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相变材料储热器增加电动汽车冬季续航里程

发布：liuxianglong 作者: Cardwell来源：盖世汽车

PostTime：6-5-2016 19:20

作者：Cardwell 相变材料的第一选择为DPT83，熔点为83摄氏度，非常接近电动汽车85摄氏度的冷却液温度标准。该材料为冷却液提供的加热温度与正温度系数加热系统的效果基本相当

以下为文章全文：(本站微信公共账号:cartech8)

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储热器现在逐渐发展成为一种常用的控制成本方法，在炎热气温状况下车辆静止怠速过程中维持空气调节系统的制冷效果。经过大量的模型仿真和实验室测试，储热器也已经变成加热电动汽车座舱的高效能、低成本解决方案。
2016年美国汽车工程师学会（SAE）世界大会上，来自德国马勒和橡树岭国家实验室的技术人员公布研究结果显示，电动汽车在严寒气候条件下，续航里程普遍降低60%，而且电力电子元件散发出的少量热能很难被有效回收。到目前为止，车辆牵引用电池组仍然是常规加热过程的唯一能量源，空调逆循环也会额外提供部分能量流入热泵。
对于电动汽车驾驶者来说，冬季制暖消耗的能量会让较长距离的上下班出行变得非常不方便，甚至车辆无法支持一个完整来回里程。如果采用传统的正温度系数制暖或者电阻加热器，则需要搭载足够多的电池组来保证日常出行，但是这种做法成本代价太高。对驾驶室进行预加热处理，仅仅只能提高很短时间的温暖环境，无法长时间维持加热座椅和加热方向盘的功能，前后状况不一致降低了驾乘舒适性。美国驾车正常上下班的平均时间为46分钟，工程师们意识到应该研发出一些创新技术，让电动汽车驾驶者在冬季再也不用为舒适性和续航里程而烦恼，到达工作地点也不需要着急寻找带有充电桩的停车位。

（加热供暖耗能量）
充满相变材料的储热器可用于冬季上下班出行，提高电动汽车在销售市场上的影响力。相变材料是一系列物质的统称，在吸收或者释放大量热能的时候，温度保持基本不变的前提下发生相态转变，例如固态吸热转化成液态，液态放热转化成固态。车辆静止怠速过程中利用相变材料维持空调制冷效果，已经出现在不少内燃机汽车上，装置成本相对较低，封装也非常简单方便，循环作用的冷却时间间隔小于一分钟。当储热器无法维持驾驶室内温度的时候，发动机和空调系统开始重新运转，始终确保驾乘人员的舒适性。对于内燃机汽车而言，相变材料的存储区域设计在蒸发器中，压缩机停止运转时充分冷却空气流。
制暖用的相变材料存储在发动机热交换器腔体内，循环通路中冷气流会经过加热器芯。相变材料属于石蜡范畴，与辅助制冷选用材料相似，但是整个处理过程有所不同，能够与空气和湿气产生相互作用。因此相变材料在存储过程中要格外小心，应该率先放置到热交换器腔体中，而且腔体要保证没有渗入任何空气和湿气。通过特殊的设备，热交换器才能填充入相变材料，然后对腔体进行密封处理。

相变材料的第一选择为DPT83，熔点为83摄氏度，非常接近电动汽车85摄氏度的冷却液温度标准。该材料为冷却液提供的加热温度与正温度系数加热系统的效果基本相当，潜热容量为348焦耳/克，是同类八种材料中性能最优的，远高于传统相变材料200焦耳/克的数值，最大程度上帮助减少了封装尺寸。性能表现稍逊一筹，但也具有潜在应用价值的材料是DPT68，相变温度为68摄氏度，潜热容量342焦耳/克。
车辆静止怠速结束之后，空气调节系统重新启动，这时相变材料要能够迅速转化成初始状态，为下一次的车辆停止前进做好准备。不过对于驾驶室加热，更严格的要求才能保障电动汽车即便在寒冷冬季停放到露天车位上，相变材料储热器也不会丧失其应有的效果。采用真空隔热面板打造的轻量化保温层部件，经过八小时的上班时间，相变材料储热器依然能够保持80%的潜热能。工程目标是仅仅损失10%的热量，不过技术人员相信改善的系统结构可以达到这样的预期要求。
相变材料拥有很多优势，但是相关储热器系统会增加车辆总重。与增加锂离子电池组数量的解决方案相比，相变材料增加的重量并没有更多，甚至可能更少一些。技术人员设计的储热系统重量为33千克，其中相变材料21千克，热交换器12千克，最少能够增加20%的续航里程。如果车辆驾驶室已经进行了预加热处理，相变材料储热系统可以有效降低运行车辆需要的稳态加热量。

（续航里程与相变材料重量关系）
空调系统工作条件下，冷空气流过仪表板下方的蒸发器，把液态石蜡基相变材料冻结成固态物质。车辆静止怠速时，压缩机停止工作，外界热气经过固态相变材料，转化成输送到驾驶室的冷空气。随着空气中的热量不断传递给相变材料，相变材料从固态转化成液态，直到空调系统重新运转才会再次凝结。
相变材料用于加热驾驶室，作用过程和制冷时完全相反，整套设备命名为电动相变材料辅助加热系统。系统包括两个热交换器，分别为相变材料热交换器和驾驶室加热器，二者通过管路和控制阀连接起来。传统正温度系数加热器额外增加了一个电气回路，而相变材料在外界环境温度下处于固态。利用电动汽车插电系统可以对电池组事先充电，这个过程中热交换器中的电力加热元件将把相变材料转化成液态物质，同时正温度系数加热器将提前对驾驶室完成预加热。
车辆运行过程中，激励电路（持续运行或者脉冲波动模式）驱动水-乙二醇混合物流过相变材料热交换器，从融化的相变材料中吸收热量，然后输送到驾驶室加热器。这种供暖方式与内燃气汽车有所相似，冷却液吸收发动机的多余热量，然后流入驾驶室加热器。相变材料加热系统给电动汽车带来的续航里程增加量，超过了最初预期的20%。零下10摄氏度的外界环境，车辆空气内外循环比例为3：7的条件下，单独使用相变材料加热模式，可以维持40分钟的驾驶室内舒适温度。
相变材料加热系统提供的总能量为3.3千瓦时，而实际热效能更高：当绝大多数相变材料潜热能耗尽，仍然会具有部分残热，即便是60摄氏度这种过度的温度无法完全发挥相变材料的加热作用。残热也有使用价值，双加热器芯能够体现其效用。相变材料热交换器不停循环加热水-乙二醇混合物，混合物流过前部的加热器芯来预升温进入空气，为系统额外延长了10分钟的正常工作时间（总计50分钟）。当混合物流经后部加热器芯的时候，正温度系数加热器被激活，完成整个驾驶室供暖过程。