增程式电动汽车专项热管理系统研究

2023年11月20日发(作者：雷克萨斯es260图片及价格)

荫荫

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增程式电动汽车专项热管理系统研究

秦振海

112

袁王佳袁李隽杰

渊1援陕西重型汽车有限公司袁陕西西安710043曰

2援总装备部车船军代局驻南京地区军代室袁江苏南京210037冤

摘要院增程式电动汽车具有低成本尧节油率高尧低排放诸多优点遥其热管理系统是保障增程式电动汽车在所有

气候条件下有效运行袁达到节能减排必不可少的遥本文介绍各种已被采用和还处于研究中的冷却和加热方法袁以此

为基础袁提出了热管理系统有待提高之处袁为后续研究提供参考遥

关键词院增程器曰增程式电动汽车曰冷却曰循环曰电池曰加热

中图分类号院U464.111文献标识码院A文章编号院员园园猿原愿远猿怨渊圆园13冤12原园园05原04

QINZhen鄄hai袁WANGJia袁LIJun鄄jie

11

2

渊1.ShaanxiHeavyDutyAutomobileCo.袁Ltd.袁Xi爷an710043袁China冤

粤遭泽贼则葬糟贼院Theextended鄄rangeEVhavethemeritsoflowcost袁lowfuelconsumptionandlowemission.The

thermalmanagementsystemissignificantandindispensabletoensuretheoperationofEVinallkindsofclimate

andtoachieveenergysavingandemissionreduction.Thecoolingandheatingmethodsalreadyusedandstillin

researchareintroducedasthefoundation.Itsimprovementisproposedasthereferenceforfutureresearch.

