熱管理行業觀察(下)

熱設計 2022-03-25

3 新能源汽車熱管理行業觀察

3.1 新一代汽車熱管理需求

汽車熱管理系統的作用愈發受到重視?早期汽車研究中并沒有熱管理這個細分領域,與之相關的主要有調節車艙溫度的空調系統,幫助發動機降溫的冷卻系統等等?后來汽車消費者逐漸提高對空調的舒適度要求以及對節能降費的要求,國家也逐漸提高對油耗排放等要求;而且,在汽車電動智能化浪潮下,新能源汽車高速發展,而新能源汽車的續航和安全等問題尤為突出,汽車熱管理顯得越來越重要,因此未來熱管理行業需求的確定性高?

相比傳統汽車的熱管理系統,新能源汽車熱管理系統更為復雜,同時在系統效率,控溫精度放面也有了更高的要求?

傳統汽車的熱管理系統,基本圍繞其動力系統展開,主要包括發動機冷卻系統以及主要利用發動機余熱和動力進行制熱/制冷的空調系統?

而相比于傳統汽車熱管理系統,新能源汽車的熱管理系統脫離傳統“三電”,并且沒有發動機余熱可以利用,更多依靠 PTC 和熱泵,同時電池的工作特性也對新能源汽車熱管理的控溫精度提出了更高的要求?

3.2 新能源汽車熱管理系統發展

3.2.1 電池熱管理

電池熱管理是新能源汽車熱管理系統的核心?電池高效工作溫度范圍較窄,熱管理系統是維持電池性能和安全性的關鍵?動力電池能完全發揮性能的溫度范圍通常為 0℃~40℃?溫度過低,電池充放電功率性能下降,整車表現出動力不足?續航縮減;溫度過高會產生電池熱失控風險,威脅整車安全?

電池的“木桶效應”要求溫控均勻一致?動力電池是由大量電池單體串并聯組成的?整體的電壓?容量等易受某個“短板”電芯的影響?一個單體發生熱失控不但導致電池故障,甚至引發整個電池熱失控?為保證電芯性能的一致性,電池熱管理系統通常需要設計復雜?精細的冷卻回路,布置多個溫度傳感器,維持電芯溫度的一致性?

目前常用的電池散熱系統主要有風冷式和液冷式?隨著電池容量?功率提升,高效的液冷已經成為主要的電池冷卻方式?

液冷采用冷卻液(或稱為防凍液,如乙二醇等)作為換熱介質,其傳熱系數高于空氣,換熱效果更優?動力電池常用的液冷方案為:動力電池冷卻液回路與空調回路并聯耦合,通過換熱器(Chiller)對冷卻液降溫,低溫的冷卻液流經電池從而為電池散熱?在電池內部,電芯間通常布置冷卻板?冷卻液流經冷卻板內的精細流道,把電芯的熱量帶走?

風冷系統較為傳統,在國內使用較多?按照技術類型主要分為被動式風冷系統與主動式風冷系統?被動式風冷系統指的是汽車行駛時自然吸入外部環境空氣或駕駛艙內的空氣與電池形成對流帶走熱量?主動式風冷系統通常是利用空調系統蒸發器和電池包專用蒸發器對外部環境空氣處理后進入電池包完成冷卻或加熱?

風冷系統的特點系結構簡單?成本較低,但熱管理的效果相對一般,主要應用于早期的乘用車及大巴車等?

3.2.2 空調系統的趨勢

目前新能源汽車的空調系統主要有兩種,PTC 空調和熱泵空調?

PTC 是 Positive Temperature Coefficient 的縮寫,意思是正的溫度系數,泛指正溫度系數很大的半導體材料或元器件,簡稱 PTC 熱敏電阻?PTC 技術的基本原理是給陶瓷/電阻絲等熱材料通電,從而產生熱量,給艙內供暖?如果熱量不夠,可通過增加電阻數量或者加大功率的方式提高產熱量?

PTC 空調具有恒溫發熱特性,其原理是 PTC 加熱片加電后自熱升溫使阻值升高進入躍變區,PTC 加熱片表面溫度將保持恒定值,該溫度只與 PTC 加熱片的居里溫度和外加電壓有關,而與環境溫度基本無關?PTC 空調中所用的 PTC陶瓷發熱元件,由若干單片并聯組合后與波紋鋁條經高溫膠結組成?該類型 PTC加熱器有熱阻小?換熱效率高及長期使用功率衰減低的優點,而且安全性能較好,即遇風機故障停轉時,PTC加熱器因得不到充分散熱,其輸入功率會自動急劇下降,此時加熱器的表面溫度維持在居里溫度左右(一般在 250℃上下),從而不致產生如電熱管類加熱器的表面“發紅”現象,安全事故發生的概率較低?

