一種電動(dòng)汽車整車熱管理系統(tǒng)探討

吳建平

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 廣元 628040）

電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)研發(fā)中利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電池系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱提供系統(tǒng)之間所需要的熱量，利用前端裝置散熱器在系統(tǒng)之間進(jìn)行降溫處理。這樣可以避免開(kāi)啟PTC加熱器及空調(diào)系統(tǒng)，減少能源消耗，有效提高續(xù)航里程。

1 電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)

電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)（冷熱平衡）、乘員艙空調(diào)系統(tǒng)（制冷與供暖）等系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)與DC/DC系統(tǒng)在整車運(yùn)行過(guò)程中一直處于放熱的狀態(tài)，在溫度超過(guò)一定極限之后，會(huì)影響零部件的運(yùn)行效率，嚴(yán)重的情況下還可能造成安全事故[1]。動(dòng)力電池一般在溫度25 ℃時(shí)，其可靠性與效率均處于一個(gè)最佳狀態(tài)。動(dòng)力電池在低溫環(huán)境下，無(wú)論充電還是啟動(dòng)都需要在一定的溫度區(qū)間內(nèi)，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行中，此時(shí)電池系統(tǒng)處于大電流放電狀態(tài)，這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生余熱，若溫度超過(guò)極限，將會(huì)嚴(yán)重影響車輛運(yùn)行效率，極端情況下可能導(dǎo)致自燃。同時(shí)，無(wú)論在低溫還是高溫環(huán)境下，乘員艙也同樣需要整車提供一個(gè)舒適的溫度環(huán)境，即電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)主要是控制車輛子系統(tǒng)在一個(gè)合理的溫度區(qū)間范圍之內(nèi)，并提供一個(gè)舒適的乘車環(huán)境。溫度降低主要通過(guò)電動(dòng)壓縮機(jī)與前端裝置散熱器構(gòu)成的相關(guān)循環(huán)回路對(duì)整車動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、DC/DC 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行降溫處理；低溫加熱主要通過(guò)PTC加熱器、熱泵技術(shù)、余熱處理對(duì)電池系統(tǒng)或者乘員艙提供熱量。這些復(fù)雜的子系統(tǒng)零部件通過(guò)整車布置在適當(dāng)?shù)目刂撇呗韵戮蜆?gòu)成了電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)。

2 電動(dòng)汽車整車熱管理系統(tǒng)的控制策略

對(duì)現(xiàn)有電動(dòng)汽車整車熱管理系統(tǒng)的工況模式控制策略進(jìn)行分析，其整車熱管理系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 電動(dòng)汽車整車熱管理系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由前端裝置、HVAC總成、換熱模塊、電池系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、DC/DC系統(tǒng)、PTC加熱器、閥門、水泵等部件組成。這些子系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)，在傳感器的感應(yīng)下通過(guò)控制閥門的開(kāi)閉，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的大小，利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)及DC/DC轉(zhuǎn)換器余熱、電池系統(tǒng)余熱、PTC加熱器加熱、空調(diào)系統(tǒng)制熱模式形成相應(yīng)零部件之間的制熱回路，利用前端裝置散熱器降溫、空調(diào)系統(tǒng)制冷形成相應(yīng)零部件之間的制冷回路，從而控制車輛零部件在一個(gè)最佳的溫度區(qū)間并提供一個(gè)舒適的乘車環(huán)境。