运藻赠憎燥则凿泽院APU渊auxiliarypowerunit冤曰extended鄄rangeEV曰cooling曰cycle曰battery曰heating

OntheSpecialThermalManagementSystemofExtended鄄rangeEV

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众所周知袁在涉及减少CO排放方面袁电动汽

2

车被公认为一种解决方案遥然而纯电动汽车目前受

动力电池比能量较小尧价格高等因素的影响袁续驶

里程满足不了实际使用的需求遥因此针对这一现

状袁提出了减少电池组的配置袁加装一套由野内燃

机+发电机冶组成的车载发电机组袁即增程器渊也

叫APU冤袁随时可为车辆补充电能袁达到延长车辆

续驶里程的目的遥而增程式电动汽车的动力系统由

增程器尧驱动电机和动力电池构成袁这些都直接影

响车辆的动力性能和环保要求袁特别是当不允许增

程器的少量残余排放损坏电动汽车的野零排放冶形

象的时候更是如此遥因此增程式电动汽车的动力系

统就需要有先进的热管理系统遥

1增程式电动汽车的结构

图1增程式电动汽车典型结构

增程式电动汽车渊E-REV冤通常都搭载有动力

电池组合一个由野内燃机+发电机冶组成的辅助动

力系统遥增程式电动汽车尧纯电动汽车和串联式混

合动力汽车一样袁都采用纯电驱动的方式工作袁与

插电式渊Plug-in冤混合动力汽车一样可以外接插

电袁车辆典型结构如图1所示遥

2增程器的热管理

由于增程器是由野内燃机+发电机冶组成的车

载发电机组袁增程器势必会产生少量残余排放袁还

有增程器的频繁起动以及将增程器冷起动阶段的排

放降下来袁因此袁强化增程器废气排放系统袁热管

理控制系统起着重要作用遥

2.1兰金循环方法的热能管理系统

为了满足电动汽车几乎趋于野零排放冶的要

求袁对于装有涡轮增压装置的增程器袁未进入废气

涡轮增压器之前袁增程器废气的温度为600益袁而

经过涡轮增压器之后则降到450益袁这种排出的废

收稿日期院2013-10-17

作者简介院秦振海渊1976-冤袁男袁陕西渭南人袁高级工程师袁现主要从事电动汽车研发工作袁E-mail院mrqinzhenhai

************曰王佳渊1975-冤袁男袁陕西宝鸡人袁工程师袁硕士袁现主要从事电动汽车研发工作曰李隽杰渊1971-冤袁男袁陕

西绥德人袁高级工程师袁主要从事电动汽车的研究论证工作遥

叶汽车电器曳2013年第12期

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气在传统的放热过程中都

不可能利用遥为了有效利

用这种热能袁采用新型后

置式渊串联式冤热量转变

为动力的方法袁即兰金

渊Rankine冤循环可实现废

气能量转变为动力遥图2

所示为增程器冷却系统的

结构遥由图2可知袁冷却

式废气再循环过程为院淤

定压下加热院利用排出的

废气渊450益冤通过蒸发

器对兰金循环中的工作介

质渊水冤进行加热袁使水

气化产生水蒸汽曰于可逆

性绝热膨胀做功院过热蒸

汽进入汽轮机中膨胀袁对

外做功产生机械能袁可以

回收利用曰盂定压下冷

却院在汽轮机出口袁蒸汽

处于低压湿蒸汽状态渊称

图2采用Rankine方法的带有废气热量应用的增程器冷却系统

为乏汽冤袁此乏汽进入冷

口断开遥如果关闭增程器之后袁冷却水温度低于

凝器向冷却水放热袁凝结为饱和水渊称为凝结水冤曰

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95益或环境温度高于-10益时袁冷却水走原主冷却

榆可逆绝热压缩院水泵消耗外功袁将凝结水升压并

管路遥当再次起动车辆时袁接通钥匙开关袁温度传

送回蒸发器中袁完成动力循环遥然后进入新一轮循环遥

感器探测到温度低于-10益袁起动预热电路系统电

利用兰金循环袁德国宝马公司开发出了汽油机

控阀1打开袁电动泵开始工作袁将储存在保温器高

内置蒸汽机构野TurboSteamer冶袁在宝马3系列汽车

温的冷却水泵入冷却回路中袁起到缩短预热的作用遥

使用的1.8L4缸发动机的基础上袁试制了增加蒸汽

结果表明袁与其他新能源车相比袁该系统可以

机构的发动机遥在此系统中袁采用了高温和低温两

节约5%的燃油消耗袁降低HC排放10%袁CO排放减

个做功循环袁工质分别是水和乙醇遥研究结果表

少20%曰可以缩短增程器暖机尧空调制冷和驾驶室

明袁发动机燃油效率尧输出功率及扭矩分别提高了

升温的时间曰该系统还具有良好的后加热功能袁即

15%尧10kW和20Nm遥

车辆停机后袁可以在环境温度为-20益时保持驾驶

2.2缩短预热阶段的热能管理系统及加热型催化

室温度30min基本不变遥此系统已经广泛应用于丰

转化器

田公司的Prius和大众公司的Golf新能源车型遥

由于增程式电动汽车增程器频繁起动袁当前面

研究表明袁在冷起动时袁如果催化转化器本身

临的挑战是低温环境下的冷起动袁如何缩短冷起动

没有采取加热措施袁或者没有采取充分的加热措施

预热时间袁降低能耗袁又要将用作增程器的发动机

的话袁总的排放中还是有80%左右是在冷起动时形

冷起动阶段的排放降下来或者完全消除遥为此需要

