应用在汽车中的新型热管理技术

2018-10-30

汽车文摘 2018年11期

二氧化碳排放法规要求全球大幅减少燃料消耗。在这种情况下，纯电动汽车和混合动力汽车的市场渗透率与它们的电气驱动续驶里程密切有关，这受到环境条件和要求有效的热管理的乘客舒适性的强烈影响，从而成为克服这些障碍的机会。

1 纯电动汽车的总热管理[1]

研究表明，在10摄氏度以下的环境温度下，热子系统负载可使驱动续驶里程减少45%。通常情况下，舱室加热完全依赖于正温度系数(PTC)电阻加热，导致明显的续驶里程损失。减少这续驶里程的损失可以提高消费者对BEVs的接受度。提出了一种统一的热管理系统(UTEMPRA)，可以满足BEVs中各种辅助负荷的热设计需求。在2015年菲亚特500e BEV上演示过，该系统集成了一个半密封制冷回路和冷却剂网络，并提供了三个功能:(1)加热和/或冷却车辆牵引部件(电池、电力电子和电机)(2)加热和冷却机舱，(3)收集和再利用能源。这种运行方式使热泵和空调系统在不逆转制冷循环的情况下工作，以提高热效率。制冷回路由电动压缩机、热膨胀阀、冷凝器和冷水机组成，冷水机和冷凝器与冷热冷凝液交换热量，冷凝液可以流向热系统的各个部件。以冷却剂为基础的热量分配是适应性强的，每辆车节省了大量的制冷剂。此外，基于冷却剂的系统通过减少冷却剂管道接头的数量来减少制冷剂的排放。介绍了该系统的实验数据和仿真分析，并给出了初步的控制方案。

本研究使用的是2015年产菲亚特500e BEV(图1)。典型的这一代BEV车型有三个热回路:

1、机舱空调回路。

2、电池加热/冷却回路。

3、电力电子和电机(PEEM)冷却回路。

图1 2015年菲亚特500e BEV采用24千瓦时锂离子电池[1]

1.1 菲亚特三个热子系统概述

该车辆有一个标准的蒸汽压缩回路，用于机舱空气冷却，并通过制冷剂到冷却剂的热交换器(电池制冷器)为牵引电池提供主动冷却。蒸汽压缩回路使用R-134a制冷剂，包括电动压缩机、标准制冷机-空气蒸发器和标准热膨胀阀(TXVs)。在加热、通风和空调(HVAC)模块中，采用基于5 kW正温度系数(PTC)的电空气加热器来加热机舱空气。除了通过冷水机主动冷却外，电池还通过在电池和接收强制环境空气流动的专用前端散热器之间循环的冷却剂进行冷却。回路有一个6 kW PTC冷却剂加热器用于电池的加热。图2显示了这个飞行器的热回路的示意图。测试证实，在零下10度时，与22度时比这款车的续航里程损失为45%，粗略地分析就会发现，在三个子系统是独立操作的，这是一个简单的方控法制，电加热空气的空调管理代表了电池能量大量流失，而电池的废热和PEEM没有被利用。

图2 菲亚特500e BEV的三个热子系统[1]

2 一种具有平行的传热通道用于地面车辆混合热总线[2]

本部分介绍将多种传热方式集成在一起的“热总线”，并对这种新型的冷却系统进行了概述。

地面车辆的热源组件，趋向于更高的热流和功率要求。为了进一步减少热管理系统的功耗，需要将并行散热策略集成到一起，以保持规定的温度限制。如果设计合理，冷却方案将提供更低的噪音、重量和总容量，同时提高系统的耐久性、可靠性和功率效率。

本研究探讨了高导热率材料、碳纤维和热管与传统的液体冷却相结合，以创建一个混合的“热总线”，将热能从热源转移到周围环境。这种创新的设计可以在分离热源和散热器之间传递热量，而不受重力的影响。运行几个驱动周期，研究仿真模型的热稳定性、散热能力、功率要求和系统重量。数值结果表明，高导热材料和碳纤维具有中等的冷却性能，而环形热管对无源冷却有显著的改善。