2.1 冬季低溫環(huán)境

冬季低溫環(huán)境下，電池充電電流小，造成充電時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響充電效率，在極端低溫條件下，整車甚至無(wú)法啟動(dòng)，所以在充電前或者啟動(dòng)前需要進(jìn)行電池預(yù)熱處理。同樣，冬季低溫環(huán)境下，乘員艙也需要進(jìn)行供暖，以提高乘員的舒適度。即在冬季低溫環(huán)境的時(shí)候，整車熱管理系統(tǒng)主要為電池預(yù)熱和乘員艙供暖兩種熱量處理模式，主要的工況模式有低溫電池系統(tǒng)單獨(dú)預(yù)熱、低溫低速電機(jī)余熱加熱電池組、低溫電機(jī)余熱供暖乘員艙、低溫電機(jī)余熱（前端裝置散熱器）冷卻、熱泵供熱、PTC加熱器供暖乘員艙等幾種模式。整車低溫充電或啟動(dòng)前，幾乎都采用PTC加熱器單獨(dú)對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行加熱處理，也就是低溫電池系統(tǒng)單獨(dú)加熱模式[2]。利用電機(jī)余熱進(jìn)行乘員艙供暖及電池加熱，這樣的方法避免了在特殊情況下直接使用空調(diào)系統(tǒng)、PTC加熱器兩種方式，節(jié)約了車輛電能，有利于減少整車能源消耗，提高了整車?yán)m(xù)航里程。下面將重點(diǎn)介紹利用電機(jī)余熱處理的工況模式。

2.1.1 低溫啟動(dòng)余熱加熱電池組

冬季環(huán)境溫度較低的時(shí)候，電池系統(tǒng)不可能進(jìn)行大電流放電，車輛啟動(dòng)速度及車輛子系統(tǒng)工況將受到嚴(yán)重影響，這就需要提高電池組內(nèi)部溫度，從而實(shí)現(xiàn)大電流放電，保證電池在一個(gè)適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟葏^(qū)間之內(nèi)。由于整車在啟動(dòng)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器就會(huì)一直產(chǎn)生余熱，可以利用這部分余熱對(duì)電池系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行加熱處理。在控制管路中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電池組通過(guò)閥門管件串聯(lián)構(gòu)成水路循環(huán)即可，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的余熱一直加熱回路中的冷卻液，從而電池組得到了熱量供應(yīng)，這樣就避免了采用PTC直接加熱的方式，減少了能源消耗，增加了車輛續(xù)航里程。

2.1.2 低溫啟動(dòng)余熱加熱乘員艙

低溫環(huán)境下，整車在進(jìn)行正常行駛以后，電池由于自身放熱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及DC/DC轉(zhuǎn)換器的余熱作用使其熱量得到了保證。在一個(gè)合適的溫度區(qū)間之內(nèi)，隨著整車的繼續(xù)運(yùn)行，在一個(gè)時(shí)間范圍之內(nèi)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的余熱會(huì)突破電池系統(tǒng)的熱量極限，這時(shí)熱管理系統(tǒng)中就產(chǎn)生了多余的熱量，這個(gè)多余的熱量可以利用起來(lái)直接對(duì)乘員艙進(jìn)行加熱，滿足乘客的舒適度需求。乘員艙供暖傳統(tǒng)的做法是直接采用PTC加熱方式，這樣做會(huì)耗費(fèi)大量的電能，而利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的余熱對(duì)乘員艙進(jìn)行熱量供應(yīng)，會(huì)大大降低對(duì)電池電能的消耗，從而節(jié)約大量電能。若乘員艙熱量需求較多，由于系統(tǒng)中連接了PTC加熱器，也可以適當(dāng)打開(kāi)PTC加熱器進(jìn)一步在適當(dāng)范圍之內(nèi)提高所需熱量的供應(yīng)[3]。

如圖2粗線箭頭所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)余熱產(chǎn)生的熱冷卻水經(jīng)過(guò)四通閥，四通閥a與d端口導(dǎo)通；三通閥4的b與c端口打開(kāi)，a端口關(guān)閉；三通閥2與三通閥5的端口關(guān)閉；冷卻液在水泵1的作用下經(jīng)過(guò)PTC，三通閥1的a端口關(guān)閉，b與c端口打開(kāi)，進(jìn)入到HVAC總成換熱器模塊；三通閥6的a端口關(guān)閉，b與c端口打開(kāi)，冷卻液在水泵2的作用下又回到驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)水口，從而形成了整個(gè)回路。在這個(gè)循環(huán)回路中，DC/DC、電機(jī)產(chǎn)生的余熱對(duì)冷卻液進(jìn)行加熱直接通過(guò)管路循環(huán)進(jìn)入到HVAC總成換熱器中，在風(fēng)機(jī)的作用下將熱空氣吹入乘員艙即可滿足乘員的供暖需求，若所需熱量較多也可以適當(dāng)打開(kāi)PTC加熱器進(jìn)一步在適當(dāng)范圍之內(nèi)提高所需要的熱量。

