電動(dòng)車浸沒(méi)冷卻液快速加熱裝置研究

摘 要：本文介紹了一種用于車輛熱管理的新型裝置，屬于電動(dòng)車汽車熱管理技術(shù)領(lǐng)域。該裝置的控制電路包括高壓驅(qū)動(dòng)電路及低壓檢測(cè)通訊控制電路，高壓部分采用高壓開(kāi)關(guān)管（適應(yīng)400V或800V高壓系統(tǒng)），電阻絲布置在熱管理系統(tǒng)冷卻液管道中，通電后會(huì)迅速發(fā)熱，并與流經(jīng)其內(nèi)部空間的冷卻液充分接觸，將其迅速加熱。同時(shí)，為保證冷卻液被加熱的均勻性，進(jìn)行了電阻絲的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，且其控制裝置集成了溫度控制系統(tǒng)形成閉環(huán)控制，逐步降低輸出功率，提升加熱效率。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車 浸沒(méi)冷卻液 快速加熱裝置 熱管理

近年來(lái)，隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和科技的不斷進(jìn)步，電動(dòng)汽車的發(fā)展越來(lái)越受到人們的關(guān)注。與傳統(tǒng)的燃油汽車相比，電動(dòng)汽車具有諸多優(yōu)勢(shì)。但電動(dòng)汽車在低溫環(huán)境下的使用體驗(yàn)卻不盡如人意。這主要是由于其使用的鋰電池在低溫環(huán)境下，內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)會(huì)受到影響，導(dǎo)致電池的能量輸出減少，影響電動(dòng)車的性能和續(xù)航里程。同時(shí)，電動(dòng)車的座艙也需要加熱升溫來(lái)提升舒適性。而電動(dòng)汽車的溫度主要是通過(guò)熱管理系統(tǒng)來(lái)控制與調(diào)節(jié)的，因此，如何快速高效地給熱管理系統(tǒng)加熱，成為提升整車性能和舒適性的關(guān)鍵。目前，電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)的主要加熱方式包括PTC電加熱、低溫?zé)岜眉訜帷㈦姍C(jī)堵轉(zhuǎn)加熱、電池自激加熱等。但各技術(shù)均有不足之處：低溫?zé)岜孟到y(tǒng)，在環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，其制熱能力較弱，因其無(wú)法有效地從外界獲得能量；電機(jī)堵轉(zhuǎn)、電池膜加熱及電池自加熱目前仍處于探索的階段，加熱功率有限，還未被廣泛應(yīng)用。而PTC加熱技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，雖然能解決在較低溫度下對(duì)電池甚至對(duì)乘員艙的預(yù)升溫需求，但需要多個(gè)陶瓷PTC才能獲得較高熱功率，成本較高，自身熱損耗也有待進(jìn)一步降低。不同于以上市場(chǎng)目前有限的加熱實(shí)現(xiàn)方式，本文提出一種全新方案，用市場(chǎng)普遍存在的電阻絲替換PTC作為發(fā)熱體，可以將電能直接轉(zhuǎn)化成熱能，并且直接和熱管理系統(tǒng)的冷卻液進(jìn)行熱交換，提高了電熱轉(zhuǎn)換效率，減少了中間換熱媒介，因此在體積、重量相近的情況下，能夠獲得更高熱效率。并且，通過(guò)控制方法和加熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步提高熱效率。

1 電動(dòng)車浸沒(méi)冷卻液電阻式加熱器介紹

1.1 裝置工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

浸沒(méi)冷卻液電阻式加熱器的運(yùn)作機(jī)制獨(dú)特而高效。該裝置運(yùn)用電熱絲，例如常用的鐵鉻鋁合金電阻絲，直接對(duì)絕緣冷卻油進(jìn)行加熱。此外，電熱絲可采用螺旋式設(shè)計(jì)和內(nèi)外雙圈設(shè)計(jì)，以顯著增大在單位長(zhǎng)度和單位截面內(nèi)的換熱面積，在提高冷卻液溫升速率的同時(shí)，也能進(jìn)一步提高溫度均勻性。內(nèi)外線圈還可以分開(kāi)控制，根據(jù)流量、流速和截面積等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高控溫精度。

1.2 裝置優(yōu)勢(shì)分析

在傳統(tǒng)方法中，由于冷卻液通常是導(dǎo)電的，電熱絲不能直接接觸它，需要用隔熱填料包裹并由外管封裝，這在一定程度上降低了傳熱效率。然而，浸沒(méi)冷卻液電阻式加熱裝置，卻可以克服傳統(tǒng)方法的這一問(wèn)題。其核心原理在于本裝置中冷卻液與電熱元件直接接觸，并且在經(jīng)過(guò)特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的電阻絲內(nèi)部穿插流動(dòng)，進(jìn)行充分的換熱，固其具有換熱效率高（98%左右），電熱元件表面熱負(fù)荷大（可達(dá)20-50W/cm2）的特點(diǎn)；另外，電熱元件無(wú)蓄能結(jié)構(gòu)，具有熱慣性小，升溫速度快、控溫精度高的特點(diǎn)。其主要的優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于與冷卻液管道連接和布置，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。