被动散热通常需要较大的传热表面积。然而，由于空间和重量的限制，在汽车冷却应用中，扩大表面积并不总是一个可行的解决方案。高导热性材料、复合纤维、相变材料和高性能无源器件的集成可能是汽车冷却应用中改进无源散热的潜在解决方案。通过高导热系数的强化可以提高所选材料的热性能。复合材料，如碳纤维增强铝具有更好的热力学性能，包括高导热率、高刚度、相对低密度、减小热膨胀等。复合纤维广泛应用于微电子、电机、锂电池等领域。Greco等采用计算分析的方法研究了复合材料对电池组温度分布的影响。

2.1 改进汽车电子控制单元的热管理

在该项目中，将研究包括被动和主动策略的并行排热路径的集成。所提出的冷却系统由四种不同的排热路径组成，高导热率材料、复合纤维、环形热管结构和传统的主动流体冷却。初级散热可以从高导热率材料和复合纤维开始，而具有圆柱形蒸发器的环形热管结构集成在被动配置中。除了被动通道外，还提供了一个完整的传统冷却系统，以满足高排热要求。

2.2 冷却系统策略

地面车辆通常由不同的热负荷部件（例如，电动机、内燃机、电池组、推进系统、车载电子设备等）组成，其产生大量的热量，需要通过有效的冷却系统消散。操作模式和环境条件的变化可直接影响热源的热量产生率，使得被动散热策略对于高效操作模式（例如哨式操作模式或低速电动机推进）可能是足够的。被动系统也可以集成在小型自动驾驶车辆中以提高其耐用性。由被动和主动排热路径组成的混合热管理系统可以被设计成将所发出的热量散发到周围环境并且将热负荷组件保持在其规定的温度限制内，同时具有最小的能量消耗或没有能量消耗。所提出的先进混合热管理系统提供了高效的被动散热通道，可满足与传统散热器-泵冷却系统相关的适度散热需求，适用于大型长时间热负载和恶劣条件。将确定不同的被动排热路径，并且在本研究中将说明它们在性能、重量、噪声和排热能力方面的优势。

混合热客车结构需要足够灵活，以支持不同的地面车辆设计和应用。提议的总线结构提供了一个灵活的设计，可以弯曲或改道，几乎不受重力的影响，同时保持其热性能。图3显示了带有附加热交换器和可选风扇的基本总线设计。图3b和3c展示了连接在热负荷和散热器上的柔性和直的热母排结构。一个冷却系统需要一个高效的热交换器，它可以显著地增加对周围环境的散热。当对流换热系数、换热表面积和材料导热系数增大时，换热器的散热速率将增大。集成热交换器的设计目的是利用冲压进气量，而在冲压进气量不足(例如低速驱动模式或静止状态)时，附加一个可选的风扇以增加对流换热。

图3 总线结构

3 使用热管的电动汽车电池热管理系统[3]

3.1 热管理系统原理

理想的BTMS应该能够在现代车辆有限的空间内安全、坚固地运行，提供必要的传热，并且能够经济地制造。在这些边界条件下，热管由于其体积小、无源运行、寿命长、优越的热性能以及在消费电子产品中的历史，提供了一个有趣的解决方案。专门用于电池热管理的热管已经在各种电池类型上进行了实验探索，但这些研究大多集中在单个热管性能上，而不是这样一个系统对实际电池模块的影响。该领域的专利也越来越普遍。毛细管驱动热管已经在汽车领域的热控制应用范围进行了研究。热管可以在不使用移动部件的情况下，以比类似大小的固体金属棒更大的数量级传递热量。对于像LED大灯和LCD显示器这样的电子设备，热管总是可以用完全被动的方式来传递、扩散和散热。如图4所示，热管在汽车内部具有广泛的应用潜力。在设计合理的热管系统中，无论朝向如何都可以保证热功能。另外，热管可以生产出各种形状和尺寸的热管(图5)，可以根据不同的应用而定制。典型的汽车环境是恶劣的和不断变化的驾驶和天气条件。动态机械力和振动、广泛的气候操作条件、以及暴露于腐蚀性物质只是BTMS操作要求的一部分。热管BTMS的大部分结构和操作要求可以通过优化芯流特性(孔隙大小、渗透率、孔隙度)、工作流体(类型、充装比)和装配工艺(涂层工艺、连接/紧固技术、集成原理)来解决。铜-水是热管最有效的材料-流体组合，因为铜的导热系数高(400 W/mK)，水的优点高。铜水热管的两个主要挑战是铜容器的结构强度和水的冻结。铜容器的强度可以通过使用不同的铜合金来提高，也可以增加壁厚和减小管径，但必须考虑质量的影响。热管的双向功能使BTMS既便于冷却又便于加热。BTMS内热管的装配方法是保证产品寿命长的关键。热管与其它部件连接最可靠的方法是焊接;然而，机械固定也是可能的，前提是部件的自由度受到周围和其他机械障碍的约束。为了防止腐蚀，可以使用镍涂层。本工作涉及移动锂离子电池模块多部件热管热管理系统的设计、理论布局、生产和实验验证。

