新能源汽车热管理分析

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3.1 新一代汽车热管理需求

汽车热管理系统的作用愈发受到重视｡早期汽车研究中并没有热管理这个细分领域,与之相关的主要有调节车舱温度的空调系统,帮助发动机降温的冷却系统等等｡后来汽车消费者逐渐提高对空调的舒适度要求以及对节能降费的要求,国家也逐渐提高对油耗排放等要求;而且,在汽车电动智能化浪潮下,新能源汽车高速发展,而新能源汽车的续航和安全等问题尤为突出,汽车热管理显得越来越重要,因此未来热管理行业需求的确定性高｡

相比传统汽车的热管理系统,新能源汽车热管理系统更为复杂,同时在系统效率,控温精度方面也有了更高的要求｡

传统汽车的热管理系统,基本围绕其动力系统展开,主要包括发动机冷却系统以及主要利用发动机余热和动力进行制热/制冷的空调系统｡

而相比于传统汽车热管理系统,新能源汽车的热管理系统脱离传统“三电”,并且没有发动机余热可以利用,更多依靠 PTC 和热泵,同时电池的工作特性也对新能源汽车热管理的控温精度提出了更高的要求｡

3.2 新能源汽车热管理系统发展

3.2.1 电池热管理

电池热管理是新能源汽车热管理系统的核心｡电池高效工作温度范围较窄,热管理系统是维持电池性能和安全性的关键｡动力电池能完全发挥性能的温度范围通常为 0℃~40℃｡温度过低,电池充放电功率性能下降,整车表现出动力不足､续航缩减;温度过高会产生电池热失控风险,威胁整车安全｡

电池的“木桶效应”要求温控均匀一致｡动力电池是由大量电池单体串并联组成的｡整体的电压､容量等易受某个“短板”电芯的影响｡一个单体发生热失控不但导致电池故障,甚至引发整个电池热失控｡为保证电芯性能的一致性,电池热管理系统通常需要设计复杂､精细的冷却回路,布置多个温度传感器,维持电芯温度的一致性｡

目前常用的电池散热系统主要有风冷式和液冷式｡随着电池容量､功率提升,高效的液冷已经成为主要的电池冷却方式｡

液冷采用冷却液(或称为防冻液,如乙二醇等)作为换热介质,其传热系数高于空气,换热效果更优｡动力电池常用的液冷方案为:动力电池冷却液回路与空调回路并联耦合,通过换热器(Chiller)对冷却液降温,低温的冷却液流经电池从而为电池散热｡在电池内部,电芯间通常布置冷却板｡冷却液流经冷却板内的精细流道,把电芯的热量带走｡

风冷系统较为传统,在国内使用较多｡按照技术类型主要分为被动式风冷系统与主动式风冷系统｡被动式风冷系统指的是汽车行驶时自然吸入外部环境空气或驾驶舱内的空气与电池形成对流带走热量｡主动式风冷系统通常是利用空调系统蒸发器和电池包专用蒸发器对外部环境空气处理后进入电池包完成冷却或加热｡

风冷系统的特点系结构简单､成本较低,但热管理的效果相对一般,主要应用于早期的乘用车及大巴车等｡

3.2.2 空调系统的趋势

目前新能源汽车的空调系统主要有两种,PTC 空调和热泵空调｡

PTC 是 Positive Temperature Coefficient 的缩写,意思是正的温度系数,泛指正温度系数很大的半导体材料或元器件,简称 PTC 热敏电阻｡PTC 技术的基本原理是给陶瓷/电阻丝等热材料通电,从而产生热量,给舱内供暖｡如果热量不够,可通过增加电阻数量或者加大功率的方式提高产热量｡

PTC 空调具有恒温发热特性,其原理是 PTC 加热片加电后自热升温使阻值升高进入跃变区,PTC 加热片表面温度将保持恒定值,该温度只与 PTC 加热片的居里温度和外加电压有关,而与环境温度基本无关｡PTC 空调中所用的 PTC陶瓷发热元件,由若干单片并联组合后与波纹铝条经高温胶结组成｡该类型 PTC加热器有热阻小､换热效率高及长期使用功率衰减低的优点,而且安全性能较好,即遇风机故障停转时,PTC加热器因得不到充分散热,其输入功率会自动急剧下降,此时加热器的表面温度维持在居里温度左右(一般在 250℃上下),从而不致产生如电热管类加热器的表面“发红”现象,安全事故发生的概率较低｡

