純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)熱管理系統(tǒng)探究

（貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 凱里 556000）

純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)型在新能源汽車(chē)中占比較高，與傳統(tǒng)汽車(chē)相比，除懸架系統(tǒng)、底盤(pán)系統(tǒng)、車(chē)身控制系統(tǒng)一致外，較大區(qū)別為動(dòng)力來(lái)源。傳統(tǒng)汽車(chē)動(dòng)力來(lái)源是以燃油為能源的發(fā)動(dòng)機(jī)做功提供動(dòng)力，新能源汽車(chē)以動(dòng)力電池（儲(chǔ)電量>75%）結(jié)合驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器為動(dòng)力來(lái)源。傳統(tǒng)汽車(chē)整車(chē)熱管理主要涉及發(fā)動(dòng)機(jī)溫度控制，以發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)為座艙制冷的制冷系統(tǒng)，以發(fā)動(dòng)機(jī)自身散熱的熱量來(lái)源為座艙提供制熱的暖風(fēng)系統(tǒng)。純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)熱管理系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、室內(nèi)散熱器、兩通電磁閥、第一三通電磁閥、雙腔散熱器、充電機(jī)、DC/DC 等。DC/DC 變換器在大電流工況下產(chǎn)生較多的熱量，動(dòng)力電池最佳工作溫度為25℃，且以動(dòng)力電池為能量來(lái)源的空調(diào)制冷系統(tǒng)和PTC 制暖系統(tǒng)為座艙提供適宜的環(huán)境溫度。由于PTC 耗能較高，嚴(yán)重影響在低溫環(huán)境下的純電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程。因此，非常有必要對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化能量管理[1-4]。

1 傳統(tǒng)燃油汽車(chē)與純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)熱管理系統(tǒng)對(duì)比

1.1 傳統(tǒng)燃油汽車(chē)整車(chē)熱管理系統(tǒng)

燃油汽車(chē)整車(chē)熱管理系統(tǒng)主要涉及發(fā)動(dòng)機(jī)溫控、座艙制冷、座艙制暖，其余如變速箱、進(jìn)排氣散熱由于相關(guān)性較小，本文不再贅述。1）發(fā)動(dòng)機(jī)溫控系統(tǒng)主要由散熱風(fēng)扇、散熱器、節(jié)溫器、電子水泵、副水箱、冷卻液水道等其余附屬裝置組成。發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工作溫度為90℃左右，長(zhǎng)時(shí)間停放的車(chē)輛在剛啟動(dòng)時(shí)由于發(fā)動(dòng)機(jī)溫度與環(huán)境溫度較為一致，遠(yuǎn)低于最佳工作溫度（90℃），在發(fā)動(dòng)機(jī)低溫啟動(dòng)時(shí)由于眾所周知的熱脹冷縮原理導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)構(gòu)建間隙收縮致使摩擦增加，不僅增加了油耗，也導(dǎo)致構(gòu)件之間的磨損加劇。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)階段需要迅速將溫度提升至最佳工作溫度（90℃），此時(shí)冷卻系統(tǒng)中的節(jié)溫器是關(guān)閉狀態(tài)，冷卻液進(jìn)行小循環(huán)為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行“暖機(jī)”預(yù)熱工作。暖機(jī)結(jié)束后，發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳工作溫度（90℃），隨著工況的增加燃油爆燃熱損的增多，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度逐步上升超過(guò)最佳工作溫度（90℃），溫度的過(guò)高增加將會(huì)導(dǎo)致金屬元器件膨脹，不僅使其力學(xué)性能下降，增加零部件形變和斷裂的危險(xiǎn)，而且過(guò)高的溫度也導(dǎo)致潤(rùn)滑油性能下降，極易導(dǎo)致潤(rùn)滑不足而加劇零件磨損，同時(shí)過(guò)高的溫度導(dǎo)致進(jìn)氣量減少致使燃燒不充分引起功率下降。因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作階段需要將溫度降低至最佳工作溫度（90℃），此時(shí)冷卻系統(tǒng)中的節(jié)溫器是打開(kāi)狀態(tài)，冷卻液進(jìn)行大循環(huán)為發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行“高溫”散熱，將多余熱量經(jīng)過(guò)散熱器散失至大氣之中。2）座艙制冷采用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過(guò)皮帶帶動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)做功，通過(guò)制冷劑吸收座艙內(nèi)部熱量調(diào)整座艙內(nèi)部溫度。3)座艙制暖利用發(fā)動(dòng)機(jī)燃料燃燒散失的熱量經(jīng)過(guò)暖水管帶入座艙實(shí)現(xiàn)座艙內(nèi)部溫度控制。

