純電動重卡熱管理研究

郭帥 喬雷軍 張超

摘 要：純電動重卡包含動力電池熱管理、電機冷卻和空調等三套子系統 文章分析研究了各子系統的發展現狀 根據其基本原理和基本組成發現電池冷卻和空調制冷集成可實現零部件共用 電機冷卻和空調暖風集成可實現廢熱利用 為后續純電動重卡的熱管理研究提供了依據。

關鍵詞：純電動重卡;動力電池熱管理;電機冷卻;空調系統

中圖分類號：U469.72? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）18-14-03

Abstract： Electric heavy truck includes three sets of thermal management subsystems， such as battery thermal management system， motor cooling system and air conditioning system. This paper analyzes the development status of each subsystem. According to its basic principle and composition， it is found that the integration of battery cooling and air conditioning refrigeration can realize the sharing of parts and components， and the integration of motor cooling and air conditioning heating can realize the utilization of waste heat， which provides a basis for the research on thermal management of electric heavy truck.

Keywords： Electric heavy truck; BTMS; Motor cooling system; Air conditioning system

CLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）18-14-03

前言

目前純電動重卡是新能源重卡的主要發展方向 共有動力電池熱管理、電機冷卻和空調等三套子系統 關系到整車行駛的安全性、可靠性和人員的駕乘舒適性 因此熱管理也成為純電動重卡開發的關鍵技術之一。

1 動力電池熱管理系統

電池的適宜工作溫度一般為20℃～40℃ 其熱管理系統分為動力電池冷卻系統和動力電池加熱系統兩部分。

1.1 動力電池冷卻系統

動力電池冷卻目前有自然風冷、強制風冷、液冷、冷媒直冷、基于相變材料的冷卻、基于熱管的冷卻、基于熱電元件的冷卻等技術路線。

相變材料是一種受外界壓力或溫度變化后發生相變 并利用自身潛熱吸收和釋放能量 保持自身溫度恒定不變的儲能材料。其相變儲能過程不需要消耗能源 被廣泛應用于多種能源行業。

熱管是一種不利用外部動力提供功率的情況下自發工作的裝置 即使在較小的溫差下 也能利用相變傳熱 在較遠的距離內高速輸送大量的熱能。其結構緊湊、形狀靈活、使用壽命長、維護費用低 在許多高效率熱管理行業中得到了廣泛應用。根據熱管冷卻段的策略不同 可以分為風冷熱管系統和液冷熱管系統。

熱電制冷技術作為一種高效、低能耗的電子制冷技術 其熱電元件可分為兩大類 一類是基于Seebeck效應的熱電發生器（TEG） 它將熱能轉化為電能 利用余熱作為能源。另一類是基于Peltier效應的熱電制冷器（TEC） 它將電能轉化為熱能 實現冷卻和加熱。

目前動力電池冷卻多采用液冷的方式 其工作原理如圖1所示。

液冷電池冷卻系統主要由板式換熱器、電動水泵、電動壓縮機、膨脹閥、電動風扇、冷凝器、高壓預充、高低壓線束、各類傳感器、控制單元等零部件組成。控制單元根據電池管理系統的工作模式請求 按照設定邏輯控制電動壓縮機、電動風扇和電動水泵等工作 使動力電池始終在適宜的溫度范圍內工作。

1.2 動力電池加熱系統

動力電池在低溫環境下的充放電性能較差 故需對動力電池進行預熱。

目前主要有兩種加熱方式 一種是在動力電池冷卻系統中串聯PTC加熱器。PTC（Positive temperature coefficient正溫度系數）加熱器指采用陶瓷PTC電阻作為制熱元件的所有類型的加熱器 包括但不限于恒溫型PTC發熱器 風暖型PTC加熱器 水暖型PTC加熱器等。

另一種是在動力電池包中增加電加熱膜 其構造如圖2所示 電加熱膜分為金屬加熱膜、無機電加熱膜（包括碳纖維電加熱膜、油墨電加熱膜）和高分子電加熱膜。

目前多采用高分子電加熱膜的動力電池加熱方式。

2 電機冷卻

電機冷卻系統主要為驅動電機、電驅橋電機、上裝電機、電機控制器和多合一控制器等冷卻 采用強制液冷的冷卻方式 其基本原理如圖3所示。其中散熱器和柴油車的散熱器類似 電動風扇和電動水泵的工作電壓為24VDC 未來應會發展高電壓的電動風扇和電動水泵。

電機冷卻控制單元根據散熱器進出水口溫度、環境溫度等 按照預設邏輯控制風扇轉速、水泵轉速等 使冷卻液始終維持在合適的溫度范圍內。

3 空調系統

純電動重卡的空調系統主要包括制冷和暖風兩部分 其冷源、熱源和其他能源都來自動力電池。

3.1 空調制冷

空調制冷采用電動壓縮機作為動力源 其工作原理如圖4所示。

空調制冷系統主要由蒸發器、電動壓縮機、膨脹閥、電動風扇、冷凝器、高壓預充、高低壓線束、各類傳感器、控制單元等零部件組成。其工作原理和液冷電池冷卻類似 因此可考慮將二者集成設計 通過共用零部件來降低開發成本。

3.2 空調暖風

空調暖風目前有兩種方式 一種是利用風暖型PTC加熱器直接加熱空氣 結構簡單、熱效率高 但有一定的安全隱患;另一種是利用水暖型PTC加熱器加熱冷卻液 再通過冷卻液加熱空氣 可沿用柴油車的暖風芯體 成本低 熱效率較低。目前多采用風暖PTC加熱的方式 其工作原理如圖5所示。

空調暖風未來可采用綜合電機廢熱利用和風暖/水暖PTC加熱的方式 減少動力電池的電量消耗。也可利用熱泵空調技術 其工作原理如圖6所示。

4 結論

純電動重卡整車熱管理包括了動力電池熱管理、電機冷卻和空調三個子系統 根據各子系統的基本原理和基本組成發現電池冷卻和空調制冷集成可實現零部件共用 電機冷卻和空調暖風集成實現廢熱利用 可有效降低純電動重卡的開發成本、降低動力電池的電量消耗、提高車輛續駛里程 為后續純電動重卡的熱管理研究提供了依據。

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