0 引言
然而,续航里程不足、充电速度慢以及安全事故频发等问题仍是制约电动汽车快速发展的关键因素。与传统燃油车不同,当前大多数电动汽车以锂离子电池为动力来源,其最佳工作温度范围在20 ~ 40 °C[5]。温度过低会导致电池功率和容量衰减[6],而过高的温度则会缩短电池寿命[7]。此外,电池包内不同单体电池之间的温差应控制在5 ℃以内,过大的温差同样会影响电池包的整体性能[8]。电动汽车采用电机驱动,电机在工作过程中会产生大量能量损耗使得整体温度升高,过高的温度会导致电机绕组绝缘老化加快、定转子产生形变,从而降低电机的安全性和可靠性[9]。纯电动汽车没有发动机余热可以利用,为实现乘员舱的夏季制冷、冬季制热、除湿、除霜除雾等功能,均需要消耗大量电能,这会显著降低电动汽车的续航里程[10]。
针对当前电动汽车热管理系统的研究现状,首先介绍几种常见的热管理系统架构,其次根据系统集成程度将热管理系统划分为三种方案,最后对集成热管理系统的发展趋势进行展望。本研究可为电动汽车热管理系统集成设计提供参考。
1 热管理系统介绍
电动汽车热管理系统由传统燃油车热管理系统演变发展而来,其构型方式也从各个热管理回路相对独立逐渐向集成化方向发展[14]。由于电动汽车没有发动机余热可利用,因此在乘员舱采暖时需要额外的设备提供热源。目前常用的电动汽车供暖方式包括正温度系数（positive temperature coefficient, PTC）电加热器加热供暖和热泵空调供暖等。
1.1 单冷空调 + PTC电加热器
高压PTC电加热器具有热容量大、作用快的特点,是电动汽车的主要加热设备[15],根据热传导方式不同可以分为风暖PTC电加热器和水暖PTC电加热器。由于PTC电加热器采暖系统构造简单且价格低廉,早期的电动汽车通常采用单冷空调制冷和PTC电加热器采暖的方式以满足乘员舱的制冷和制热需求。
Fig. 1 Diagram of single-cold air-conditioning + PTC electronic heater system: (a) air-heating PTC electronic heater; (b) water-heating PTC electronic heater图1 单冷空调 + PTC电加热器系统示意图：（a）风暖PTC电加热器;（b）水暖PTC电加热器 |
1.2 热泵空调 + PTC电加热器
Fig. 2 Heat pump air-conditioning + PTC electronic heater system: (a) four-way reversing valve; (b) three heat exchanger图2 热泵空调 + PTC电加热器系统：（a）四通换向阀;（b）三换热器 |
1.3 热泵空调 + 余热回收 + PTC电加热器
我国幅员辽阔,横跨的温区较大,因此需要扩大热泵空调的使用温度范围。电机和电池的余热在冬季是宝贵的热源,众多企业和科研机构考虑将这部分热量回收利用,作为热泵空调系统的辅助热源,以扩大其使用范围。
图3为采用热泵空调 + 余热回收 + PTC电加热器的电动汽车热管理系统图[22]。该系统可实现乘员舱的制冷、制热、除霜除雾和除湿等功能,同时可进行电池和驱动电机的加热或冷却,并实现电池和驱动电机的余热回收。该系统的工作原理如下：乘员舱的制冷、制热、除湿、除霜除雾等功能通过制冷剂回路中电磁阀的开关组合实现;在制冷剂回路中增设了与蒸发器并联的电池换热器,当电池或驱动电机有降温需求时,制冷剂流经电池换热器冷却二次回路的载冷剂;当电池或驱动电机无大量散热需求时,可通过切换三通阀的状态,控制载冷剂的流向,将热量通过低温散热器排向车外,实现电池或驱动电机的降温;当电池有加热需求时,PTC电加热器通电制热并通过载冷剂侧三通阀的调节实现加热功能;当环境温度较低时,热泵空调无法使用且电池或驱动电机有散热需求时,载冷剂在电池或驱动电机侧吸收其需要散去的热量,经三通阀流过电池换热器将热量交换给制冷剂侧为乘员舱加热,从而扩大系统的工作温度范围并提升系统的能效。
