昨天我們分享了新能源汽車熱管理的控制方式，今天再來看一看實現(xiàn)新能源汽車熱管理系統(tǒng)一體化的3個方案。
汽車車室空調(diào)主要目標(biāo)是保障乘員的舒適性以及擋風(fēng)玻璃的安全性。 其主要包含以下4種功能:(3) 濕度控制與調(diào)節(jié)功能;汽車車室空調(diào)的實現(xiàn)形式主要有直接式、間接式、半直接式等。直接式空調(diào)：前端模塊以及空調(diào)箱均與空氣直接換熱, 效率高，半直接式和間接式：有部分或全部換熱器采用載冷劑二次回路的實現(xiàn)形式，側(cè)系統(tǒng)構(gòu)造簡單, 且可以防止制冷劑向乘員艙泄漏引發(fā)安全隱患, 適用于可燃、微可燃型工質(zhì)系統(tǒng)。關(guān)于間接系統(tǒng), 有學(xué)者提出采用冰蓄冷的方式提升二次回路式車室空調(diào)系統(tǒng)降溫過程的功耗以及達(dá)到車室舒適條件的時間。但考慮到二次回路本身成本、重量的增加以及性能上的損失, 這種循環(huán)方式在車輛應(yīng)用領(lǐng)域的推廣程度始終不高。具體的實現(xiàn)形式因車型及需求不同有所變化, 本文不再贅述。在傳統(tǒng)燃油車中, 由于冬季可以采用發(fā)動機(jī)余熱進(jìn)行供暖, 因此車室空調(diào)僅考慮夏季制冷應(yīng)用即可. 但 對于純電動汽車而言, 發(fā)動機(jī)余熱的缺失導(dǎo)致車輛冬 季供暖需求尤為緊迫. 目前主流的供熱方式有高壓電加熱和熱泵供熱兩種技術(shù). 根據(jù)冬季制熱方式, 目前的新能源汽車的車室空調(diào)系統(tǒng)可分為單冷空調(diào)加完全電加熱系統(tǒng)、熱泵空調(diào)加輔助電加熱系統(tǒng). 考慮到新能源汽車中電池、電機(jī)與電控系統(tǒng)的溫度同樣需要精確管理, 通常意義上的熱管理系統(tǒng)應(yīng)該是車室空調(diào)與三電熱管理的耦合系統(tǒng).單冷空調(diào)+PTC是較為簡單的新能源汽車車室冷熱供應(yīng)方式, 基本可沿用燃油車系統(tǒng), 是目前新能源汽車應(yīng)用較為普遍的空調(diào)系統(tǒng)形式. 其主要形式與傳統(tǒng) 燃油車較為相似, 圖1為單冷車室空調(diào)匹配完全電加熱 PTC供暖方式的系統(tǒng)原理圖。PTC電加熱的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)與控制簡單、成本較低; 但加熱效率永遠(yuǎn)小于1, 冬季制熱時需要消耗大量的電池能量, 直接導(dǎo)致續(xù)航里程的嚴(yán)重衰減. PTC電加熱系統(tǒng)按使用方法可分為 PTC風(fēng)暖和PTC水暖兩種形式. 其中PTC風(fēng)暖是電加熱直接加熱空氣, 結(jié)構(gòu)簡單、加熱溫度高, 但具有一定的 安全隱患; PTC水暖方法是利用PTC模塊加熱冷卻液, 再通過冷卻液加熱空氣, 雖然安全系數(shù)較高, 但系統(tǒng)比較復(fù)雜, 加熱溫度也相對較低。PTC通常是直接消耗電能進(jìn)行采暖的方式, 其電能 利用能效比小于1, 電能的大量消耗對續(xù)航里程產(chǎn)生較大影響. 因此, 為提高車室空調(diào)能效比, 借鑒家用空調(diào)的使用模式, 熱泵在車室空調(diào)中逐步得到關(guān)注和應(yīng)用. 然而, 傳統(tǒng)的氟利昂類熱泵在低溫環(huán)境下制熱量驟減, 難以滿足車室采暖需求, 因此衍生了熱泵空調(diào)+PTC的 系統(tǒng)形式. 熱泵的系統(tǒng)形式呈現(xiàn)多樣化性, 主要通過閥件的組合、換熱器的組合等形式實現(xiàn), 近年也逐漸產(chǎn)生了四通換向閥以及閥島等的實現(xiàn)形式. 不同車型、車企的熱泵實現(xiàn)形式也不盡相同, 但最終的目的都是 實現(xiàn)空調(diào)箱內(nèi)換熱器功能的轉(zhuǎn)化, 如圖2所示.