1.2 純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)熱管理系統(tǒng)

純電動(dòng)汽車(chē)熱管理主要涉及動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)壓縮機(jī)、PTC 等部件的熱管理。動(dòng)力電池最佳工作溫度為25℃，由于動(dòng)力電池實(shí)際工況為大電流放電和充電，在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，值得注意的是動(dòng)力電池在低溫啟動(dòng)、低溫充電時(shí)由于BMS 動(dòng)力電池內(nèi)部溫度較低而對(duì)充電電流進(jìn)行限制，僅能夠在十幾安培甚至幾安培的限制下進(jìn)行充電，嚴(yán)重影響充電效率。同樣，動(dòng)力電池溫度過(guò)高，放任不管的話(huà)將嚴(yán)重影響動(dòng)力電池的性能，甚至導(dǎo)致動(dòng)力電池自燃。驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器實(shí)際工況均為大電流，極易產(chǎn)生熱量，同時(shí)系統(tǒng)均處于密閉空間，容易導(dǎo)致熱量聚集導(dǎo)致溫度上升，設(shè)備高溫將導(dǎo)致電極功率的降低，甚至是電極繞組、DC-DC 轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的IGBT 燒毀，導(dǎo)致車(chē)輛無(wú)法正常使用。純電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)中電動(dòng)壓縮機(jī)采用動(dòng)力電池提供的高壓直流電作為工作能源，純電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)還兼具燃油汽車(chē)不具備的如低溫時(shí)為動(dòng)力電池提供充電預(yù)熱和高溫時(shí)散熱，放電時(shí)預(yù)熱和散熱等功能。

2 純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)熱管理策略

熱管理主要是控制各個(gè)元器件的溫度，如作為車(chē)輛上能量源泉的動(dòng)力電池最佳工作溫度為25℃，動(dòng)力電池溫度過(guò)高容易導(dǎo)致動(dòng)力電池性能下降，甚至發(fā)生電池自燃的危險(xiǎn)，溫度過(guò)低直觀(guān)的變化是續(xù)航里程的下降及充電效率較低。因此，熱管理系統(tǒng)需要對(duì)相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行吸熱、放熱，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)溫度的精確控制，從而確保各系統(tǒng)的安全運(yùn)行。整車(chē)?yán)洹峁芾硐到y(tǒng)示意圖如圖1 所示。

