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一文了解整车热管理系统

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发布:落叶纷飞 来源:
PostTime:31-5-2024 20:52
作者|北湾南巷出品| 汽车电子与软件#01背 景相较于传统燃油车热管理的对象为发动机、变速箱和空调等系统,新能源汽车的热管理新增了动力电池、电驱动等热管理对象。从内燃机到电动车零部件的变化燃油车热管理系统主 ...

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作者 | 北湾南巷出品 | 汽车电子与软件

#01  背  景

相较于传统燃油车热管理的对象为发动机、变速箱和空调等系统,新能源汽车的热管理新增了动力电池、电驱动等热管理对象。



从内燃机到电动车零部件的变化




  • 燃油车热管理系统主要包括空调制冷系统,和以发动机为热源的座舱暖风系统。其主要零部件包括机械式空调压缩机、膨胀阀、蒸发器、冷凝器、以及发动机暖风系统等。




 传统燃油车汽车热管理系统




  • 新能源汽车(电动汽车)包括座舱、电池、电机电控热管理。座舱热管理系统包括空调冷风、热泵暖风或PTC暖风,具有加热和制冷需求,主要零部件包括电动压缩机、电子膨胀阀、蒸发器、冷凝器、热交换器、PTC或者热泵冷凝器等。





新能源汽车热管理系统



新能源汽车产业链中游主要包括空调热管理系统、电机电控冷却系统以及电池热管理系统等模块或者总成,由上游水泵、冷凝器等零部件组装而成,为下游整车提供功能安全和使用寿命的保障。新能源热管理系统产业链中产品更复杂:由于其热管理系统的覆盖范围、实现方式相较传统燃油汽车发生了较大改变,其对于零部件节能性、安全性等方面的要求相对更高。上游零部件中新增了Chiller、PCT加热器、四通阀等零部件,中游热管理系统中的热泵空调系统、电池冷却系统使得系统复杂程度进一步上升。



新能源汽车产业链


系统

品名

图例

作用

电池、电机、电子设备等热管理系统

电子/电磁膨胀阀



调节系统流量

电池、电机、电子设备等热管理系统

冷却板



内充冷却液,用于电池冷却

电池、电机、电子设备等热管理系统

电池冷却器



电池系统换热

电池、电机、电子设备等热管理系统

电子水泵、水阀





用于电池及电子设备水冷却

减速器冷却系统

油冷器、油泵





电机和减速器冷却系统

空调系统

电动压缩机



产生高压气体

空调系统

PTC/热泵





通过加热或热交换产生热量

空调系统

膨胀阀



控制制冷剂流量

空调系统

贮液器



贮存制冷、过滤杂质与吸收水分

空调系统

冷凝器



将冷却剂从气态变成液态,将其热量释放出来至周围空气中

空调系统

蒸发器



让低温低压制冷剂吸收空气中热量

关键部件解析

小结:

新能源汽车热管理系统部件趋于多样化和电气化,复杂性更高,带来新增市场机会。

#02  新能源汽车的整车热管理系统

新能源车汽车整车热管理系统=电池热管理+汽车空调系统+电驱动及电子功率件冷却系统。


  • 电池热管理:作为核心部件,电池的温度是影响其安全及性能的关键因素(最佳工况温度在20-35℃),过高或过低(低于0℃)对电池的寿命存在负面影响。在电池充放电过程中,温度过低可能造成电池容量和功率的急剧衰减以及电池短路;温度过高则可能造成电池分解、腐蚀、起火、甚至爆炸。动力电池系统需配合复杂的电池热管理系统维持工况温度,为电动车完全新增部分。


  • 汽车空调:不论是新能源车还是燃油车,都致力于满足终端消费者的日益上升舒适性需求,汽车驾驶舱的热管理技术也变得尤为重要。对于制冷,新能源车与传统车原理相近,差异在两点,一是传统车压缩机可由发动机驱动,而电动车由于动力源变为电池需使用电动压缩机;二是联结方案上,传统车动力系统与空调制冷过程较独立,而电动车电池与空调冷却系统通常联结。对于制热,传统车空调系统加热借助发动机的余热,电动车需借助PTC加热(冬季使用续航受较大影响),未来制热效率更高的热泵系统是趋势。


