解析電動汽車熱管理系統(tǒng)，電動汽車電源管理技術(shù)最新進展，
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-27 14:03
點擊量：次
溫控系統(tǒng)是整車不可或缺的一部分，它不僅為駕乘人員提供舒適的駕乘環(huán)境，更要有效保證某些零部件正常、高效工作。
溫控系統(tǒng)，顧名思義，就是整車溫度控制系統(tǒng)，又稱整車熱管理系統(tǒng)，主要功能就是對整車內(nèi)部溫度及部件工作環(huán)境溫度進行控制和調(diào)節(jié)作用，以保證部件能正常工作，給乘員提供舒適的乘坐環(huán)境。
對于傳統(tǒng)汽油車而言，溫控系統(tǒng)主要包含空調(diào)系統(tǒng)和發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)相對獨立。在此就不累訴了，附兩張圖給大家復(fù)習(xí)加深影響。
【科普】解析電動汽車熱管理系統(tǒng)
空調(diào)制冷采暖系統(tǒng)
【科普】解析電動汽車熱管理系統(tǒng)
對于純電動汽車而言，可根據(jù)各個部件工作溫度要求，一般會設(shè)計有：空調(diào)制冷系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)、電機冷卻系統(tǒng)和電池溫度控制系統(tǒng)。
空調(diào)制冷系統(tǒng)，與傳統(tǒng)車類似，使用電動壓縮機取代傳統(tǒng)壓縮機(發(fā)動機帶動)。主要包含電動壓縮機，冷凝器、儲液罐、膨脹閥、蒸發(fā)器、冷卻風(fēng)扇、鼓風(fēng)機等零部件。
一種是采用PTC空氣加熱器直接加熱空氣，取代傳統(tǒng)車上的暖風(fēng)芯體。冷空氣直接流經(jīng)加熱器表面，加熱后送入車內(nèi)。這種方案成本比較低，但由于PTC接入乘員艙內(nèi)，存在一定的安全風(fēng)險；此外加熱器表面溫度比較高，容易將周邊塑料烤熱發(fā)出異味。在設(shè)計加熱器的安裝位置時需要留意。
第二種方案是，采用PTC水加熱器間接加熱空氣。保留傳統(tǒng)空調(diào)的暖風(fēng)芯體，外接一套PTC加熱循環(huán)回路。PTC先把水加熱，熱水流入暖風(fēng)芯體與冷空氣換熱，冷空氣被加熱后送入乘員艙內(nèi)。整套回路布置與前艙內(nèi)，避免了高壓接入乘員艙內(nèi)的安全隱患；加熱后的水溫不會烤熱塑料而發(fā)出異味。但這套系統(tǒng)增加了PTC、水泵、管路等零部件，成本較高。
【科普】解析電動汽車熱管理系統(tǒng)
電機冷卻系統(tǒng)，這套系統(tǒng)跟發(fā)動機冷卻系統(tǒng)相似，一般由電動水泵、散熱器、冷卻風(fēng)扇、膨脹水壺和管路等部件組成。如果車內(nèi)的電子功率件(電機控制器、DCDC等)的冷卻方式與電機的相同，一般會把功率件也串聯(lián)在此回路里面，根據(jù)各個零部件的溫度特性進行排布。
拯救我們的地球，讓地球遠離污染！”這是世界各地的科學(xué)家和有識之士對降低溫室氣體排放的一致呼聲。由石化燃料引擎驅(qū)動的汽車是罪魁禍首，雖然推動汽車行進的替代技術(shù)有很多種，但目前唯一可行的方案是——電力(Electricity)。
電動推進技術(shù)需要在汽車中整合一種全新架構(gòu)的動力傳動系統(tǒng)，這種新增加的組件要求相對應(yīng)的系統(tǒng)組件進行多學(xué)科的深入研究。電動汽車系統(tǒng)由電動馬達、電力轉(zhuǎn)換器和儲能裝置如鋰離子電池組成，這種新的架構(gòu)系統(tǒng)必須經(jīng)過優(yōu)化來最大限度地提高系統(tǒng)效率，使汽車在單次充電便能達到最長的行駛距離，電子技術(shù)的發(fā)展為減少交通運輸?shù)臍怏w排放量帶來重要的推進力。