图4 汽车热管热控制的潜在领域[3]

图5 铜水热管(左图)和热管截面(右图)显示沿内部边缘的灯芯结构[3]

3.2 拟建热管系统

如图6所示，所提出的电池热管理系统由三个模块组成:1.热提取模块(电池液面热控制):由热管冷却板(HPCP)组成，以保持电池液面温度均匀，并将电池间的热量传递到外部扩展板。传热模块(用于将热量从电池模块转移出去):由远程传热热管(rhel-hp)组成，用于将与HPCPs相连的撒布机板的热量转移到远程液体冷却系统散热模块(用于系统级热控制):由液体冷却冷板(s)组成，将热量从电池模块和相关电子元件传递到冷却剂，冷却剂又将热量散发到车辆的热管理系统(如散热器单元或二次制冷剂回路)。

4 基于MATLAB/Simulink的电动汽车综合热管理系统的建模控制策略及范围影响[4]

采用国家可再生能源实验室(NREL)CoolSim MATLAB/Simulink建模框架，研究了电动汽车联合环路系统的控制策略。探索了三种增加复杂性和效率的系统变体。第一种：基于乙二醇的正温度系数加热器（PTC）。第二种：PTC与电力电子和电动机（PEEM）废热回收。第三种：PTC+PEEM废热回收+热泵。此外，还考虑了电动机预热的好处。开发了一种两级控制策略，其中模式选择和部件控制分开处理。仅使用车辆传感器采集到的参数来控制系统。整车热管理的控制方法包括模式选择算法和控制器，用于压缩机速度、机舱鼓风机流速、冷却剂流速和前端热交换器冷却剂旁路速率控制。一开始冷却回路是不对电机进行冷却的，直到电机的温度上升。

图6 热管式电池热管理系统总成[4]

4.1 系统控制策略

为系统的每个变体开发了类似的控制算法。实现了两个主要控制目标：机舱空气温度设定点为22°C，加热器空气排放温度为55°C。机舱空气温度由机舱鼓风机质量流量控制，加热器排气温度由压缩机转速、PTC功率和冷却液侧前端热交换器（FEHX）旁路控制，具体取决于模式和型号变体。

全cfl系统有多种运行方式。本研究考虑以下三种加热模式，如图7所示:

图7 两层控制结构[4]

第一种模式：

模式1的工作方式是单独使用电力电子和电机的废热回收装置。但是如果电子和电机的温度达的冷却剂入口的最大冷却温度，那么一些冷却剂通过前端散热器进行散热（因为当电力电子的温度超过一定的门限值时，电力电子就不能正常工作，所以要进行降温）。

第二种模式：

模式2:带PEEM热量回收的热泵——在这种模式下，冷却剂从冷凝器(冷却剂到制冷剂的热交换器)接受热量。冷凝器的热量由蒸汽压缩热泵输送，蒸汽压缩热泵利用前端换热器从周围环境中吸收热量。冷却剂然后通过PEEM接受可用的余热。压缩机的速度调节机舱控制加热器出口温度55°C。同时也保证了PEEM入口温度低于设计极限。

第三种工作模式：

模式3:热泵采用PTC加热和PEEM余热回收，在此模式下，只要性能系数(COP)保持在1以上，热泵就可以满负荷运行。冷却剂从冷凝器中出来，然后从PEEM中收集余热。然后使用PTC加热器提供额外的电源以满足舱室加热器出口温度设置点。只要热泵COP在1以上，这提供了效率效益超过PTC加热。