成的遥一项改善催化转化器转化效率的有效措施是

全新的增程器缩短预热阶段的热能管理系统尧加热

型催化转化器共同作用和控制策略来完成遥

采用电加热催化转化器袁见图3袁其能在增程器冷

增程器缩短预热阶段的热能管理系统主要包括院

两个电控阀尧保温器和电动泵遥首次起动车辆袁接

通钥匙开关袁冷却水走主冷却管路袁同时安装在增

程器水道上的预热温度传感器电路接通袁当冷却水

温度高于95益袁环境温度低于-10益时袁关闭增程

器袁电控阀的1口和2口接通曰由于保温器位于增程

器的最下部袁将高温的冷却水储存在保温器渊保温

效果可以达到3天之长冤中袁随后电控阀的1口和2

图3电加热催化转化器的构造

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起动之前就将催化转化器加热到工作温度遥为了减

少热损失袁一方面要将载体内部的热传导袁尤其是

往界面渊壳体尧端面冤的热传输降低到最小限度曰

另一方面袁还可以通过壳体外部区域的附加隔热进

一步减少散热袁增程器催化转化器采取的隔热措施

如图4所示遥

间的传热率取决于流

体的热导率尧粘度尧

密度和速率等遥目前

所用液体冷却系统原

理如图6所示遥GM公

图6液体冷却系统原理

司已研制出水冷型电

图4采取隔热措施的增程器催化转化器

3动力电池的热管理

动力电池作为增程式电动汽车的动力来源袁其

温度特性直接影响车辆的性能尧寿命和耐久性遥好

的热管理系统袁可以保证电池包内各个单体电池工

作在合理温度范围内的同时袁尽量维持包内各个电

池及电池模块间的温度均匀性遥下面介绍目前常用

的电池热管理用到的方法遥

3.1动力电池的冷却

3.1.1空气冷却

空气冷却法是一种野价廉物美冶的冷却方法袁

如果电池模块周围空间允许袁都会安装局部散热器

或风扇袁甚至还会

利用辅助的或汽车

自带的蒸发器来提

供冷风袁其原理如

图5所示遥该方法

对电池的封装设计

要求不高袁电池在

图5空气对流冷却法要要要利用外

界和电池箱空气对流换热

车上的布置位置不

受限制遥对于电池数量不多的情况下采用空气冷

却袁可以把电池的温度控制在合理范围之内遥Prius

采用的冷却风扇有4种工作模式院停止尧低速尧中

速和高速袁热管理系统根据电池包温度的不同使风

扇以不同的模式进行工作遥但对于大规模的锂聚合

物电池来说袁由于聚合物的热导率较低袁故热传导

的弛豫时间较长袁所以仅用空气冷却是不够的遥

3.1.2液体冷却

整体式的液冷系统尤其适用于大模块电池袁它

既能使模块整体降温袁又能实现单体间温度的均匀

分布袁且有利于电平衡遥电池模块壁与传热流体之

池热管理的电池封装模块遥

3.1.3相变材料冷却渊PCM冤

相变冷却机理是靠相变材料的熔化渊凝固冤潜

热来工作袁利用制冷剂液体渊水尧液氨尧液体氟利

昂等冤在低压尧低温下的气化过程或固体在低温下

的熔化过程或升华过程院向被冷却的物体吸取气化

潜热尧熔化热或升华热袁以达到冷却的目的遥它可

以把放电时发出的热以潜热的形式储存起来袁在充

电或在很冷的环境下工作时释放出来袁是最有效的

散热方式之一遥相变材料由于其巨大的蓄热能力袁

开始被应用于动力电池包热管理系统遥

3.2动力电池的加热

3.2.1电池内部加热

采用交流电直接对电池的电解液加热袁只需要

几分钟完全可以将电池从-40益超低温加热到20益遥

采用内部加热袁加热效果明显袁但其装置的体积

大尧质量重袁实现装车使用困难袁加热过程时电池

电离袁缩短电池的使用寿命遥

3.2.2电池外部加热板加热

外部加热板加热是指在电池顶部或底部添加电加

热板袁对电池加热时袁将加热板通电袁加热板的一部

分热量通过热传导的方式直接传给电池袁还有一部分

通过周围被加热的空气以对流方式对电池进行加热遥

3.2.3珀耳贴效应热泵加热

珀耳贴效应指电流流过两种不同导体的界面

时袁从外界吸收热量袁或向外界释放热量袁通过改

变电流的方向袁可以实现加热或制冷两种功能袁加

热和制冷强度通过电流大小进行精确控制遥依此原

理开发出主动式电池热管理系统袁可以有效地对电

池进行加热和冷却袁具有结构简单尧温度控制精度

高尧能耗低等优点遥

4结束语

随着增程式电动汽车日益推广和保有量的增

多袁其热管理系统对于提高整车性能和使用寿命起

到关键性作用遥未来袁如何利用增程器产生的废热

与电池导出的废热一起加以回收综合利用袁用于车

用空调系统袁做到节能环保袁也是增程式电动汽车

热能利用的研究方向遥

参考文献院

咱1暂杨胜.汽车热管理系统半物理仿真试验平台研究咱D暂.北

叶汽车电器曳2013年第12期

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荫荫

Overview

咱2暂齐斌袁倪计民袁等.发动机热管理系统试验和仿真研究

咱3暂于秀敏袁陈海波袁等.发动机冷却系统中流动与传热问

咱4暂马骁.电动汽车锂离子电池温度特性与加热管理系统研

咱5暂焦洪杰.并联式混合动力汽车用镍氢电池冷却装置的研

咱6暂吴韶建袁陶元芳.增程式电动汽车的概念与设计方案咱J暂.

咱7暂杨裕生.增程式电动车具有较强的国度优势咱N暂.经济日

京院清华大学袁2004.

咱J暂.车用发动机袁2008袁177渊4冤院40-43.

