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新能源電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)熱管理(熱泵以及余熱利用技術(shù)101)

2019-04-28 23:24:11·  來(lái)源：Vehicle  
　
隨著電動(dòng)汽車(chē)電池能量的不斷提升，當(dāng)前很多電動(dòng)汽車(chē)?yán)锍潭?00km以上了，許多20w左右的電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程都350左右以及以上了。當(dāng)然這只是NEDC工況下的。實(shí)際情況
隨著電動(dòng)汽車(chē)電池能量的不斷提升，當(dāng)前很多電動(dòng)汽車(chē)?yán)锍潭?00km以上了，許多20w左右的電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程都350左右以及以上了。當(dāng)然這只是NEDC工況下的。實(shí)際情況會(huì)根據(jù)你的駕駛行為，車(chē)輛電器負(fù)載，車(chē)速以及環(huán)境溫度的變化續(xù)航里程的變化會(huì)很大。
其中影響續(xù)航里程變化量最大的是車(chē)速和環(huán)境溫度。一般車(chē)速在60km以上之后越高速越耗能，一般溫度在0度以下溫度越低越耗能。有學(xué)術(shù)研究當(dāng)電動(dòng)車(chē)駕駛環(huán)境溫度低于-10度時(shí)候續(xù)航里程相對(duì)于22度時(shí)會(huì)衰減將近一半！其中很大一部分貢獻(xiàn)于駕駛艙的加熱。所以電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)熱管理變得非常重要，而且有很大的空間優(yōu)化，比傳統(tǒng)燃油車(chē)更加復(fù)雜，這就是當(dāng)前電動(dòng)車(chē)整車(chē)設(shè)計(jì)里面的更加重視了余熱利用和熱泵技術(shù)等節(jié)能技術(shù)。根據(jù)當(dāng)前資料采用了余熱利用和熱泵技術(shù)的電動(dòng)車(chē)，它的續(xù)航里程可以比未采用此項(xiàng)技術(shù)的增加15-18%。
heat bump technology
當(dāng)期主要的電動(dòng)車(chē)熱管理技術(shù)概念：
Air Cooling and Heating空氣熱管理技術(shù)主要采用空氣為熱量傳遞導(dǎo)體。一般 如下圖主要有三種，第一種最原始的被動(dòng)空氣熱管理
第二種主動(dòng)空氣熱管理系統(tǒng)
第三種帶熱量回收空氣熱管理系統(tǒng)
Pre-condition，熱天提前降溫，冷天的提前預(yù)熱功能（預(yù)熱電池以及駕駛艙）
這項(xiàng)功能主要是在你駕駛車(chē)輛之前，對(duì)車(chē)輛整體進(jìn)行提前預(yù)熱或者冷卻確保行駛之前車(chē)輛以及駕駛艙處在一個(gè)合適的環(huán)境溫度，從而延長(zhǎng)你駕駛時(shí)候的里程。
PTC Heater，PTC有個(gè)很強(qiáng)的特性就是能夠固定到設(shè)定的溫度,所以他是用來(lái)設(shè)定固定溫度的理想供熱源。
heat pumping 熱泵循環(huán)示意圖：
 熱泵的作用就是把熱量往能量擴(kuò)散的反方向轉(zhuǎn)移，你可以把他理解成冰箱的反方向，他有四大部件 Condenser 冷凝器，膨脹閥expansion valve，evaporateor 蒸發(fā)器，壓縮機(jī)compressor。熱泵在電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用節(jié)能原理是可以對(duì)電控以及電機(jī)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行回收。
NREL's combined fluid loop (CFL) BEV thermal management  system 示意圖,
thermal management system
heat bump mode
refrigeration mode
WEG-coolant make from water-ethylene glycol
ESS-(battery)energy storage system
PEEM-power electronics（inverter）and electirc motor 