  • 电驱动及电子功率件热管理:在新能源车高电压电流运作环境、智能驾驶技术日益复杂背景下,电机电控及电子功率件等耐受温度低的部件对散热要求高,需额外添设冷却装置。


电动汽车在冬季续行里程变短是目前实际应用中的最大问题。尤其是在北方气温低于零度的情况下,续航里程大幅降低,直接影响车辆的使用。蓄电池在低温环境下,充放电能力会严重降低 ,导致续行里程大幅缩水。若对蓄电池进行加热,使蓄电池维持在最佳工作温度区间,就可以使车辆续航里程得到提升。

影响续行里程变化量最大的因素是行驶车速和环境温度,当车辆行驶时速大于60 km后 ,速度越高耗能越高。当环境温度处于零度以下时,温度越低耗能越高,当气温在-10°C时,车辆续行里程相对于气温22°C时会降低近一半。其中很大一部分原因是在车内加热消耗了较多的电能。现代纯电动汽车的热管理系统非常重要。很多车都十分重视热管理,尤其在冬季,相对于普通的纯电动汽车,优秀的热管理系统的可增加15 % ~ 18 % 的续行里程。PTC结构简单、成本低,是目前汽车市场主流的制热部件,但其存在能耗高的先天缺陷。热泵虽然存在一定的技术壁垒,但是常温下能效比(COP)超过2,理论能耗仅为PTC的一半左右,但是以R134a为冷媒的热泵系统在低温环境下的制热效果较差,仍需PTC辅热。


_

热泵空调

PTC加热

工作机制

车外吸热运入车内

半导体加热

主要零件

电动压缩机,四通/八通阀、换热器

电动水泵、PTC加热器、贮液罐、暖风芯体

特点

节能但在低温环境下制热条件差,需要PTC加热辅助

温度使用范围广、耗电

价格





代表应用

特斯拉 Model Y Octovalve系统

Model3
热泵空调和PTC加热的差异



目前使用最广的制冷剂为R134a,更环保R1234yf冷媒的热泵可兼容现有热泵主要零件,技术替代成本低,但美国杜邦和霍尼韦尔的专利仍在保护期,成本较高。R744(二氧化碳)冷媒热泵在低温情况下的制热效果更优,但需要对系统进行耐高压的重新设计,技术替代成本较高,这也是限制该技术量产上车的主要桎梏。但受R744极低成本的驱动,目前业内已有部分企业开始布局该冷媒,未来极可能成为主流技术方向。CO2作为一种较新型的空调制冷剂,由于其化学性质与传统制冷存在较大的差别,因此其运行条件也与传统制冷剂存在较大差异,对管路要求将会更严格:


  • 耐高压:R744(二氧化碳)冷媒运行压力、温度远高于传统制冷剂;


  • 耐高温:R744(二氧化碳)冷媒连接结构扣压时很可能形变开裂;


  • 耐油:R744(二氧化碳)冷媒与水等介质接触后容易形成腐蚀性;


  • 低渗透:R744(二氧化碳)冷媒容易与润滑油、橡胶等相互作用,降低管路可靠性。


目前,满足CO2管路要求的集中度较低,外资/合资企业市场份额较大。



汽车空调管路供应商




小结:

因能耗问题热泵空调将逐渐替代PTC,未来热泵冷媒可能以CO2为主。






#03  集成式热管理系统


新能源汽车热管基本上分为三个阶段,现阶段基本处于1和2的阶段,大部分新能源汽车电池、电驱和座舱是单独的系统。少部分车企已经进入到了通过核心部件将三电和座舱打通,实现整车一体化热管理。
  • 第1阶段:分散式热管理