周国梁等[23]搭建了以R134a为工质的热泵实验系统,在环境温度为 -7 ℃、余热回收热量为1 kW的情况下,分别研究了室外换热器与余热回收换热器串并联模式下的运行特性。结果表明,并联模式下系统制热量比串联模式下最大高出0.96 kW,且两种模式的制热量均超过3 kW。为进一步提升系统的低温性能,顾潇等[24]提出了一种车外换热器支路与余热换热器支路并联的喷射补气热泵系统。余热回收热量的变化对系统制热性能和性能系数（coefficient of performance, COP）产生影响,在7 ℃的环境工况下,余热量的增加有利于制热量的提升但COP并未改善;在 -20 ℃较低的环境工况下,余热量的增加对系统的制热性能提升不明显;在 -10 ~ 0 ℃的环境工况下,制热量和COP都随余热量的增加而显著提升。
2 集成方案介绍
电动汽车热管理系统由众多零部件组成,如电子膨胀阀（electronic expansion valve, EXV）、电磁阀（solenoid valve, SOV）、电池换热器、水泵、气液分离器、水壶等。为优化管路连接、减少换热损失和降低装配难度,热管理系统正朝着集成化设计的方向发展。根据集成程度的不同可分为局部集成、区域集成和系统集成三种方式。
2.1 局部集成
局部集成是将功能相近的零部件（如EXV和SOV）或位置相近的零部件（如电池换热器和EXV）进行集成设计。将系统中的大量零部件转变为一个个小的集成模块,在不改变系统总体布局的前提下,能有效缩短零部件的装配时间。
图4为将电池换热器、EXV和板式换热器（plate heat exchanger, PHX）三个零部件集成为一体的模型图。电池换热器是用于动力电池冷却的换热部件,在制冷剂入口侧通常会配有EXV以调节流量,PHX是用于动力电池加热的换热器,将三者通过一定的装配关系集成为一体,通过内部流道连通。在系统装配时,只需将冷凝器出口的制冷剂管路与EXV入口相连,载冷剂管路与电池换热器、PHX的快插接头连接即可实现系统的功能。
Fig. 4 Model of battery heat exchanger + EXV + PHX图4 电池换热器 + EXV + PHX模型 |
2.2 区域集成
区域集成是将某一区域或实现某一功能的零部件进行集成设计,如将制冷剂回路的EXV、SOV、气液分离器等零部件集成,或将载冷剂回路的水泵、水阀、水壶等零部件集成。相对于局部集成,区域集成可以减少连接管路的数量和长度,简化系统结构,并大幅减少零部件的数量和系统装配时间,从而降低成本并提高可靠性。
2.3 系统集成
电动汽车热管理系统从整车布置角度看,包括前端换热组件（如散热器、风扇等）、机舱热量分配组件（如压缩机及制冷剂回路、PTC电加热器及载冷剂回路等）、乘员舱风量分配组件（如空调箱体、风道等）。系统集成是将机舱热量分配组件按照一定的原则设计为一个模块,最大程度地将板式换热器、EXV、SOV、传感器、多通阀、水泵、水壶等零部件集成在一起,通过内部复杂的流道设计和精准的流量控制实现不同模式的切换。系统集成不仅可以减少装配时间,还能有效减轻整车重量和所占空间,同时由于流道集成到模块内部,一定程度上减少了压降,提升了系统效率。
3 热管理集成趋势展望
热管理对电动汽车的重要性日益凸显,随着系统的不断复杂化,集成化和模块化设计思路逐渐得到行业的认可。然而,集成化设计降低了模块的通用性,如何在不同车型之间实现兼容和复用是诸多企业面临的现实问题。此外,系统的复杂需求和零部件的高度集成需要更加智能化的控制,以保障系统安全、稳定的运行。随着热泵系统、余热回收及新型制热技术的普及,需要从多热源能量一体化管理的角度提高能量的综合利用效率。同时,采用环保制冷剂的热管理系统,由于制冷剂物性及系统工作的特殊性,在集成设计时也面临新的挑战,这些问题亟待解决。
3.1 集成模块平台化
电动汽车热管理系统越来越复杂,集成化设计的理念逐步普及,并从局部集成、区域集成向系统集成快速转变。随着模块集成程度的增加,其通用性也逐渐降低,为提高集成模块在不同车型之间的兼容性和复用率,需要建设集成模块的平台。根据不同车型的功能需求和性能带宽,参照一定的设计原则和评价指标,开发不同的集成模块,同时考虑模块中各组成子零件的复用。在后续的车型开发中,应根据具体的功能和性能要求,从平台中选择相应的模块进行匹配,从而有效地缩短整车的开发时间。钱柯浙等[31]提出了热管理集成产品模块化工作总体评价方法,如图9所示,主要从工作效益评价和模块化水平两个维度,采用可量化的方式对产品模块化工作进行分析评价,为热管理系统集成化、模块化、平台化开发提供了科学的指导。