電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)
電動汽車靠電池行駛，混合動力汽車也一樣，只是它還利用一個石化燃料點火的引擎作為輔助。給這些汽車供電的技術(shù)要想獲得成功并擁有美好的未來，能效是關(guān)鍵，因此需要智能的電源管理機制，最大化地提高將電池能量轉(zhuǎn)換為車輪機械驅(qū)動力的效率，從而增加單次充電的行駛距離，同時不增加碳排放，理想情況下更是能顯著降低碳排放。
電動汽車的碳化硅(SiC)功率
電動汽車的重量、體積和成本，以及單次充電的行駛距離與電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率直接相關(guān)。SiC電源組件非常適合在汽車常見的高溫環(huán)境中工作。讓我們仔細看看SiC電源組件如何提高系統(tǒng)效率。
更輕的重量意味著里程數(shù)的延長。降低電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的重量、成本和尺寸的一種典型方式是提高開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率。我們都知道，在較高頻率點工作時，電感、電容和變壓器等主動組件的尺寸和重量可以縮小，既然如此，快采用SiC解決方案吧。
雖然硅(Si)電源組件也能工作在高頻，但SiC的優(yōu)勢是能夠處理比Si高得多的電壓。SiC是一種寬能隙(wide band gap，WBG)的半導(dǎo)體組件，而較寬的能隙意味著較高的臨界電場(臨界電場是關(guān)斷狀態(tài)下的阻塞電壓)。寬帶隙SiC組件的高壓能力允許它們具有更低的導(dǎo)通電阻，從而實現(xiàn)更快的開關(guān)速度和單極性工作狀態(tài)，部分原理是其載頻需要被加速至更高的速度(更高的動能)來克服更寬的能隙。
雖然砷化鎵(GaA)和氮化鎵(GaN)也具有很高的臨界電場，也是針對大功率解決方案的改進型組件，但SiC還有其他優(yōu)勢。諸如更高的最大工作溫度，很高的德拜溫度(Debye temperature)，很高的熱傳導(dǎo)性(在多晶SiC中)，在電場中實現(xiàn)快速開關(guān)和低電阻率的高載流子飽和速度，方便生成二氧化硅(SiO2)帶來的更低的生產(chǎn)成本，以及很高的閾值能量導(dǎo)致更強的輻射硬化(radiation hardening)。
SiC組件在電動汽車中有許多關(guān)鍵應(yīng)用?，F(xiàn)有的電力牽引驅(qū)動裝置能夠?qū)?5%的電能轉(zhuǎn)換為機械動能以驅(qū)動車輪，這個效率是相當高的，但SiC也能協(xié)助提高效率。電能轉(zhuǎn)換器能受益于效率的改進，因為它能將電池能量傳遞給發(fā)動機，而且能在電池充電器電路和任何需要的輔助電源中使用(圖1)。
將750V轉(zhuǎn)換到27V供低壓電動汽車使用的SiC電源供應(yīng)，是用SiC功率組件提高電動汽車效率的很好例子。這種架構(gòu)將效率從88%提高到了驚人的96%，將尺寸和重量減少了25%，并且與Si解決方案相比不需要用風(fēng)扇來冷卻多余的熱量。表1顯示電動汽車SiC功率組件的一些重要應(yīng)用。
要分析為什么有“新奶酪”，我們先要分析異同。傳統(tǒng)汽車的熱管理架構(gòu)大家都比較熟悉了，主要包括了傳統(tǒng)的空調(diào)熱管理系統(tǒng)以及傳統(tǒng)的動力總成的熱管理子系統(tǒng)；而現(xiàn)有的電動汽車熱管理系統(tǒng)在原有的基礎(chǔ)上還囊括了電機電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)以及電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，其中又以電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)最為關(guān)鍵，因為電池的散熱絕熱導(dǎo)熱直接關(guān)系到了電池的安全以及長期工況之后的一致性問題，更是各大車廠電池系統(tǒng)廠家考慮的重中之重。