基于優(yōu)化型新能源電動(dòng)車(chē)整車(chē)熱管理系統(tǒng)案例應(yīng)用：
如下圖，一般此類(lèi)電動(dòng)車(chē)的熱量管理有如下三個(gè)循環(huán)，三個(gè)循環(huán)切換的主要控制流向通過(guò)閥系控制實(shí)現(xiàn)。
1，駕駛艙的空調(diào)循環(huán)
2，電池加熱以及冷卻循環(huán)
3，電控以及電機(jī)的冷卻循環(huán)
OBC-on board charger
EM-Electric Motor(vehicle propulsion)
PE-power electronics（inverter）
在制冷模式下,冷卻液從冷卻裝置(Chiller)流向空調(diào)系統(tǒng)的冷卻器HVAC Cooler，從而給駕駛艙進(jìn)行制冷和除濕。如果需要時(shí)候同時(shí)冷卻器能夠分流部分給電池制冷。熱交換器front-end heat exchanger (FEX)就是傳統(tǒng)內(nèi)燃汽車(chē)的前格柵后面的熱交換器，很多新能源品牌同樣把熱交換器放在這個(gè)位置，此時(shí)這個(gè)熱交換器會(huì)將從冷凝器（condenser）產(chǎn)生的熱量排出。
所以，制冷模式就是傳統(tǒng)的熟悉的空調(diào)模式。
在加熱模式下，來(lái)自冷凝器的熱冷卻液被輸送至座艙用于空調(diào)系統(tǒng)的加熱駕駛艙。當(dāng)熱交換器接受到的冷卻液比環(huán)境溫度還冷的時(shí)候，他會(huì)吸收環(huán)境溫度熱量，與空調(diào)系統(tǒng)加熱系統(tǒng)一起對(duì)駕駛艙進(jìn)行加熱。當(dāng)然一定范圍內(nèi)他們同樣會(huì)對(duì)電池進(jìn)行加熱。
此外，因?yàn)殡娍匾约膀?qū)動(dòng)電機(jī)（Power Electroic Electric Motor)工作的時(shí)候總會(huì)產(chǎn)生廢熱并且他們總是需要冷卻，冷凝器會(huì)將此部分熱量收集起來(lái)通過(guò)冷卻液運(yùn)輸?shù)娇照{(diào)系統(tǒng)加熱，這樣就能夠回收廢熱提升BEV的續(xù)航里程
所以在加熱模式下除了PTC 加熱電池以及駕駛艙外的這個(gè)工作就是熱泵模式-吸收外部熱量，電控以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)熱量回收利用。
上圖中，紅色循環(huán)就是熱泵以及PTC的加熱模式；藍(lán)色為制冷模式
電動(dòng)汽車(chē)熱管理是一個(gè)系統(tǒng)工程，熱管理沒(méi)有做好，影響駕駛里程，影響駕駛性能，多次激烈駕駛性能衰減甚至過(guò)熱保護(hù)；影響充電性能，天熱或者天冷時(shí)候充電速度受限制。重則影響安全。
下圖為新出行測(cè)試榮威marvel x冬季功率，其中在冷車(chē)零度5-8度左右充電功率降至最高充電的百分之30以下。
Marvel X 充電測(cè)試圖以及數(shù)據(jù)來(lái)自于新出行(但此圖有待商榷，他低溫充電的開(kāi)始SOC為65%，嚴(yán)格的測(cè)試應(yīng)該相同條件相同SOC 去比較)
參考資料：
Modeling of an Electric Vehicle Thermal Management System in MATLAB/Simulink
-Tibor Kiss, Jason Lustbader, and Daniel Leighton
National Renewable Energy Laboratory
Wiki-Heat_pump
Total Thermal Management of Battery Electric Vehicles (BEVs)
-Sourav Chowdhury, Lindsey Leitzel, Mark Zima, and Mark Santacesaria Mahle Behr Troy Inc.
Gene Titov, Jason Lustbader, John Rugh, and Jon Winkler National Renewable Energy Laboratory
Aamir Khawaja and Murali Govindarajalu FCA US LL
Battery Thermal Management Systems of Electric Vehicles-
Master’s Thesis in Automotive Engineering JILING LI ZHEN ZHU
 
 
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