基于冷熱循環(huán)的純電動汽車集成管路布置研究

宋瀚 周松濤 許洋洋 王稼農(nóng)

（東風汽車集團有限公司技術(shù)中心）

在電動汽車的布置中，冷熱系統(tǒng)的布置是重點，這也是電動車和傳統(tǒng)燃油車的關(guān)鍵差異，電動車的冷熱相關(guān)的零部件多，種類復(fù)雜，管線也很多，涉及到電動車控制器、電機、加熱器及水泵等一系列零部件，所以在整車機艙及下裝的布置的時候，如何統(tǒng)籌地管控零部件的布置，定義零部件的管口位置是布置的重點，這不僅影響整車的性能，也對各個機構(gòu)產(chǎn)生影響。文章基于某電動車的冷熱循環(huán)系統(tǒng)布置，結(jié)合機艙布置研究，集成某些相關(guān)的系統(tǒng)零部件，可以減少支架和相關(guān)管線，控制成本、美觀機艙、節(jié)約空間，有利于機艙和下車體的相關(guān)管路布置。

1 電動車冷熱循環(huán)定義

1.1 傳統(tǒng)車與電動車熱管理差異

當前新能源汽車尤其是純電動汽車動力系統(tǒng)的根本性變化正在重塑汽車的熱管理系統(tǒng)架構(gòu)，熱管理系統(tǒng)已經(jīng)成為了新能源汽車相較于傳統(tǒng)汽車最大差異點，主要差異點如下：1）新能源汽車新增動力電池熱管理系統(tǒng)；2）相比較發(fā)動機，動力電池、電驅(qū)電控系統(tǒng)要求更高級別和可靠的溫度控制；3）為提升續(xù)駛里程，電動車需要進一步提高熱管理效率。

綜上所述，可見傳統(tǒng)的燃油車熱管理系統(tǒng)是圍繞發(fā)動機構(gòu)建的（發(fā)動機帶動壓縮機、水泵運轉(zhuǎn)，座艙制暖來源于發(fā)動機廢熱）。因為純電動車沒有發(fā)動機，空調(diào)壓縮機和水泵需電動化，并采用其他方式（PTC或者熱泵）為座艙制暖。新能源汽車的動力電池需要精細的散熱和加熱管理，相比于燃油車，新能源汽車新增動力電池和電控、電機的熱管理回路，增加熱交換器、閥體、水泵及PTC等。

1.2 電動車相關(guān)件溫度要求

電動汽車的冷卻性能考核尚無國家標準，一般汽車制造商會要求在高溫、大負荷工況下，電機冷卻回路中的水溫低于65℃，電池最高溫度小于50℃[1]。

電池適宜的工作溫度為25~50℃，超標的環(huán)境溫度會嚴重影響電池包的性能，所以高效的熱管理系統(tǒng)是維持電池性能和安全性的關(guān)鍵所在，因此需要在高溫和嚴寒條件下，對整個電池進行冷卻和加熱。電動車沒有發(fā)動機這一穩(wěn)定的熱源，冬天乘員艙采暖時需要高壓加熱器PTC（Positive Temperature Coefficient）提供熱量。

目前常用的電池散熱系統(tǒng)主要有風冷和液冷式[2]，隨著電池容量、功率提高，高效的液體冷卻已經(jīng)成為了主要的電池冷卻方式。

2 布置輸入

2.1 冷卻關(guān)鍵布置零部件

圖1示出純電動汽車冷熱循環(huán)系統(tǒng)中常見的零部件，如熱交換器、四通閥、水泵及PTC等。冷卻系統(tǒng)的零部件的相關(guān)功能和布置要求如表1所示。

圖1 冷卻系統(tǒng)零部件梳理圖

表1 冷卻系統(tǒng)零部件布置規(guī)范

2.2 純電動車原理圖解析

該電動車屬于2+2前后雙電機設(shè)計，冷熱循環(huán)一共有4條回路，電機回路、電池回路、空調(diào)冷卻回路及空調(diào)暖風回路。相關(guān)回路如圖2所示，相關(guān)系統(tǒng)零部件功能如表2所示。

表2 冷熱循環(huán)圖功能解析

圖2 電動車冷熱循環(huán)原理圖

其中回路1作為最重要的回路，負責給大三電中的電機、電控和小三電進行冷卻，其中小三電是集成了OBD、DCDC、PDCU 3種功能。其中電機是油冷，冷卻水路通過電機自帶的板式交換器的熱交換進行冷卻，前機艙的零部件屬于串聯(lián)，后機艙的零部件屬于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，整體可以進行并聯(lián)設(shè)計，其中三通閥1可以看為一個節(jié)溫器裝置，當電機等部件低溫時，回路1可不經(jīng)過散熱器裝置，可以看做一個小回路，當部件溫度升高后，三通閥開通，回路2經(jīng)過低溫散熱器，可以看做一個中等回路。