PTC 的特点是成本低､结构简单､出热快､受外界环境影响小,因此从入门车到高端车都普遍在使用｡PTC 加热器的整体外形轻巧,在整机内装配极为便捷｡

PTC 空调的不足是明显影响车辆续航｡因为它需要耗电发热,所以直接影响车辆续航,随着外界温度降低,PTC 的电阻值随之减小,电流通过电阻产生热量,其制热能效比(COP)最大值不超过 1,也就是说 1kW 电量最多可产生 1kW 热量,试验表明,当冬季行驶时打开暖风,全程至少消耗三分之一电量,功率越大耗能越大,时间越久耗能越大,冬季续航里程会受到极大的影响,这个不足在续航能力较差的新能源汽车上显得尤为明显｡

热泵系统采暖/制冷时,低温低压的气态制冷剂在压缩机内被压缩成高温高压状态后,制冷剂流入内/外部换热器,向车内空气/车外环境放热,变为高压液态,然后流过储液干燥瓶,除去水分和杂质,再经过膨胀阀转变为低温低压气液混合态,最后经过外部/车内换热器从车外/车内吸热变为低温低压气态并进入下一个循环,车内空气流经车内换热器吸热升温/放热降温,实现车内采暖/降温功能｡

热泵式空调系统通过热泵技术实现对汽车内部的制热,其高效的制热能效比符合新能源汽车的发展方向,而且热泵式空调系统的驱动方式是电动压缩机,具有独立的能源提供方式,热泵式空调系统对新能源汽车的运行状况并无明显影响｡因为客舱获得的热量=消耗的电能外界吸进来的热能,那么热能效比 COP(吸收的热能消耗电能)/消耗电能)一定大于 1,让 1kW 电功率能够达到 1.5kW甚至 2kW 的热量｡

热泵空调的制热效率相对于 PTC 空调要高,有较好的前景｡热泵空调系可提升整车电能利用效率,改变纯电动汽车在低温环境下续驶里程大幅缩减的现象｡其基本原理为利用四通阀使热泵空调的蒸发器和冷凝器功能对换,从而改变热量的传递方向,来实现制热的目的｡由于热泵空调相对高效节能,新能源汽车未来可能采用热泵空调为主｡

热泵系统可以把热量从温度低的地方搬用到温度高的地方｡主要是把外界环境中的热量收集起来,蒸发吸热,液化放热｡在夏季,热泵系统把车内的热量搬向车外,达到制冷效果｡在冬季制热时,把车外的热量送到车内｡比 PTC 节能很多,大约能节省 30%-50%的空调功耗｡主要的零部件是压缩机､泵体等｡

不过,热泵的渗透率难以达到 100%,因为在对制暖需求不高的地区,热泵空调不具备性价比｡另外,即使采用热泵空调,PTC 短期依然难以被完全替代,因为:1)当前,仅靠热泵难以满足除霜除雾的强制标准,PTC 仍然是当前新能源汽车的标配;2)PTC 具有成本优势｡

3.2.3 电驱电控系统热管理

电机和电控(逆变器､充电机､DCDC 等)是新能源汽车一大发热源｡在高功率输出和充电情况下电机绕组和 IGBT 会产生大量热,若热量不能及时散去,电磁､电子元件在高温下性能和寿命下降,最终致整车性能减弱甚至引发故障停机｡

与传统汽车发动机冷却系统相似｡电机冷却主流方式是液冷,部分高性能车采用油冷式｡在大电流下,电机内耗以热量方式急剧增加｡如果电机在大电流工况下运转得不到有效的冷却,电机的内部温度不断升高,会导致电动机效率下降｡如果温度过高,就会造成内部烧蚀甚至击穿导致电机损坏｡根据介质种类,电机冷却系统分为空冷､水冷和油冷｡空冷即风冷,散热能力有限,通常用于功率不高的微小型电动车｡水冷是目前电机的主流散热方式｡冷却液通过流经电机壳体带走热量｡不过,转子､绕组､定子等内部元件的热量需经过层层部件传导至外壳与冷却液热交换,传递路径长,存在温度梯度,散热效率低,易形成局部热点｡油不导电､不导磁､导热好,可作为介质直接冷却电机内部部件｡油冷方式需要增加一个油冷却器使油与冷却液进行热交换｡油冷系统复杂,技术难度大,成本高,目前除特斯拉外应用并不多｡