（2）由于能量轉(zhuǎn)換（熱交換）的環(huán)節(jié)較少，提高了電熱轉(zhuǎn)換效率，降低了能量損失。

（3）快速的加熱速度和高溫度控制精度，確保冷卻液在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到所需的溫度并保持穩(wěn)定。

2 電動(dòng)車浸沒(méi)冷卻液電阻式加熱裝置性能評(píng)估

2.1 基本設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)置

浸沒(méi)冷卻液電阻式加熱裝置的關(guān)鍵參數(shù)，包括材料性質(zhì)（如密度、電阻率等）、設(shè)計(jì)參數(shù)（如加熱絲長(zhǎng)度、直徑等）以及性能參數(shù)（如電流、輸入功率等），這些參數(shù)共同決定了加熱裝置的工作性能與效率（表1）。

2.2 加熱性能仿真分析

基于以上設(shè)計(jì)參數(shù)，可建立此加熱裝置的流體傳熱仿真模型，對(duì)流經(jīng)加熱絲的冷卻液進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算，計(jì)算了在不同流量下，流場(chǎng)經(jīng)電阻絲加熱達(dá)到穩(wěn)定后的溫度分布，如下圖2、圖3所示。對(duì)比電阻絲的表面溫度、冷卻液出口的液體溫度分布云圖，發(fā)現(xiàn)：在相同輸入功率下，冷卻液的最終穩(wěn)定溫度會(huì)隨著流量的增加而降低。所以，如果冷卻系統(tǒng)的流量較大，需要增大電阻絲的發(fā)熱量，來(lái)提高冷卻液的加熱溫度。可以通過(guò)調(diào)節(jié)加熱器電阻絲的長(zhǎng)度、規(guī)格等參數(shù)，并調(diào)節(jié)輸入的電源參數(shù)，來(lái)達(dá)到冷卻液的加熱溫度目標(biāo)值，從而滿足熱管理系統(tǒng)的性能目標(biāo)。

2.3 加熱速度的性能測(cè)試和對(duì)比

為了評(píng)估本裝置的加熱速度性能，進(jìn)行了與傳統(tǒng)PTC加熱器的對(duì)比測(cè)試。測(cè)試條件如表2。

從圖4的加熱時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)比中，可以清晰地看到本裝置（電阻絲加熱器）在加熱速度上的顯著優(yōu)勢(shì)。當(dāng)輸入功率相同時(shí)，在冷卻液流量為10L/min的工況下，本裝置加熱到目標(biāo)溫度的時(shí)間僅為60秒，而傳統(tǒng)PTC加熱器則需要75秒。隨著冷卻液流量的增加，雖然兩種加熱器的加熱時(shí)間均有所延長(zhǎng)，但本裝置的加熱速度優(yōu)勢(shì)依然明顯。在25L/min的高流量工況下，本裝置的加熱時(shí)間比傳統(tǒng)PTC加熱器快了31秒，這充分證明了本裝置在加熱速度上的卓越性能。

2.4 能耗測(cè)試和對(duì)比

除了加熱速度以外，能耗水平和電熱轉(zhuǎn)換效率也是對(duì)加熱裝置性能重要的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。所以，同樣進(jìn)行了加熱器的功耗、效率的對(duì)比測(cè)試。測(cè)試條件如表３，初始溫度和目標(biāo)溫度與之前測(cè)試相同，但固定加熱時(shí)間（60秒），然后調(diào)整設(shè)備的輸入功率，使不同測(cè)試工況下，冷卻液在相同的時(shí)間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)溫度。共測(cè)試4種不同流量工況的數(shù)據(jù)。

從圖5中的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，隨著流量的增加，使冷卻液在相同時(shí)間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)溫度所需要的功耗會(huì)增加，但兩者對(duì)比，電阻絲加熱器所需的功耗整體上要PTC加熱器的更少，而且功耗增加的比例也更小。另外，電阻絲加熱效率更高，在流量為10L/分鐘時(shí)，可達(dá)到96.5%，且隨著流量的增加，效率會(huì)進(jìn)一步提升。而PTC加熱器的效率，剛剛超過(guò)90%，雖然其效率也會(huì)隨著流量的增加而增加，但即使在25L/分鐘時(shí)，也僅達(dá)到93.1%

電阻絲加熱器之所以在能耗上表現(xiàn)更優(yōu)，主要得益于其高效的電熱轉(zhuǎn)換機(jī)制。此外，電阻絲加熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也使得其與冷卻液的換熱更加充分，從而提高了加熱效率。相比之下，傳統(tǒng)PTC加熱器由于其電熱轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，且存在較多的能量損失，因此在能耗水平上表現(xiàn)不如電阻絲加熱器。

