国内外典型纯电动汽车冷却系统方案解析
为应对汽车燃料消耗快速增长及由此引起的能源和环境问题,鼓励新能源汽车的发展,工信部等五部委印发了《乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法》,该办法自2018年4月1日起实行。这标志着新能源汽车的研究已成为我国汽车发展的战略。
电动汽车的冷却系统作为整车重要的一部分,一方面使动力系统关键零部件工作在合适的温度范围内,防止因温度失控导致性能受限甚至损坏;另一方面,冷却系统控制方案影响着整车的能量利用,对于纯电动汽车来说,没有发动机的余热可以利用,电池包的加热需采用辅助电加热器,由于取消了发动机,电子水泵等也将消耗一部分电能,从而影响整车的续驶里程。
因此,纯电动汽车冷却系统的合理优化构型,保证整车的热性能、尽可能少地消耗能量,对电动车来说具有重要意义。本文主要对国内外几款典型的电动车的冷却系统方案进行解析,分析其冷却系统构型方案的特点,为国内主机厂冷却系统方案的制定提供参考。
国外典型电动车冷却系统方案
电机预热及分级冷却+电机余热利用
驱动系统的预热和冷却
如图1所示,电机三通阀相当于一个节温器的作用,当电机启动时,电机温度不高,冷却液经过水泵、DC-DC、驱动电机、暖风三通阀、电机三通阀回到水泵。随着冷却液温度的升高,冷却液流经散热器回到水泵。
电池的冷却
当电池温度在35℃以上时,通过chiller给电池冷却。
电池的加热方式
当车辆充电时,如高压电池回路冷却液温度低于10℃时,通过PTC给电池加热。
在驾驶过程中,如果电机冷却液温度比电池电路冷却液温度更高,则电池三通阀允许电机回路中的冷却液进入电池循环水路,从而帮助加热电池。该功能设计时需要考虑避免电机冷却液处于高温(如80℃)时仍流入高压电池回路,这将可能导致电池的损坏甚至热失控。
电力电子单元并联冷却+电池温度分级控制
如图2所示,SmartfortwoED的冷却系统主要包括车载充电机、驱动电机、电机控制器(带DCDC)以及电池包的冷却。车载充电机、驱动电机采用并联的方式,分别实现行驶工况和充电工况的不同冷却需求,有利于减少冷却回路的阻力,从而有利于选取更小型号的主冷却水泵。动力电池包的温度控制则根据其平均温度的大小,采用不同的方式。
当动力电池包的平均温度低于40℃,电池冷却阀关闭,电池水泵不启动,电池冷却回路处于不激活状态,即不对电池进行冷却,但只要单体电池温度差超过20℃时,冷却液通过水泵1、12VPTC、动力电池、水泵2、电池冷却三通阀,最后回到水泵1,对电池进行冷却。
当动力电池包的平均温度高于40℃时,整车控制器通过冷却液温度传感器1估计冷却液温度,当冷却液温度明显低于动力电池包的平均温度时,冷却液经过电池冷却三通阀。电池冷却水泵1、12VPTC、动力电池、电池冷却水泵2、散热器。主冷却水泵,通过散热器对电池进行冷却。如果冷却液的温度没有明显低于电池包的平均温度,主冷却水泵的水不进入动力电池,冷却液通过水泵1、12VPTC、动力电池、水泵2、电池冷却三通阀,最后回到水泵1,对电池进行冷却。
当动力电池包的平均温度高于45℃时,通过chiller对电池进行冷却,即冷却液经过水泵1、12VPTC、动力电池、水泵2、chiller、电池三通阀。
充电过程中对电池的加热通过12VPTC实现,冷却液经过水泵1、12VPTC、动力电池、水泵2、电池三通阀。
电力电子单元串行冷却+电池包直冷/直热
如图3所示,BMWi3的驱动系统冷却和电池冷却为2个独立的循环系统。电机电子装置包括电机控制器、DCDC、OBC,与电机采用串行冷却的形式。不同于其它车型的电池冷却方式,电池的冷却采用制冷剂直冷的方式,即制冷剂管路直接布置在动力电池壳体内部。电池的加热依靠沿冷却通道布置的加热丝来实现。
双模式冷却循环
串行模式
1.电池加热
如图4所,当车辆停放车库数晚或者长时间放置后,此时车辆温度低,串行模式可以使冷却液先是经过电机预热然后经过电池给电池加热,有利于降低加热器输出功率。
此外,行驶中外界温度低且电池需要加热时或者驻车时电池需要加热时也会使用串行模式。
充电时,由于电池温度太低导致充电效率不高,串行模式可利用充电机的热量给电池加热,加热器也可以同时使用。当充电机和电池温度都上来以后,如果有需要可以接入散热器来给两者降温。
在串行模式下,通过三位两通电磁阀来控制冷却液是否通过散热器,从而控制冷却液温度和系统的效率。
2.电力电子装置及电池的冷却
当外界环境温度低时,只需要散热器就足够给电池和电机降温了,电池不需要制冷系统的制冷。
当外界环境温度过高或者某个元器件(比如电机)超过其规定温度时,chiller串行于此冷却循环系统中,可是系统冷却液温度比单独使用散热器冷却时更低。如果散热器在此环境下不能提供有效的冷却甚至加热冷却液,可通过三通阀的控制使冷却液不通过散热器。在此模式中,即使没有chiller的冷却,也可以将电机的热转移到电池中,此时电池作为一个热容器。
并行模式
如图5所示,在某些时刻下,即使电机温度还比较低,但电池达到合适温度,并行模式可以使电池温度维持在合理的范围。
在充电的某些时刻,根据环境温度,需要对电池温度进行独立的控制。
国内典型电动车冷却系统方案
国内冷却系统的方案基本都一致,如荣威
E50(参数|图片)、帝豪EV、景逸S50EV等,其电力电子装置和电池包的冷却循环是独立的回路,电池的冷却通过chiller来实现,电池的加热则采用PTC,如图6所示。
可以看出,国内电动车的冷却系统构型相对简单,基本没有利用电机的余热,控制也较简单,一方面受技术的影响,越复杂的系统,优化控制难度更大,另一方面,系统的复杂程度也会导致成本的增加。
3结语
通过以上对国外几款电动汽车冷却系统的分析,其冷却系统构型主要有以下几个特点:
1.较多的从能量角度考虑,通过电机余热利用、电机及电池温度分级控制等方面,尽可能地优化能量利用及系统的热性能。
2.由于不仅考虑了冷却系统的功能实现,还兼顾了系统的能耗,使得系统的复杂程度较高,通过较多的四通阀、三通阀来实现,控制上也更为复杂,对系统的要求更高。
国内电动车冷却系统构型相对简单,电力电子装置和电池包的冷却循环独立控制,控制也较简单,在能量优化控制上还有较大的提升空间。