圖2 低溫啟動(dòng)余熱加熱乘員艙

2.2 春秋常溫環(huán)境

春秋常溫環(huán)境下，車輛在正常行駛過(guò)程中，一般情況下不使用空調(diào)系統(tǒng)，在這樣的情況下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電池系統(tǒng)在車輛行駛過(guò)程中均會(huì)產(chǎn)生大量的余熱，整車熱管理系統(tǒng)主要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器、電池系統(tǒng)的冷卻處理。根據(jù)熱量的累積情況采用串聯(lián)冷卻和單獨(dú)冷卻等幾種方式進(jìn)行，一般情況下，傳統(tǒng)的做法是直接采用空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行降溫處理，啟動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)會(huì)大量耗費(fèi)車輛電能。在一定熱量累積的條件下，可利用前端裝置散熱器對(duì)串聯(lián)的電池組、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行冷卻處理，在熱量達(dá)到一定程度時(shí)，再開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)，分別單獨(dú)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)及DC/DC轉(zhuǎn)換器、電池系統(tǒng)的溫度在一個(gè)區(qū)間范圍之內(nèi)。春秋季節(jié)，也可能出現(xiàn)不一樣的氣候特點(diǎn)，溫度的高低變化不太明顯的情況下，溫度適當(dāng)降低的時(shí)候，可利用電機(jī)余熱加熱乘員艙，溫度適當(dāng)升高的時(shí)候，可利用前端裝置散熱器進(jìn)行降溫處理[4]?，F(xiàn)將對(duì)利用前端裝置散熱器冷卻處理模式進(jìn)行分析。

電池組、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器串聯(lián)冷卻。在春秋室外常溫條件下，空調(diào)系統(tǒng)可以不用開(kāi)啟，車輛在正常行駛過(guò)程中，由于電池系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器自身產(chǎn)生的熱量均會(huì)超過(guò)自身需求，這時(shí)需要整車熱管理系統(tǒng)同時(shí)對(duì)其進(jìn)行降溫處理。在傳統(tǒng)的車輛熱管理系統(tǒng)中一般采用空調(diào)系統(tǒng)制冷模塊直接對(duì)其降溫處理，這種方法將嚴(yán)重消耗整車電能，不利于整車的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，利用前端裝置低溫散熱器進(jìn)行散熱即可實(shí)現(xiàn)電池組、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器的冷卻，從而減少對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的使用。這種方式形成的是驅(qū)動(dòng)電機(jī)及DC/DC轉(zhuǎn)換器—前端裝置—電池組的循環(huán)回路，這個(gè)回路過(guò)程中不能將電池系統(tǒng)調(diào)整到驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、DC/DC轉(zhuǎn)換器之后，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、DC/DC轉(zhuǎn)換器在車輛運(yùn)行中產(chǎn)生大量的余熱，直接進(jìn)入電池系統(tǒng)，會(huì)對(duì)電池組內(nèi)部溫度產(chǎn)生一定的沖擊，從而影響放電效率，甚至影響整車安全。驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)、DC/DC轉(zhuǎn)換器的出水冷卻液經(jīng)過(guò)前端裝置降溫處理后，再對(duì)電池組進(jìn)行降溫，可以避免出現(xiàn)這樣的情況。