3 電動(dòng)車浸沒(méi)冷卻液電阻式加熱裝置的應(yīng)用前景

3.1 電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域

電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾黻P(guān)乎其性能、壽命和安全。低溫時(shí)電池的充放電性能急劇下降，對(duì)續(xù)航里程和功率輸出的影響比較大。采用能夠快速被加熱的浸沒(méi)式冷卻介質(zhì)可對(duì)電池進(jìn)行快速預(yù)熱，能較好地解決上述問(wèn)題，保證電池在低溫環(huán)境可靠運(yùn)行。該裝置具有響應(yīng)速度快、電熱轉(zhuǎn)換效率高、控制準(zhǔn)確性高、可適應(yīng)性強(qiáng)和環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。因此能有效提高電動(dòng)汽車的性能，促進(jìn)電動(dòng)汽車的發(fā)展和應(yīng)用。

3.2 乘員艙加熱領(lǐng)域

電動(dòng)汽車座艙加熱需求量大，傳統(tǒng)加熱方式能耗大，加熱速度慢。本裝置加熱效率高，能夠快速加熱流經(jīng)的冷卻液，然后通過(guò)電動(dòng)車的熱管理系統(tǒng)將熱量交換到空氣或座椅上，進(jìn)而使汽車座艙迅速達(dá)到舒適溫度。同時(shí)可與空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合，對(duì)溫度進(jìn)行智能控制，為用戶提供良好的駕駛環(huán)境。

3.3 車窗除霜除霧領(lǐng)域

在低溫環(huán)境中，車窗上極易結(jié)霜，影響視線，影響行車安全。傳統(tǒng)的玻璃清洗工藝不但效率低，還易造成玻璃的損傷。本發(fā)明采用電阻式快速加熱裝置，加速霜霧的霧化，提高行車安全。利用冷卻劑加熱，將熱能傳送至窗戶，快速提高溫度，同時(shí)去除白霜。與雨刮系統(tǒng)相結(jié)合，達(dá)到了智能化的清潔效果，即使天氣不好也能自動(dòng)打開(kāi)，保證行車安全。

4 電動(dòng)車浸沒(méi)冷卻液電阻式加熱裝置技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 高性能化

電熱元件作為加熱器的核心部件。電動(dòng)汽車的浸沒(méi)冷卻液電阻式加熱裝置將更多地偏向于性能的提升，如快速加熱性能的提升，即在快速加熱過(guò)程中，降低裝置加熱時(shí)間，達(dá)到指定加熱溫度；能量指標(biāo)的提升，即降低快速加熱過(guò)程中能量消耗，減少能量損失實(shí)現(xiàn)裝置能量消耗最小化；安全性，即長(zhǎng)時(shí)間的、安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。這需要從裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著手，從而逐步優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)越來(lái)越緊湊，滿足電動(dòng)汽車對(duì)安裝空間、重量的需求。

4.2 智能化

整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)也是目前加熱器發(fā)展趨勢(shì)之一，新型電動(dòng)汽車電阻式加熱器正從節(jié)能向優(yōu)化性能的轉(zhuǎn)變方向發(fā)展，如提高加熱速率、降低能耗，進(jìn)一步改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。但是，為了達(dá)到這一目標(biāo)需改進(jìn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高器件的緊湊性和輕量化，以滿足電動(dòng)汽車對(duì)空間和負(fù)重的要求，保證整套系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 集成化

集成化是未來(lái)電動(dòng)汽車熱管理的另一大發(fā)展方向。浸沒(méi)冷卻液電阻式加熱裝置可以與電池冷卻系統(tǒng)、空調(diào)等其他熱管理系統(tǒng)裝置進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，可以使熱管理系統(tǒng)更為高效、更省能。集成設(shè)計(jì)可以降低裝置數(shù)量和質(zhì)量，提高整車綜合性能和輕量化水平，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低維護(hù)成本。

4.4 環(huán)保化

隨著環(huán)保意識(shí)提升和政策收緊，電動(dòng)車熱管理裝置的環(huán)保要求提高。浸沒(méi)冷卻液電阻式加熱裝置將采用更環(huán)保材料和工藝，如可回收或生物降解外殼和管道，優(yōu)化能效，開(kāi)發(fā)環(huán)保冷卻液。同時(shí)，優(yōu)化性能結(jié)構(gòu)，提高能效和可回收性，助力電動(dòng)車可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié)論

電動(dòng)車浸沒(méi)冷卻液電阻式加熱裝置是一種高效節(jié)能、快速加熱的新技術(shù)，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿Α钠湫阅茉u(píng)價(jià)、應(yīng)用前景和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)等方面進(jìn)行分析，指出其今后將向高性能、智能化、集成化、環(huán)保的方向發(fā)展。為此，應(yīng)加大研發(fā)力度，使其性能與品質(zhì)得到進(jìn)一步提升，為我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作出更大的貢獻(xiàn)。

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