在所有三种模式下，电磁阀都被冷却系统绕过，只要其温度保持在入口冷却液温度以下。

当电机的温度低于冷却剂温度时，电池就不需要为电机加热供电，这样就可以节省能源。

控制算法由两层组成，如图7所示。第一层是模式选择层，根据系统和环境条件选择这三种模式中的一种。然后，第二层在模式约束内提供部件控制，以维持舱室和加热器出口温度设定点。最初，第一层控件选择模式3或模式2进行快速机舱预热。模式3提供最大加热功率能力;但是在温度较高的情况下，它会导致产能过大，从而超过设定点。为了确定初始预热模式，进行了一项独立研究，将可用的PEEM废热与机舱热负荷进行了比较，进行了多次驾驶循环。在低于5°C时，模式3最初接合，而在较高温度下，最初使用模式2。第二层控制装置由若干PID控制器组成，这些控制器保持预设的机舱空气温度为22°C，机舱加热器排气温度为55°C，电力电子及电机的冷却液入口温度低于60°C。这些控制器包括：

1、鼓风机流量控制器，调节鼓风机质量流量，以达到并保持机舱空气温度设定点22°C。

2、压缩机控制器，用于调节模式2中的压缩机转速，以保持预设的加热器空气排出温度为55°C只要COP大于1，压缩机就设置为最大值。

3、PTC功率控制器，当压缩机速度达到最大值时，调节模式3中的互补PTC功率，以保持加热器排气温度为55°C。

4、汽车前端热交换器旁路控制器确保电力电子及电动机入口冷却剂温度低于模式1中的预设限制60°C，以防电力电子及电机的废热过高而导致客舱加热。超过冷却剂入口温度时，冷却回路才起到作用。

5 电动汽车舱室热管理建模和能耗[5]

用于机舱冷却和加热的能源可以大大减少电动汽车的续驶里程。本文对电动汽车舱室热管理的能效和性能进行了研究。在AMESim软件中建立了舱室供热制冷系统的仿真模型。在标准测试周期和现实驾驶周期中进行模拟。从环境温度、系统效率和舱室热平衡三个方面分析了舱室热管理性能。仿真结果表明，在极端寒冷条件下，续驶里程可缩短50%以上。通过使用热泵和从动力总成部件中回收余热，可以提高机舱热管理的能源效率。仿真结果表明，带电加热器的热泵系统可以显著降低暖通空调系统的能耗。在温和的环境温度下，在零下5摄氏度到10摄氏度之间，续驶里程根据驾驶周期增加6-22%。动力总成部件余热回收进一步提高了热泵系统的能源效率，使车辆能耗降低了2-4%。仿真结果也表明，电池在冷态下加热可以使能耗增加20%以上。

5.1 乘员舱及空调系统建模

本文在AMESim软件中建立了电动汽车的仿真模型。介绍了AMESim软件和车辆热管理建模。AMESim为不同类型的车辆提供了几个预定义的车辆和系统级模型。该软件有一个广泛的组件库，以建模不同的物理现象，以不同的精度水平。客舱暖通空调系统是在现有空调系统模型的基础上，通过调整制冷剂流量使其作为热泵工作而建立起来的。所建立的热泵模型对应于图8所示的动态集总参数模型。该系统包括压缩机、冷凝器、冷凝器风扇、短管口、蒸发器和蓄能器。热泵系统由高压电池供电的电动压缩机运行。热泵模式由四个阀门控制，可以改变制冷剂流体的流向。在热泵模式下，还增加了一个热交换器，用于从电力电子和电机液体冷却电路中回收余热。HVAC系统模型还包括一个PTC加热器，它与舱室空气流动和热交换器集成在一起，如图8所示。模拟可以用四种不同的空调系统进行配置:

1)没有舱室冷却或加热(无空调)。

2)空调和PTC加热器对应传统空调系统(AC+PTC)。

3)热泵和PTC加热器(HP+PTC)。

4)热泵废热回收和PTC加热器(HP+PTC+WH)。

HVAC系统由压缩机转速、PTC加热器电源、舱室鼓风机电源控制。机舱内的空气可以部分循环使用，因为选择的最小新鲜空气比为15%，以确保乘客的舒适度。在热泵模式下，PTC加热器时作为一个额外的热源热泵不能产生足够的热量。在传统暖通空调模式(没有热泵模式)，加热器最大值是5000 W，均匀划分为五个层次，每一层都有1000 W的力量。在热泵模式下，加热器的最大功率为4000瓦，每级功率为800瓦。