电池、电机电控和空调系统回路彼此独立,各自有一套完整的温控和管路系统。但能量利用不充分,同时系统管路复杂,零部件多,制造和维护费时。
  • 第2阶段:集成式热管理

利用多通道阀门或管路,将电池、电机电控和空调系统中某些或全部回路均连通,形成一个循环回路。热管理控制器根据各部件的温控需求,统筹热量管理,减少能量的浪费。但系统集成度高,控制复杂,控制难度较大。
  • 第3阶段:智能化热管理

热管理系统功能一体化、结构模块化、控制智能化,实现整车能耗最低和能量最优分配的终极目标。
HeatPump(热泵)作为未来主流的集成式热管理的核心部件,其原理为:其运行方式就像空调系统,但是在运行顺序上却是截然相反。一套系统由空调压缩机、冷凝器、膨胀阀、气液分离器、储液器等组成。当气体以低温、低压的状态进入压缩机,然后压缩气体制冷剂,成为高温、高压的气体,随后进入冷凝器,冷凝器开始冷却,使其成为液态,当空气吹过冷凝器,进入机舱以加热机舱,这样就可以把热量带走,离开冷凝器的高温高压液体并不会产生过多的热量,随后液体通过膨胀阀(膨胀阀可以控制液体的流速),极大的降低了液体的压力。液体通过蒸发器流动,外部空气吹过蒸发器并对其进行加热,液体吸收了热量并转化为气体,随后循环重复进行。


热泵系统
由于实现集成式热管理需要一个核心部件---阀岛,接下来将会围绕阀岛来阐述当前主流热管理系统:

车型阀岛实物图原理原理图

理想ONE
三通阀         无GCU(发电机控制器)、ISG(启动发电一体机)作为增程混动的代表,这类车型除了需要对纯电动车型中涉及到的电池、座舱、驱动进行热管理外,对于增程器总成及控制系统同样要采取有效的热管理手段。其中增程器总成中的发动机采用传统发动机的制冷方式,发动机散热系统则与驱动电机并联。子系统之间通过精准控制三通阀的on/off,以实现增程器总成、动力电池、座舱空调和驱动系统间的热量传递和利用。 


小鹏P7四通阀


当动力电池无需加热需求时,电机电控热管理回路通过电机散热器总成将热量散出当动力电池有加热需求时,通过控制电子四通阀将电机电控热管理回路中的冷却液循环至动力电池回路中,以此将电机回路中产生的热量带至电池包以供其加热



BYD海豚六通阀


 
比亚迪一体化热管理系统通过热泵、六通阀等部件,实现了刀片电池、电驱和座舱三者间的热量互通,将冷媒直接送到刀片电池和驾驶舱,将热量在刀片电池、电驱系统和座舱三者间进行循环。



特斯拉Model Y八通阀Octovalve Episode Octovalve=Octovae





(八音阶)+Valve (阀)
特斯拉Model Y首次搭载了热泵空调系统,在结构上采用高度集成的八通阀模块,对系统多个热管理系统进行集成,同时实现不同热管理系统工作模式的灵活切换。八通阀(阀体集成技术)和多功能热泵技术(15种工况)是特斯拉两大集成化技术壁垒。同时其空调系统采用了热泵+PTC辅助的方式进行制热。这里的PTC辅助制热系统采用单独12V蓄电池供电,其功率远远小于传统空调PTC加热的功率,在省电的同时还可以有效缓解热泵空调低温制热效果不佳的情况。极端低温的情况下,热泵系统无法正常工作,此时系统会控制驱动电机堵转,以此来产热供热,理论上来说这种方式会烧毁电机,但特斯拉通过精密的算法与强大的控制能力可以有效避免电机的损坏。







小结:
随着国内供应链的日趋完善,在新能源时代背景,国内本土热管理供应商以及国内自主品牌积极的布局电池/空调/电驱动热管理,从过去单一的零部件供应商正在逐步建立起系统解决方案。

END




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