客車等商用車中通常采用四通換向閥等進(jìn)行模式切換, 而乘用車空調(diào)目前主要采用三通閥的三換熱器系統(tǒng), 通過電動二通閥或電動三通閥實現(xiàn)制冷、制熱、除濕和 蒸發(fā)器除霜模式的切換. 冬季制熱運(yùn)行時, 車外換熱器 (蒸發(fā)器)溫度可能低于室外空氣的露點(diǎn)溫度, 從而導(dǎo)致 結(jié)霜現(xiàn)象, 當(dāng)霜層太厚時需要進(jìn)入除霜模式, 除霜模式 的系統(tǒng)流程與夏季制冷模式一致. 乘用車除濕工況時, 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)先經(jīng)過車內(nèi)蒸發(fā)器降溫, 將空氣中的水蒸 氣凝結(jié)排出, 再經(jīng)過車內(nèi)冷凝器加熱回溫后送回車室 內(nèi), 達(dá)到除濕的目的.面對嚴(yán)寒工況、啟動過程等, 熱泵系統(tǒng)制熱能力 通常受限, 還需額外布置PTC以備不時之需. 用于熱泵系統(tǒng)的輔助電加熱通常有兩種方式: 直接熱泵式系統(tǒng), 如圖3(a)所示, 風(fēng)暖PTC與制冷系統(tǒng)內(nèi)的車內(nèi)冷凝器協(xié)同布置, 共同提供制熱量; 間接式熱泵系統(tǒng), 如圖3(b)所示, 制冷系統(tǒng)在板式換熱器中向二次回路的循環(huán)流體放熱, 而二次回路循環(huán)流體與PTC、暖風(fēng)芯體 串聯(lián).近年來, 隨著新能源汽車不斷向高能量密度、高能量轉(zhuǎn)換效率和高集成度的方向發(fā)展, 三電系統(tǒng)(電池、電動機(jī)、電控系統(tǒng))的熱管理需求與日俱增, 已經(jīng)關(guān)系到新能源汽車整體的安全和效率問題, 促進(jìn)了一體化熱管理系統(tǒng)的提出、升級和演化。目前, 車輛熱管理問題存在多個并行獨(dú)立的方面, 可以將其總結(jié)為安全性目標(biāo)、動力性目標(biāo)、續(xù)航能力目標(biāo)、舒適性目標(biāo)、耐久性目標(biāo). 一般而言, 安全性目標(biāo)為關(guān)鍵目標(biāo), 動力性與續(xù)航能力目標(biāo)為次級目標(biāo), 舒適性與耐久性目標(biāo)為三級目標(biāo). 根據(jù)車室空調(diào)與電池/電機(jī)溫控的不同組合形式, 可構(gòu)成不同的一體式熱管理系統(tǒng), 如車室空調(diào)+電池溫控并聯(lián)式熱管理系統(tǒng)(圖4(a))和車室空調(diào)+電池冷卻、電機(jī)余熱回收式熱管理系統(tǒng)(圖4(b))。圖4(a)所示的系統(tǒng)工作原理為: 制冷劑系統(tǒng)增加了與蒸發(fā)器并聯(lián)的 Chiller, 用于冷卻電池回路的冷卻液; 在乘員艙加熱用的水PTC回路上增加一個與暖風(fēng)散熱器并聯(lián)的板式換 熱器, 用以加熱電池回路的冷卻液. 這樣電池回路的冷卻液既有冷源又有熱源, 可以保證在全工況范圍內(nèi)使 動力電池處于相對合理的溫度區(qū)間, 動力電池的使用 性能不會受到限制, 明顯提升了整車的使用體驗通節(jié)流閥在全通模式與節(jié)流模式間的切換, 實現(xiàn)對乘員艙和電池包各自的加熱和冷卻作用. 同時, 電動機(jī)及其控制部件的熱管理也同樣耦合在整體回路中。在溫度過高時, 可以通過室外散熱器散熱, 也可以通過制冷循環(huán)Chiller進(jìn)行強(qiáng)效散熱; 而在冬季溫度過低時, 還可以通過冷卻介質(zhì)串聯(lián)的方式為電池包提供預(yù)熱或加熱效果。版權(quán)聲明：本文作者王從飛、曹峰等，版權(quán)歸屬原作者，內(nèi)容由HETA小編編輯整理，有刪減修改，轉(zhuǎn)載請注明來源。
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