AMESim软件有两个预定义的座舱模型，一个简单而先进的模型，用于热平衡模拟。简单模型没有考虑舱室的热质量，因此该模型不适用于舱室热平衡的详细分析。更高级的座舱模型包括不同的座舱材料和元素，如图8所示。客舱与环境之间的热传递通过挡风玻璃、侧窗、后窗、侧板和屋顶进行建模。玻璃、塑料、金属、泡沫和织物等五种不同的材料。考虑到乘客的代谢负荷，客舱模型还计算了热舒适指数PMV(预测平均投票数)和PPD(预测不满意百分比)。由于这些指标最初是为了评估建筑物的热舒适性而制定的，因此它们可能不能很好地描述车辆的乘客热舒适性，因此在本研究中没有考虑这些指标。

图8 在AMESim开发了HVAC系统模型[5]

6 基于插电式混合动力车电池热管理物理模型[6]

由于政府对燃油经济性的规定，对电动汽车的需求正在增加。插电式混合动力汽车的电池系统在过去几年里取得了巨大的效率。该系统在结构上变得更加精细和复杂，需要复杂的热管理。这背后的主要原因是为了确保电池的有效冷却。因此，目前的工作重点是为典型的电池系统开发一个基于物理的热管理建模框架。为了建立系统所需的控制方程，本文对系统的热能量守恒问题进行了深入的分析。由于在HEV电池系统中冷却只是一个复杂的过程，所以使用当前的模型来研究其基础力学。框架是通用的，因此它可以应用于各种体系结构。本文在此背景下对流程进行了标准化。在此通用框架下，将理论模型扩展到Simulink模型，该模型可以与PHEV系统现有的冷却网络(即流程图)集成。除了预测冷却剂出口，预测电池系统的电池温度也很重要。集成模型将能够实现这些目标。为了建立模型s的适用性，将基于物理的模型与不同驱动周期下的车辆水平试验数据进行关联。结果与试验数据吻合良好，对所提出的框架及其未来发展具有重要的信心。

6.1 电池热管理模型

一个典型的电池组示意图如图9所示。在当前情况下有两个模块:{M1，M2，M3}和{M4，M5，M6}。每个模块由一定数量的单元组成。在当前情况下，每个模块有16个单体电池。由于相似，考虑{M1，M2，M3}或{M4，M5，M6}。根据图10，两个电池和中间的鳍被合并成第i集总质量#1。如图9所示，冷却剂沿着一系列路径，在第48单元进行u型转弯，回到单元1。因此，由于冷却剂的上游和下游，每个电池被分成两个质量块。在靠近电池两端的地方，相应的热垫+冷却板区域被认为是第i集总质量#2。最后，在单个电池的一半下面的冷却剂体积被认为是第i集总质量#3。用给定的配置:0≤i≤N，N=2×24。

图9 PHEV电池组的典型示意图[6]

7 机油底壳体积的调整以及发动机暖机时的废气加热[7]

本文在依维柯f1c3l发动机试验台上设计并测试了一种改进型油底壳，以暂时降低油泵抽油量。通过这种方式，油在油底壳内与少量的油混合，加速了温度的上升。当发动机达到热稳定状态时，油底壳的容量恢复到其全部容量。油底壳内油的临时体积减少是通过用金属隔层将容量分成两部分来实现的:当油达到设计温度时，一个热控制的开口将两部分连接在一起。燃料消耗和二氧化碳排放的减少已经被证明，这进一步的积极结果已经被添加到另一个积极的行动，以进一步加快其温度，利用废气热加热机油。燃料消耗的好处已经被证明，污染物的减少也被报道，由于与冷却液的正作用，整个发动机的热性能得到了改善。