春秋常溫環(huán)境下，乘員對(duì)制冷需求情況不多的時(shí)候，若在怠速情況下或在低速狀態(tài)下，此時(shí)電機(jī)系統(tǒng)發(fā)熱很小，可利用前端裝置散熱器對(duì)乘員艙進(jìn)行制冷，避免了傳統(tǒng)控制策略使用空調(diào)系統(tǒng)制冷的模式，節(jié)約了電池電能。

如圖3粗線箭頭所示，冷卻液從電機(jī)出來(lái)后，四通閥d與c端關(guān)閉，a與b端導(dǎo)通，三通閥3的b端關(guān)閉，a與c端口打開(kāi)，冷卻液通過(guò)四通閥與三通閥3后，進(jìn)入到前端裝置散熱器后，冷卻液溫度高低由冷卻風(fēng)扇調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，從而相對(duì)應(yīng)降低冷卻液的溫度。三通閥5的a端關(guān)閉，b與c端打開(kāi)；三通閥4與三通閥2的端口關(guān)閉；三通閥1的a端口關(guān)閉，b與c端口打開(kāi)；冷卻液在閥門的控制下，經(jīng)過(guò)PTC加熱器后在水泵1的作用下經(jīng)過(guò)三通閥1進(jìn)入到HVAC總成換熱器模塊，由于前端裝置已經(jīng)將冷卻液降溫并得到了所需要的低溫，低溫冷卻液在HVAC總成換熱器模塊流動(dòng)過(guò)程中可將周圍空氣冷卻，冷卻后的空氣在風(fēng)機(jī)的作用下吹進(jìn)乘員艙，就為乘員艙提供了制冷需求。三通閥6的a端關(guān)閉，b與c端口打開(kāi)，冷卻液經(jīng)過(guò)HVAC總成降溫后又回到了電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器的入水口，從而形成了完整的回路過(guò)程。

圖3 前端裝置常溫制冷

2.3 夏季高溫環(huán)境

在夏季環(huán)境溫度較高條件下，空調(diào)系統(tǒng)需要開(kāi)啟，車輛在正常行駛過(guò)程中，由于電池系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器自身產(chǎn)生的熱量均會(huì)超過(guò)自身需求，這時(shí)需要整車熱管理系統(tǒng)同時(shí)對(duì)其進(jìn)行降溫處理。采用前端裝置低溫散熱器對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行單獨(dú)降溫處理，使用空調(diào)系統(tǒng)單獨(dú)對(duì)乘員艙和電池組降溫[5]。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器與前端裝置形成串聯(lián)回路可起到降溫作用，散熱器風(fēng)機(jī)根據(jù)溫度大小實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器的熱量快速散掉?？照{(diào)系統(tǒng)制冷采用并聯(lián)分流方式進(jìn)行，制冷劑從壓縮機(jī)排出后形成高溫高壓氣體，經(jīng)過(guò)電磁閥后進(jìn)入到冷凝器，在冷凝器的作用下變成中溫高壓的液體，冷凝器在這里起到一個(gè)氣液轉(zhuǎn)換放熱的作用。中溫高壓的液體同時(shí)經(jīng)過(guò)兩個(gè)電磁閥的并聯(lián)分流，兩條支路分別在膨脹閥的降壓限流作用下，對(duì)應(yīng)進(jìn)入到HVAC總成的蒸發(fā)器和換熱模塊中的蒸發(fā)器，制冷劑迅速由液體蒸發(fā)成氣體，大量吸熱，造成蒸發(fā)器周圍溫度迅速降低。風(fēng)機(jī)可根據(jù)用戶操作或者自動(dòng)控制方式調(diào)整檔位實(shí)時(shí)進(jìn)行降溫，這里的閥門可控制兩支流制冷劑流量的大小，從而保證制冷量需求的優(yōu)先級(jí)。最后支流經(jīng)過(guò)電磁閥回到壓縮機(jī)，整個(gè)過(guò)程就形成了電池與乘員艙并聯(lián)的制冷循環(huán)回路系統(tǒng)。