加熱控制器熔絲后進入PTC 加熱器，為PTC 加熱器提供動力電源，PTC 產(chǎn)生熱量加熱內(nèi)部冷卻液，高溫的制冷劑由空調(diào)系統(tǒng)控制水泵將高溫冷卻液輸送至熱交換器，由鼓風機將熱交換器產(chǎn)生的熱量經(jīng)空氣吹入座艙實現(xiàn)對座艙的供暖。