PTC 的特點是成本低?結構簡單?出熱快?受外界環境影響小,因此從入門車到高端車都普遍在使用?PTC 加熱器的整體外形輕巧,在整機內裝配極為便捷?

PTC 空調的不足是明顯影響車輛續航?因為它需要耗電發熱,所以直接影響車輛續航,隨著外界溫度降低,PTC 的電阻值隨之減小,電流通過電阻產生熱量,其制熱能效比(COP)最大值不超過 1,也就是說 1kW 電量最多可產生 1kW 熱量,試驗表明,當冬季行駛時打開暖風,全程至少消耗三分之一電量,功率越大耗能越大,時間越久耗能越大,冬季續航里程會受到極大的影響,這個不足在續航能力較差的新能源汽車上顯得尤為明顯?

熱泵系統采暖/制冷時,低溫低壓的氣態制冷劑在壓縮機內被壓縮成高溫高壓狀態后,制冷劑流入內/外部換熱器,向車內空氣/車外環境放熱,變為高壓液態,然后流過儲液干燥瓶,除去水分和雜質,再經過膨脹閥轉變為低溫低壓氣液混合態,最后經過外部/車內換熱器從車外/車內吸熱變為低溫低壓氣態并進入下一個循環,車內空氣流經車內換熱器吸熱升溫/放熱降溫,實現車內采暖/降溫功能?

熱泵式空調系統通過熱泵技術實現對汽車內部的制熱,其高效的制熱能效比符合新能源汽車的發展方向,而且熱泵式空調系統的驅動方式是電動壓縮機,具有獨立的能源提供方式,熱泵式空調系統對新能源汽車的運行狀況并無明顯影響?因為客艙獲得的熱量=消耗的電能+外界吸進來的熱能,那么熱能效比 COP(吸收的熱能+消耗電能)/消耗電能)一定大于 1,讓 1kW 電功率能夠達到 1.5kW甚至 2kW 的熱量?

熱泵空調的制熱效率相對于 PTC 空調要高,有較好的前景?熱泵空調系可提升整車電能利用效率,改變純電動汽車在低溫環境下續駛里程大幅縮減的現象?其基本原理為利用四通閥使熱泵空調的蒸發器和冷凝器功能對換,從而改變熱量的傳遞方向,來實現制熱的目的?由于熱泵空調相對高效節能,新能源汽車未來可能采用熱泵空調為主?

熱泵系統可以把熱量從溫度低的地方搬用到溫度高的地方?主要是把外界環境中的熱量收集起來,蒸發吸熱,液化放熱?在夏季,熱泵系統把車內的熱量搬向車外,達到制冷效果?在冬季制熱時,把車外的熱量送到車內?比 PTC 節能很多,大約能節省 30%-50%的空調功耗?主要的零部件是壓縮機?泵體等?

不過,熱泵的滲透率難以達到 100%,因為在對制暖需求不高的地區,熱泵空調不具備性價比?另外,即使采用熱泵空調,PTC 短期依然難以被完全替代,因為:1)當前,僅靠熱泵難以滿足除霜除霧的強制標準,PTC 仍然是當前新能源汽車的標配;2)PTC 具有成本優勢?

3.2.3 電驅電控系統熱管理

電機和電控(逆變器?充電機?DCDC 等)是新能源汽車一大發熱源?在高功率輸出和充電情況下電機繞組和 IGBT 會產生大量熱,若熱量不能及時散去,電磁?電子元件在高溫下性能和壽命下降,最終致整車性能減弱甚至引發故障停機?

與傳統汽車發動機冷卻系統相似?電機冷卻主流方式是液冷,部分高性能車采用油冷式?在大電流下,電機內耗以熱量方式急劇增加?如果電機在大電流工況下運轉得不到有效的冷卻,電機的內部溫度不斷升高,會導致電動機效率下降?如果溫度過高,就會造威內部燒蝕甚至擊穿導致電機損壞?根據介質種類,電機冷卻系統分為空冷?水冷和油冷?空冷即風冷,散熱能力有限,通常用于功率不高的微小型電動車?水冷是目前電機的主流散熱方式?冷卻液通過流經電機殼體帶走熱量?不過,轉子?繞組?定子等內部元件的熱量需經過層層部件傳導至外殼與冷卻液熱交換,傳遞路徑長,存在溫度梯度,散熱效率低,易形成局部熱點?油不導電?不導磁?導熱好,可作為介質直接冷卻電機內部部件?油冷方式需要增加一個油冷卻器使油與冷卻液進行熱交換?油冷系統復雜,技術難度大,成本高,目前除特斯拉外應用并不多?