我們來看一張目前主流的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的工作原理圖：
首先根據(jù)各車型的不同，整車熱管理系統(tǒng)會增加或共用1個水泵，主要承擔電機，電控以及電池的液冷的需求，例如特斯拉和smart都有兩個水泵，而具體到電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)一般需增加低溫下環(huán)境下啟動的電池加熱器，低溫散熱器（通過風(fēng)扇散熱），而電池包外一般還加設(shè)了電池冷卻器，也就是我們常稱的chiller來給蓄電池和電控高效散熱；
具體的運行工況，以電池包液冷方案為例，chiller主要用于在電池高溫或快充工況時的散熱，起到給電池快速降溫的作用；而在一般溫度情況下，可直接通過低溫散熱器散熱來滿足冷卻要求。
而所謂直冷，則是在液冷基礎(chǔ)上更加集成化了整車的熱管理，通過與汽車空調(diào)冷卻系統(tǒng)的結(jié)合，冷媒在膨脹閥節(jié)流后通過蒸發(fā)的形式帶走電池的熱量。一般設(shè)計直冷方案時，回路會與汽車空調(diào)回路串起來，主要器件包括了冷凝器，膨脹閥，蒸發(fā)器和壓縮機。直冷系統(tǒng)能極大的提升換熱效率，同時較少的部件能提高生產(chǎn)的節(jié)拍，將是未來的趨勢，但同時也對汽車空調(diào)軟件控制系統(tǒng)和對三電系統(tǒng)換熱的理解提出了較高要求，所以說這其實一項既需要傳統(tǒng)汽車空調(diào)熱管理控制能力，也需要對三電熱管理理解的綜合技術(shù)解決方案。
電池?zé)峁芾硇枨蟮谋l(fā)
相較于傳統(tǒng)的汽車空調(diào)系統(tǒng)市場份額已經(jīng)非常成熟，新能源汽車帶來了三電系統(tǒng)的熱管理需求，相較于功率電子較為成熟的熱管理系統(tǒng)，新誕生的電池?zé)峁芾硇枨髣t是電動汽車最誘人的一塊“新奶酪”。
而其實電池?zé)峁芾碓趪獾牧慨a(chǎn)車型早已不是一件新鮮事，下表曉宇簡單羅列了一下目前國內(nèi)外主流的幾款量產(chǎn)新能源汽車的冷卻方案：
我們不難首先電池?zé)峁芾砥鋵嵤且豁椃浅３墒斓募夹g(shù)，普遍存在于國外量產(chǎn)車型，他們有幾個明顯的特點：
1.其中PHEV和EV即大容量的包（大于15kwh）往液冷走，小容量包和HEV低成本考慮往風(fēng)冷走；
2.一些小批量豪華車型直接采用了直冷方案
出于對電池包大容量散熱需求的考慮，國外的量產(chǎn)車型大多采用了液冷和直冷方案，而反觀目前國內(nèi)上市的電動汽車電池?zé)峁芾矸桨?，例如奇瑞，江淮等電動車企采用風(fēng)冷為主，而北汽，眾泰，比亞迪等目前上市的車型電池包還處于自然冷卻狀態(tài)。顯然隨著國家提出的對電動汽車對電池高能量密度，長壽命的目標以及客戶導(dǎo)向性的高功率快充能力的要求，目前國內(nèi)廠商的熱管理方案并不能完全滿足需求，未來將由目前自然冷卻和風(fēng)冷方案為主，快速向著液冷，直冷等方案升級，電池?zé)峁芾硐蛑咝屎途毣~進的趨勢將日趨明朗。
電動汽車熱管理“新奶酪”的市場規(guī)模測算
既然有需求，那么這個“新奶酪”有多大呢？曉宇認為應(yīng)該分開來算，一部分是新加入的電池?zé)峁芾淼氖袌龇蓊~，而另一部分是未來由于直冷方案的引進所帶來的熱管理系統(tǒng)供應(yīng)商的重構(gòu)份額。
首先我們可以大致列一下電池?zé)峁芾淼闹饕考聢D是GM Volt一代模塊里的熱管理結(jié)構(gòu)件示意圖，應(yīng)該已經(jīng)是非常成熟的公開方案：
