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新能源电动汽车整车热管理(热泵以及余热利用技术101)

2019-04-28 23:24:11·  来源：Vehicle  
　
随着电动汽车电池能量的不断提升，当前很多电动汽车里程都400km以上了，许多20w左右的电动汽车续航里程都350左右以及以上了。当然这只是NEDC工况下的。实际情况
随着电动汽车电池能量的不断提升，当前很多电动汽车里程都400km以上了，许多20w左右的电动汽车续航里程都350左右以及以上了。当然这只是NEDC工况下的。实际情况会根据你的驾驶行为，车辆电器负载，车速以及环境温度的变化续航里程的变化会很大。
其中影响续航里程变化量最大的是车速和环境温度。一般车速在60km以上之后越高速越耗能，一般温度在0度以下温度越低越耗能。有学术研究当电动车驾驶环境温度低于-10度时候续航里程相对于22度时会衰减将近一半！其中很大一部分贡献于驾驶舱的加热。所以电动汽车的整车热管理变得非常重要，而且有很大的空间优化，比传统燃油车更加复杂，这就是当前电动车整车设计里面的更加重视了余热利用和热泵技术等节能技术。根据当前资料采用了余热利用和热泵技术的电动车，它的续航里程可以比未采用此项技术的增加15-18%。
heat bump technology
当期主要的电动车热管理技术概念：
Air Cooling and Heating空气热管理技术主要采用空气为热量传递导体。一般 如下图主要有三种，第一种最原始的被动空气热管理
第二种主动空气热管理系统
第三种带热量回收空气热管理系统
Pre-condition，热天提前降温，冷天的提前预热功能（预热电池以及驾驶舱）
这项功能主要是在你驾驶车辆之前，对车辆整体进行提前预热或者冷却确保行驶之前车辆以及驾驶舱处在一个合适的环境温度，从而延长你驾驶时候的里程。
PTC Heater，PTC有个很强的特性就是能够固定到设定的温度,所以他是用来设定固定温度的理想供热源。
heat pumping 热泵循环示意图：
 热泵的作用就是把热量往能量扩散的反方向转移，你可以把他理解成冰箱的反方向，他有四大部件 Condenser 冷凝器，膨胀阀expansion valve，evaporateor 蒸发器，压缩机compressor。热泵在电动汽车应用节能原理是可以对电控以及电机产生的热量进行回收。
NREL's combined fluid loop (CFL) BEV thermal management  system 示意图,
thermal management system
heat bump mode
refrigeration mode
WEG-coolant make from water-ethylene glycol
ESS-(battery)energy storage system
PEEM-power electronics（inverter）and electirc motor 
基于优化型新能源电动车整车热管理系统案例应用：
如下图，一般此类电动车的热量管理有如下三个循环，三个循环切换的主要控制流向通过阀系控制实现。
1，驾驶舱的空调循环
2，电池加热以及冷却循环
3，电控以及电机的冷却循环
OBC-on board charger
EM-Electric Motor(vehicle propulsion)
PE-power electronics（inverter）
在制冷模式下,冷却液从冷却装置(Chiller)流向空调系统的冷却器HVAC Cooler，从而给驾驶舱进行制冷和除湿。如果需要时候同时冷却器能够分流部分给电池制冷。热交换器front-end heat exchanger (FEX)就是传统内燃汽车的前格栅后面的热交换器，很多新能源品牌同样把热交换器放在这个位置，此时这个热交换器会将从冷凝器（condenser）产生的热量排出。
所以，制冷模式就是传统的熟悉的空调模式。
在加热模式下，来自冷凝器的热冷却液被输送至座舱用于空调系统的加热驾驶舱。当热交换器接受到的冷却液比环境温度还冷的时候，他会吸收环境温度热量，与空调系统加热系统一起对驾驶舱进行加热。当然一定范围内他们同样会对电池进行加热。
此外，因为电控以及驱动电机（Power Electroic Electric Motor)工作的时候总会产生废热并且他们总是需要冷却，冷凝器会将此部分热量收集起来通过冷却液运输到空调系统加热，这样就能够回收废热提升BEV的续航里程
所以在加热模式下除了PTC 加热电池以及驾驶舱外的这个工作就是热泵模式-吸收外部热量，电控以及驱动电机热量回收利用。
上图中，红色循环就是热泵以及PTC的加热模式；蓝色为制冷模式
电动汽车热管理是一个系统工程，热管理没有做好，影响驾驶里程，影响驾驶性能，多次激烈驾驶性能衰减甚至过热保护；影响充电性能，天热或者天冷时候充电速度受限制。重则影响安全。
下图为新出行测试荣威marvel x冬季功率，其中在冷车零度5-8度左右充电功率降至最高充电的百分之30以下。
Marvel X 充电测试图以及数据来自于新出行(但此图有待商榷，他低温充电的开始SOC为65%，严格的测试应该相同条件相同SOC 去比较)
参考资料：
Modeling of an Electric Vehicle Thermal Management System in MATLAB/Simulink
-Tibor Kiss, Jason Lustbader, and Daniel Leighton
National Renewable Energy Laboratory
Wiki-Heat_pump
Total Thermal Management of Battery Electric Vehicles (BEVs)
-Sourav Chowdhury, Lindsey Leitzel, Mark Zima, and Mark Santacesaria Mahle Behr Troy Inc.
Gene Titov, Jason Lustbader, John Rugh, and Jon Winkler National Renewable Energy Laboratory
Aamir Khawaja and Murali Govindarajalu FCA US LL
Battery Thermal Management Systems of Electric Vehicles-
Master’s Thesis in Automotive Engineering JILING LI ZHEN ZHU
 
 
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