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技术 | 电动汽车热管理性能开发关键技术

2018-11-02 13:47:01·  来源：中国汽研汽车风洞技术  
　
中国汽研汽车风洞技术通过建立高性能的汽车热管理系统，不仅可以有效提高燃油经济性，降低排放，增加功率输出和车辆承载能力，而且可以降低气动阻力损失和汽车维
中国汽研汽车风洞技术 
通过建立高性能的汽车热管理系统，不仅可以有效提高燃油经济性，降低排放，增加功率输出和车辆承载能力，而且可以降低气动阻力损失和汽车维护费用，提高汽车的可靠性和环境适应性。近年来，随着新能源汽车的逐渐兴起和发展壮大，如何在热管理技术上实现与时俱进，已成为行业关注的热点和难点问题。本期分享电动汽车热管理性能开发中的几个关键点。
冷却系统的匹配和分析 
强电系冷却系统匹配
对于纯电动车，强电系主要包括驱动电机及其控制器、发电机(ISG/BSG)及其控制器、DC/DC、充电机等其中大部分采用水冷，且通常情况下布置在一个系统中，共用散热器。重点考察性能包括：各电器部件水套水流量、散热器水流量、水泵前压力。
不同部件发热量不尽相同，可以根据具体情况采用并联或串联的布置方式；对水温的要求也存在一定差异，可用于确定上下游关系；但无论如何，必须通过一维仿真手段确定：a.水泵的选型是否合理；b.管路尺寸是否合理；c.各部件的布置关系和水流量分配是否合理。
某车型强电系一维分析模型和计算结果
强电系冷却系统的布置与发动机冷却系统类似。但由于电驱动系统远不如发动机成熟，管路的布置往往没有现成的参考，导致出现一些传统汽车中不常遇到的问题，比如：a.由于部件空间布置改变，导致冷却液加注困难；b.管路受压力变形，导致流阻增加。
通过一维和三维相结合的方法，分析冷却液加注过程和系统压力分布，对空间布置和管路进行优化，保证冷却系统的正常工作。
动力电池冷却系统匹配
动力电池冷却系统类型主要有以下几种：
a.完全依靠电池包隔热，无单独冷却系统，如日产Leaf、长安逸动EV、比亚迪秦、特斯拉等。
b.依靠内循环空气流动系统提高电池单体间温度均匀性。
c.直接利用乘员舱空调，通过引入乘员舱内冷空气对电池组进行冷却，再排出车外。丰田、本田早期多款混合动力车型均采用这一形式。
d.制冷循环额外设置一个辅助蒸发器支路，但仍通过引入乘员舱内冷空气对电池组进行冷却。属于c类型的改进型。
e.设置额外水循环，利用制冷循环中的chiller或独立PTC对水路进行冷却/加热，再用水路对电池组进风进行冷却/加热；美国CODA公司纯电动汽车采用该方式。
f.电池包采用水冷方式，冷却水利用chiller制冷和PTC加热；通用Volt、大众高尔夫EV、克莱斯勒最新PHEV采用这一方式。
g.增加独立制冷循环，电池包本身采用制冷剂直接冷却。
根据上述冷却系统类型分析，除第a,b两种类型以外，其余电池组的冷却除电池包内部结构以外，均还包括外部冷却循环结构。因此，一维分析是动力电池组冷却系统匹配的必要手段。
电池组冷却系统一维分析包括：
a.空气回路模拟：确定电池包冷却风风量及进风温度需求、鼓风机性能、风道阻力目标等。
b.水路、制冷剂回路模拟，作用包括：水泵压缩机的选型；热交换器的性能参数制定；管路匹配；控制策略制定。
某车型电池组冷却布置图、一维仿真模型和计算结果
冷却模块匹配
电动汽车的前端冷却模块与传统汽车不同，特别是对于同时具备电机和电池散热器的情况，合理布置前端各换热器是一项非常重要的工作。
通过三维流场分析得到冷却模块风速分布，作为一维分析的边界条件，计算不同冷却模块空间布置组合下强电系和电池冷却的效果，以及对空调系统的影响。下图表示的是某车型不同冷却模块布置方式计算结果。
零部件内部结构分析优化
动力电池包
电池包热管理系统方式选择：通常来说，EV以电池包无冷却并加强隔热的方式为主，PHEV和部分EV采用水/制冷剂冷却的方式，HEV主要采用风冷。
隔热方式电池包瞬态温度场分析：核心是分析充电-放电过程中电池单体温度差异，以及单体温度极限；对于PHEV车型，通常还要避免发动机排气系统对电池包的影响。
风冷方式电池包稳态温度场分析：核心是流场的均匀性，从而保证电池单体间温度的均匀性；采用并联风道是首选，而对于串联风道的形式，则还需通过调节上下游的风速，保证上下游电池单体间的换热系数，平衡空气温度不同的影响。
水/制冷剂直冷方式电池包瞬/稳态温度场分析：水循环和制冷剂循环由于往往采用毛细结构，通常不存在冷却介质的局部均匀性问题；但由于冷却介质往往分布在电池的一侧，冷却效率及电池单体内部的温度分布是重点考察对象。
电机、控制器等强电系部件
驱动电机和控制器的发热量较大，一般采用水冷，具备与发动机类似的水套，需进行详细流场和温度场的分析，以保证冷却效果。
充电机、以及DC/DC其他小电机部分采用风冷，但也需要详细计算保证冷却效果。
上述工作通常由零部件供应商完成，但如果零部件供应商能力不足，中国汽研在这方面也有很丰富的经验。
电动空调系统匹配
采暖模式PTC的匹配
EV采暖热源全部依靠PTC，因此足够的功率以及水流量才能保证整车采暖和除霜满足设计要求，但是EV对续驶里程的要求又决定了PTC的功耗不能过大；因此，精确的匹配分析是保证两者之间达成平衡的关键。
开发过程中，首先通过对应传统汽车的采暖试验数据对HVAC和乘员舱模型进行标定，再对车采暖过程中水温和乘员舱内部温度进行分析，从而找出合适的功耗以及水流量需求。
中国汽研具备数十款车的采暖分析经验，具备不同类型车辆乘员舱热负荷数据库，也具备多款车型PTC的匹配经验。
电动压缩机的匹配
EV电动压缩机相对传统汽车来说，由于压缩机转速可通过输入电压进行调节，其系统匹配的空间更大；压缩机本身的制冷能力虽仍很重要，但是通过系统匹配可以更大程度的提高空调制冷效果。
中国汽研具备10多个车型的空调匹配和一维分析经验，拥有一套完整的空调一维模型标定和计算流程；能够对电动空调系统进行详细压力、温度以及流量分析，保证电动压缩机选型的合理性以及制冷性能满足设计要求。
中国汽研汽车风洞中心性能开发团队
中国汽研汽车风洞中心性能开发团队致力于空气动力学、气动噪声、热管理、空调/乘员舱和零部件五大技术领域的性能开发，每个领域分别由一名主机厂工作经验8年以上的资深工程师具体负责。
其中，热管理领域负责电动汽车冷却系统匹配，包括水路系统一维分析、前机舱流场三维分析等；零部件领域负责电机、电控等部件内部水套结构优化及机构温度场分析，电池包冷却结构流场优化以及电池单体内部温度场分析；空调领域负责电动空调及PTC加热系统匹配，包括制冷循环和暖通水路一维分析、乘员舱三维分析等；三个领域相互配合，共同完成电动汽车热管理性能开发。
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