题熟知模拟进展咱J暂.机械工程学报袁2008袁44渊10冤院

162-167.

究咱M暂.北京院北京理工大学袁2010院47-52.

制咱J暂.汽车技术袁2003渊1冤院23-25.

机械工程与自动化袁2010渊5冤院209-210.

报袁2010-05-25院14.

.. All Rights Reserved.

附院补充说明

1冤热管理系统热管理系统是从系统集成和

整体角度出发袁统筹热量与发动机尧电机尧电池及

整车之间的关系袁采用综合手段控制和优化热量传

递的系统遥其可根据行车工况和环境条件袁自动调

节冷却强度以保证被冷却对象工作在最佳温度范

围袁从而优化整车的环保性能和节能效果袁同时改

善汽车运行安全性和驾驶舒适性等遥

2冤专项热管理系统专项热管理系统是针对

整车某一动力总成来说袁针对其运行情况有目的地

进行加热或冷却袁保证对象工作在最佳温度范围遥

3冤研究背景增程式电动汽车具有低成本尧

节油率高尧低排放尧基础设施投入少等诸多优点袁

在动力电池技术瓶颈尚未解决之前袁是向纯电动汽

车过渡的最佳技术方案袁也是我国现阶段应用最

多袁大力推广的技术路线遥而增程器和动力电池是

增程式电动汽车的关键核心零部件袁其热管理目前

还处于研发起步阶段袁热管理的优劣直接影响到车

辆的动力性能和环保要求遥

4冤研究难点对增程器的研发还处于研发起

步阶段袁相关行驶循环中增程器开启和关闭的时

间尧当时的转速和符合相应的尾气品质流量尧排放

的有害物质的浓度尧尾气温度和催化转化温度等袁

目前袁这些基本的数据还没能够实时地进行测定袁

因此难以制定合理的控制策略遥

对于动力电池来说袁电池内部的电化学反应很

复杂袁存在感应和共生的非感应的过程遥不同的电

池反应不同袁因而有不同的充电热特性遥电池内部

传热特性渊电化学反应与导热冤与外部散热过程

渊考虑导热尧对流尧辐射冤耦合分析袁目前还没有

一个很理想的模型和解决办法遥渊编辑文珍冤

从20世纪80年代起袁本刊就陆续地发表了许多关于

新能源汽车方面的文章遥回首往事袁我们非常感谢那些

作者的努力与大量读者对我们工作的支持遥

目前袁我国出现了多个出击电动汽车的产业联盟遥

同时袁国家的主管部门工信部尧发改委尧科技部等现在

基本达成的共识是院以纯电动汽车为我国汽车工业转型

的主要战略取向袁重点突破动力电池尧电机尧电控技术袁

推动纯电动汽车尧插电式混合动力汽车的产业化遥

科技部列入到2011耀2013年的电动汽车关键项目的课

题方向有31个袁分为77个课题遥总的课题经费为7.38亿

元遥在公布的叶电动汽车关键技术与系统集成曳申请指

南中袁具体规定了各大核心方向发展所占的比重遥电动

汽车整车及动力的课题比例占整个总课题的33%曰电池技

术项目占42%曰电机项目占13%曰电控技术项目则占6%遥

许多专家还指出院采用混合动力系统是最佳的选择遥

混合动力系统也有许多关键项目遥例如院双向大功率DC-

DC变换器技术曰驱动电机技术曰包括储能元件选型尧蓄

叶新能源专刊曳征稿

电池的充电技术与蓄电池容量检测技术的能量管理技术遥

上述的每个关键项目都与野电冶密切相关袁这使我

们感到任重道远遥为配合国家计划的实现袁为广大科技

工作者尧各位读者尧各相关人士提供发表科研成果与见

解的园地袁我刊2011年第10期出版了第1本叶新能源专刊曳袁

受到整车及相关零部件厂家科研技术人员的极大关注浴为

此袁我刊2012年第10期尧2013年第5辕12期又出版了3本叶新能

源专刊曳遥2014年本刊计划出版2期叶新能源专刊曳遥

期望各位将密切结合实际尧深入浅出尧结构适当的

野新能源冶稿件投给我刊袁优稿优酬遥全文字数控制在

8000字以内遥我刊将以最大的努力争取发表遥

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投稿信箱院************渊全文字数含图表控制在8000字以内袁整车电路除外冤

来稿请作者注明承诺院野此稿为原创袁专投叶汽车电器曳冶

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