3.2 系统控制智能化
随着电动汽车热管理系统集成化设计的发展,相关的控制参数和控制目标愈趋增多,导致控制维度和难度不断增加。依靠传统的分布式控制不仅大幅增加开发成本,同时因传递路径过长造成控制精度低、可靠性差,难以实现精细化、高能效的最优控制。为充分发挥乘员舱、动力电池和驱动电机三个子系统集成热管理的优势,使各个部件都最大限度发挥各自的性能,必须配备高效而智能化的控制系统,实现快、稳、准的系统响应。
3.3 能量管理一体化
为拓宽电动汽车的使用温度范围,尤其是在更低温度下有更好的续航保持率,热管理系统需要提供更多的热量和更高质量的热源。除了PTC电加热器和日益普及的空气源热泵空调之外,电机余热回收、喷气增焓系统、压缩机三角循环制热等技术也日趋成熟,并逐步应用到量产车型中。在众多的热源中,如何根据需求进行选择和切换,将直接影响整车能量的综合利用效率。
以电机余热回收为例,当电机温度过低时,电机余热的热量品质较低,通过换热器回收的热量利用效率偏低;而电机温度过高时又会增强电机与外界空气的换热,导致大部分热量被耗散,能回收的热量减少,同样无法被高效率利用。同样地,空气源热泵空调技术利用蒸气压缩循环将环境中的低品位热量进行利用,制热时的理论COP大于1;而PTC电加热器加热、压缩机三角循环制热技术由于系统中管路、换热器存在换热损失,系统制热效率小于1。此外,PTC电加热器、压缩机在不同工作状态下的热效率也存在差异。因此,对多热源进行特征分析,并根据环境温度、车辆需求、系统模式、换热效率等因素进行合理分配,从整车角度综合考虑能量的梯次利用,对整车能耗和低温续航至关重要。
3.4 环保制冷剂系统的集成
《蒙特利尔议定书》基加利修正案指出中国需在2024年将氢氟碳化物的生产和消费冻结在基线水平[35,36]。现阶段电动汽车空调大规模使用的R134a由于其全球增温潜势（global warming potential, GWP）高达1 430,将面临着被限制使用的风险,因此亟需寻找新的替代制冷剂。然而,目前行业内对于采用何种制冷剂尚未形成统一共识[37,38]。WU等[39]采用变暖影响总当量（total equivalent warming impact, TEWI）指标对7种制冷剂进行了综合评估,发现R290的当量CO2排放量最低,而R744的当量CO2排放量最高。R1234yf性能参数与R134a相近,可直接应用于现阶段的系统无需改进,但是由于其已经形成了专利壁垒且价格较高,在我国难以完全取代R134a[40]。
R744与传统制冷剂的物性有很大不同,其临界温度仅为31.1 ℃,因此在汽车行业使用R744作为制冷剂时需要采用跨临界循环。此外,R744的临界压力高达7.3 MPa,是普通制冷剂工作压力的10倍左右,因此在使用R744作为制冷剂的电动汽车热管理集成系统中,需要解决零部件耐高压和密封的问题[44]。
4 结论
电动汽车热管理系统集成后能有效减少整车零部件的数量,减少换热损失并提升效率,降低系统的重量和成本并减少装配的时间,因此热管理系统集成化将是电动汽车发展的趋势。随着热管理系统集成度和普及率的提升,以及电机余热回收、喷气增焓系统、压缩机三角循环制热等新技术和环保制冷剂的应用,还存在一些问题亟需解决。
（1）为进一步降低整车成本,需要在不同车型之间实现集成模块最大化的兼容和复用。这需要科学的、可量化的评价体系,并制定平台化的技术方案,以缩短车型开发的周期。电动汽车对舒适性和能耗的要求越来越高,系统功能日益复杂,控制参数和控制目标愈趋增多,需要配备精细化、高能效的智能控制系统。同时,新技术的应用为系统提供更多的热源选择,如何根据需求进行选择和切换,将直接影响热量的综合利用效率,进而影响系统的低温能耗和整车的续航保持率。
（2）当前主流的热管理系统多采用R134a制冷剂,随着《蒙特利尔议定书》基加利修正案的推进和实施,R290、R744等环保制冷剂将不断普及。制冷剂的物性及系统工作特点对零部件提出新的要求。R290的可燃性要求制冷剂充注量尽量少,并提高蒸发器等零部件的耐腐性和密封性,以降低其泄漏带来的爆炸风险;R744系统的跨临界循环的特点及其较高的临界压力,要求零部件能承受10倍于常规制冷剂的系统高压,并提高管路、阀件、接头的可靠性。因此,在集成设计时,需要进一步改善零部件的装配工艺以解决耐高压和密封性等问题。