7.1 改进油底壳设计

参考发动机为依维柯F1C涡轮增压柴油机，其主要特性如表1所示。整个油底壳体积约8升，但根据制造商的具体要求，油量为7升。

原来的油底壳已被修改，以有两个独立的腔室:一个总是活跃，带过滤器，另一个是封密的，形成一个上层油孔(图11)。当封闭室油从引擎直接流向主动集油室。两个腔室可以通过阀门关闭的外部管道进行交换机油。阀门由油底壳主动室的温度驱动:当油底壳温度达到80℃时，阀门开启，两个油室通入，油在两部分混合。这样，在升温阶段，只有少量的油参与到发动机的润滑中。但是，当油被加热时，整个油量被使用，保持了它的寿命和维护时间。

图11 独立油箱设计

在设计阶段，还考虑了浸没在油底壳中的恒温阀，以便在加热时混合两个油腔的油。然而，初步试验表明，浸入式恒温器受到摆动效应的影响:它在开口位置附近摆动，混合效果不一定能保证。图12展示了改造后的油底壳原型的实现，该油底壳采用分离腔和外部管道连接。图13显示了用于评估改进油底壳相关效益的实验发动机试验台上的油回路和传感器定位。

7.2 实验测试与结果

对改造后的油底壳进行了试验，并在发动机试验台上进行了NEDC试验。控制的混合阀已经打开它当活跃的储油室的温度达到80℃，试验显示了机油的行为在同系化反应温度循环:活跃的油温上升到80℃，然后突然下降到7-8℃，这是由于与油混合室关闭。另一方面，密闭腔内的油温上升较慢，当混合阀开启时，油温突然升高。发动机进口处的机油似乎不受与阀门开启有关的操作不连续的影响。

图12 改进油底壳的原型

图13 油电路和传感器定位为实验设置

8 HEV/PHEV的热管理体系结构[8]

对不同的冷却和加热体系结构进行了虚拟分析;效率和成本方面被认为是驱动因素，以及布局方面和整车的限制因素，驱动元件的选择和影响性能。为了进行鲁棒结构比较，获得更可靠的结果，建立了汽车热模型。该模型考虑了热负荷的主要贡献，并对不同的选择情况进行了仿真。本文对虚拟分析结果和不同控制策略的影响进行了详细的分析。结果是一个可能的热管理架构的概述，有助于定义新的热管理系统设计指南，直接与电池系统架构和电子电机布局在相同的CO2减排目标和新的法规符合性。

8.1 热管理架构

提出的热管理体系结构的主要思想是管理三个不同的冷却电路及其相互作用，这要归功于一个专门为此目的设计的新阀门系统。提出的解决方案是基于双回路冷却的概念和一个水冷蒸发器专门用于电池组的热管理。此外，与高温冷却剂回路连接的蓄热系统可以使冰快速升温，也可以使客舱快速升温，从而降低专用加热系统的电力需求。这一选择的基本驱动因素是:美国OBD法规，它推动了电池热管理的新趋势，要求避免在严格的诊断要求下使用制冷剂，空调压缩机在使用时应符合这一要求。由于功耗高，PTC加热器的拆卸或减少，对电驱动续驶里程影响较大。热泵解决方案可以帮助实现与PTC接近的性能，在功率要求方面有显著的好处。采用集成来提升部件效率，这对于小型汽车来说是强制性的，因为小型发动机室和平台需要花费很大的精力去安装所有的设备，以符合维护指南和最小续驶里程要求。因此，主要目标是保证汽车电池系统、舱室和电力电子设备的冷却和加热功能，以消除或减少PTC加热器的使用。图14显示了初始冷却电路架构方案和阀门配置，认为:红色是高温的冷却回路(～90℃)冷却循环，蓝色的电路低温(～50℃)冷却循环和绿色的电路是致力于电池充电器的冷却循环系统。水乙二醇是充满所有这些冷却回路的液体。在图15中给出了一个阀门配置。所考虑的配置代表了一种需要电池系统冷却的功能模式:在这种情况下，绿色冷却剂电路由车辆的空调电路通过专用制冷器(CHL)冷却。很明显，阀门是关键的执行机构。它们将提供从电动引擎和逆变器中回收热量的可能性，以适当的策略驱动电池加热。在图15中，低温电路直接连接到电池充电器的冷却液电路，通过适当的阀门配置，使热的冷却液可以加热电池。最后，在高温冷却电路中引入储热罐(HS)可以帮助所有需要快速预热的部分:热机、电池组和机舱。