圖1 整車(chē)?yán)洹峁芾硐到y(tǒng)示意圖

2.1 動(dòng)力電池?zé)峁芾?/h3>

純電動(dòng)汽車(chē)在運(yùn)行中，動(dòng)力電池持續(xù)不斷進(jìn)行電子交換，不斷產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致動(dòng)力電池整體溫度不斷上升，如果不加以控制，必將嚴(yán)重影響動(dòng)力電池使用性能，嚴(yán)重甚至導(dǎo)致車(chē)輛自燃。由此，動(dòng)力電池?zé)峁芾碇蠦MS 時(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)動(dòng)力電池溫度，當(dāng)動(dòng)力電池溫度超過(guò)安全溫度（38℃）最高限，BMS 將通過(guò)CAN 線(xiàn)向VCU、空調(diào)控制單元、空調(diào)壓縮機(jī)控制單元發(fā)送動(dòng)力電池冷卻請(qǐng)求。如圖1所示，空調(diào)控制單元控制三通電磁閥B 打開(kāi)熱交換器冷卻水道，水泵開(kāi)始工作，同時(shí)空調(diào)壓縮機(jī)控制單元關(guān)閉制冷管路電池閥，打開(kāi)熱交換器電磁閥，空調(diào)壓縮機(jī)啟動(dòng)工作，制冷劑進(jìn)入熱交換器，將動(dòng)力電池內(nèi)部流出的高溫冷卻液進(jìn)行降溫，將降溫過(guò)后的冷卻液再由水泵輸送至動(dòng)力電池繼續(xù)吸收動(dòng)力電池高溫?zé)崃?，依次形成散熱冷卻循環(huán)降低動(dòng)力電池溫度。動(dòng)力電池最佳工作溫度為25℃，動(dòng)力電池溫度過(guò)高容易導(dǎo)致動(dòng)力電池性能下降，甚至發(fā)生電池自燃的危險(xiǎn)，溫度過(guò)低直觀(guān)的變化是續(xù)航里程的下降及充電效率降低。低溫條件下尤其是低溫充電時(shí)，BMS 檢測(cè)到動(dòng)力電池內(nèi)部溫度較低從而開(kāi)啟限制充電電流（小于十幾安培）。假如未進(jìn)行動(dòng)力電池低溫預(yù)熱工作，動(dòng)力電池將持續(xù)在低溫狀態(tài)下以限制電流進(jìn)行充電，由于充電過(guò)程中電池內(nèi)部進(jìn)行電子交換將會(huì)產(chǎn)生熱量。因此，在較長(zhǎng)時(shí)間充電后，動(dòng)力電池本體溫度不斷升高直到溫度達(dá)到最低溫度限制后，充電電流限制關(guān)閉，充電電流加大。由此可見(jiàn)，低溫充電大大限制了充電效率，延長(zhǎng)了充電時(shí)間，有必要對(duì)低溫動(dòng)力電池進(jìn)行預(yù)熱。低溫慢充時(shí)動(dòng)力電池低于3℃時(shí)開(kāi)啟PTC 加熱對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行預(yù)熱，高于3℃時(shí)關(guān)閉預(yù)熱。低溫快充時(shí)動(dòng)力電池低于10℃時(shí)開(kāi)啟PTC 加熱對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行預(yù)熱，高于12℃時(shí)關(guān)閉預(yù)熱。動(dòng)力電池在充電過(guò)程中由于電池內(nèi)部進(jìn)行大量的電子交換，因此將會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致動(dòng)力電池本體溫度不斷上升，假如不加以控制將會(huì)嚴(yán)重影響動(dòng)力電池的性能，甚至導(dǎo)致電池自燃。為此BMS 時(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)力電池溫度，當(dāng)充電過(guò)程中溫度高于設(shè)定上限值時(shí)，將會(huì)開(kāi)啟上述講過(guò)的動(dòng)力電池散熱模式。

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、DC-DC 熱管理

驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電機(jī)控制器工作時(shí)由于繞組損耗、機(jī)械摩擦等損耗均于熱量的形式散發(fā)出來(lái)，從而引起驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電機(jī)控制器系統(tǒng)溫度的上升，在車(chē)輛進(jìn)行慢充時(shí)，OBC 啟動(dòng)工作為動(dòng)力電池進(jìn)行充電。于此同時(shí)，車(chē)輛會(huì)啟動(dòng)DCDC 轉(zhuǎn)換器，從而為輔助電池及車(chē)輛整車(chē)低壓用電器提供12V 低壓直流電。DC-DC 轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將高壓直流電轉(zhuǎn)換成為12V 低壓直流電的任務(wù)，DC-DC 轉(zhuǎn)換器及OBC 內(nèi)部的IGBT 持續(xù)不斷的工作，產(chǎn)生大量的熱量，必須及時(shí)散發(fā)出去以確保自身及線(xiàn)路正常工作。假如所產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)散失出去，將導(dǎo)致OBC 及DC-DC 轉(zhuǎn)換器相關(guān)線(xiàn)路燒毀，無(wú)法正常工作，汽車(chē)無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充電能。

2.3 空調(diào)系統(tǒng)熱管理

純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)制冷系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)最大的不同為驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的動(dòng)力來(lái)源不同，純電動(dòng)汽車(chē)壓縮機(jī)由動(dòng)力電池提供高壓直流電源。純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)制熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)采用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液余熱對(duì)座艙制暖模式不同，純電動(dòng)汽車(chē)空調(diào)制熱系統(tǒng)采用高壓直流電加熱正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC（Positive Temperature Coefficient）加熱器直接加熱空氣或水的方式進(jìn)行座艙制暖的模式。當(dāng)駕駛員開(kāi)啟暖風(fēng)時(shí)，動(dòng)力電池高壓直流電進(jìn)入高壓配電盒，通過(guò)OBC 內(nèi)部的PTC 加熱控制器熔絲后進(jìn)入PTC 加熱器，為PTC 加熱器提供動(dòng)力電源，PTC 產(chǎn)生熱量加熱內(nèi)部冷卻液，高溫的制冷劑由空調(diào)系統(tǒng)控制水泵將高溫冷卻液輸送至熱交換器，由鼓風(fēng)機(jī)將熱交換器產(chǎn)生的熱量經(jīng)空氣吹入座艙實(shí)現(xiàn)對(duì)座艙的供暖。