回路2是對電池包進行冷卻和加熱的回路[3]，電池包自帶內(nèi)置水泵，通過板式交換器1和空調(diào)的暖風回路3和冷凝回路4進行冷熱交換，當環(huán)境溫度過低時，暖風回路3開啟，通過板式交換器1對電池包進行加熱處理，當環(huán)境溫度過高時，冷凝回路4開啟，通過板式交換器1對電池包進行冷卻處理，這樣使得電池包一直處于恒溫狀態(tài)，功能上一直處于最佳狀態(tài)。另外回路1和回路2通過四通閥連接，四通閥不通電時，1和2兩個回路相互獨立，當環(huán)境溫度過低時，當通電后，回路1和回路2相互貫通，處于水路大循環(huán)狀態(tài)，水路1可以給水路2進行加熱處理。

回路3和回路4都屬于空調(diào)系統(tǒng)，其中回路3是暖風系統(tǒng)，因為電動車沒有發(fā)動機這個熱源，需要外部獲取熱源，回路3通過熱交換器2交換回路4中空調(diào)壓縮機壓縮產(chǎn)生的高溫高壓氣體產(chǎn)生的溫度，并且回路3中有PTC加熱器，當溫度過低時，可以通電加熱，加熱空調(diào)暖風水管內(nèi)的水，回路3進入空調(diào)暖風系統(tǒng)，吹風提供暖氣，另外回路3使用三通閥2，不通電時，可以自身形成一個小回路，通電時，回路3通過熱交換器1對回路1進行加熱。

回路4是空調(diào)冷卻管路，除了和回路3有熱交換之外，此回路通過節(jié)流閥和前空調(diào)、后空調(diào)、回路2的熱交換器2對接，可以理解為3條小回路，節(jié)流閥對接的這3條回路都有電控截止閥，電控此路是否貫通。

通過這樣1套冷熱循環(huán)系統(tǒng)，可以讓電池包正常充放電并且不影響電池包壽命，電機、小三電等一系列系統(tǒng)都能達到很好的降溫效果。

3 電動車管路布置要點

3.1 零部件集成要點

在原有冷熱循環(huán)圖的基礎(chǔ)上，可以考慮采用局部零部件的集成處理。特斯拉車型熱管理系統(tǒng)對比如表3所示。

表3 特斯拉冷卻系統(tǒng)對比

此件集成了側(cè)面的2個水泵、切換閥、換熱器、膨脹閥、五通閥門以及冷卻液壺。五通閥控制各回路之間的耦合關(guān)系，是熱管理系統(tǒng)實現(xiàn)不同工作模式的核心部件，是熱管理的中樞機構(gòu)，此件可以實現(xiàn)電池冷卻回路和電驅(qū)冷卻回路的串聯(lián)，也可以通過電機堵轉(zhuǎn)制熱幫助電池升溫，特斯拉Model 3的冷卻系統(tǒng)高度集成提升了零部件的模塊化程度，如圖3所示，減少了管路用量，也節(jié)省了布置空間，值得推廣借鑒。

圖3 特斯拉高集成度智能膨脹壺

3.2 車型零部件集成要點

基于之前的基礎(chǔ)原理熱循環(huán)圖，可以參照特斯拉車型進行優(yōu)化，可以做一些簡單的集成化處理，如表4所示，如將水泵和水室集成為一個，三通閥和四通閥等集成處理，這樣一些處理可以減少支架和相關(guān)管路的數(shù)量，也能最大的化的節(jié)約空間，降低布置的難度。

表4 零部件局部集成化處理

3.3 布置效果點檢

如圖4所示，經(jīng)過集成優(yōu)化后，做橫梁進行固定處理，相關(guān)件都盡量布置在橫梁上，管路盡量沿著橫梁進行布置，布置完畢后，節(jié)約出來的空間做行李箱結(jié)構(gòu)處理。

圖4 布置后效果圖

4 結(jié)論

電動汽車具有良好的發(fā)展前景。采用不同的方法關(guān)聯(lián)配合電動汽車上的熱管理系統(tǒng)，合理進行熱管理系統(tǒng)的設(shè)計可以提高能量的利用效率，增加車輛的續(xù)駛里程。文章通過詳細分析，通過多個三通、四通閥集成后，進行冷熱循環(huán)控制、大小循環(huán)控制，結(jié)合熱管理圖優(yōu)化設(shè)計階段管線布置，滿足保安防災(zāi)要求，也同時總結(jié)了純電動汽車機艙保安防災(zāi)問題的管線的相關(guān)布置方法及注意要點，值得推廣到后續(xù)的車型開發(fā)項目。