关于电动重卡热管理系统的研究

关于电动重卡热管理系统的研究

崔飞蝶

徐州徐工汽车制造有限公司 江苏省徐州市 221000

摘　要： 随着新能源汽车的发展，不仅广泛应用于乘用车，在重卡上的应用也越来越广泛。随着电动重卡在城市搅拌、自卸车上的应用，整车的热管理系统问题也越来越受到关注，驾驶室空调和电机、电池的温控系统的能耗也是急需解决的问题，如何能把整车热管理系统集成在一起减少整车能耗是后续的一个发展方向

关键词：新能源；电动重卡；热管理

一、引言

目前的电动重卡没有集成热管理系统，电动空调和电机、电池的温控系统是独立的状态，相互之间没有能量的转换和利用，这样就会导致能量的浪费。在电动车上，目前电池的电量还不是很大，虽然有电池换电系统，但是在冬季使用电池的衰减和整车取暖用电仍占着很大的比重，所以需要把这三个系统进行热管理系统集成，利用热泵、热回收实现废热转移、转化和低品质热的提升，解决冬天里程衰减的问题。

二、目前整车热管理系统状况

1.电机温控系统

电机温控系统主要由电子水泵、散热器、电控单元、膨胀水箱等组成，电机过热时，电控单元会控制电子水泵工作，将电机内的冷却液送到散热器散热，冷却后的防冻液再回到电机。

2.电池温控系统

电池的热相关问题是决定其使用性能、安全性、寿命及使用成本的关键因素。锂离子电池的温度水平直接影响其使用中的能量与功率性能。电池的适宜温度约在25~32°C之间，过高或过低的温度都将引起电池寿命的较快衰减。

制冷采用电池冷却器中冷媒与水换热，冷水流入电池冷板给电池冷却的方式，而电池加热采用系统中串联的水加热器（WPTC）加热系统循环水，再流入电池换热板给电池采暖，或者用电池自身的自加热膜来加热。

3.电动空调系统

电动重卡的空调和传统空调相比，只是把压缩机换成电动压缩机，冷凝器和电机冷凝器布置在一起，共用一个风扇散热。制冷模式的时候启动电动压缩机，通过冷凝器、膨胀阀、蒸发芯体给驾驶室降温。冬天制热模式的时候，一般用PTC制热或者WPTC制热。

目前重卡上的这三种系统都是独自工作的，在环境温度较低，但受工况影响电池需要进行冷却时，例如电池快充或车辆高负荷工况状态下，仍需要启动电动压缩机，通过冷凝器和电池冷却器对动力电池进行冷却，需要消耗更多的电能。此时驾驶室内需要取暖，而电池冷却散出的热量却无法在驾驶室内使用；

车辆在低温刚启动后，动力电池需要加热保温时，此时需要启动电池加热器（WPTC）进行电池加热，同时电机和电控系统会有散热需求，由于电机/电控系统和电池温控系统相互独立，彼此能量不能相互利用，造成能耗损失。电池、电机和空调的三个系统热量无法有效利用，就会导致能量的浪费，正常的续航里程得不到提升

三、集成热管理系统

根据以上情况，可以把电池、电机和空调的热管理进行整合在一起，做一个热泵空调，通过冷却液来对热量进行管理控制。热泵空调通过加热/制冷冷却液，然后将冷却液送到空调或者电池系统进行制冷或散热，同时利用电机的冷却液热量，来实现整个系统的能量利用，如下图所示。

热泵空调内设计相应的回路，通过特定组合阀来实现电池和驾驶室同时冷却/加热，或者一边冷却、一边加热；水路系统可以在并联或串联多模式内自由切换，实现不同温区的平衡。电池、电机和空调的水路，可以通过组合阀调整并联、串联等模式，根据整车运行的不同工况，通过控制及切换实现整车的各种加热/制冷模式，从而充分利用各个系统的能量。

在冬季，整车启动前，需要对电池进行加热，此时可以启动热泵空调，通过换热器对电池加热；等整车正常运行时，电池则需要散热，电机同时也会散热，则可通过组合阀调整，将电机和电池的热量送到驾驶室空调内，虽然电机和电池的冷却液温度达不到采暖标准，但仍可提高制热效率；

在寒区，整车运行期间电池可能都需要加热，此时可以通过组合阀调节，可以将电机内的热量送到电池内，以此减少整车的能耗。

在正常情况下，电机冷却液产生的热量虽不够整车取暖用，但仍可以通过热泵来提升制热，来达到废热的利用。同时可以附带PTC辅助加热。

将热管理系统进行集成后，可以充分利用电机、电池的散热，从而减少整车电池的用量，通过热泵空调冷却液热量交换，避免化霜造成的热量损耗；在冬季和过渡季节电池可以自然冷却，减少压缩机运行时间。通过组合阀的调节，可以实现热源在电机、电池和空气间的切换，大大提高了整车能量的利用率。

四、关于集成热管理系统优势的分析

热泵空调系统相比其他电动汽车空调系统能效比高。相关试验证明，在-10℃环境温度下的制热工况，电动汽车热泵空调系统的能效比（COP）仍可以达到2.1以上，在制冷工况下，电动汽车热泵空调系统的能效比（COP）也可以达到2.4左右^[3]；

整车主要的热源进行集成管理，充分利用废热，能够很好的缓解电动车冬天里程衰减的问题，通过能能模拟和实际测试，预计冬天车辆续航里程衰减量可以减少50%。

原本三个系统的三个散热可以共用一个散热器，空调系统只需要将原蒸发器换成散热水箱；电动空调和电池冷却模块的空调这样只需要采用一个，只是把空调功率提升，很大的节省了布置空间和成本，减轻了整车重量、噪音和振动。

五、结语

整车热管理系统在电动重卡上的应用还比较少，目前仍在验证中。整个热管理系统的重点在于阀路设计和控制管理，后续仍需要不断完善。整车热管理系统毕竟是后续的发展趋势，将一定会提高整车的热能量利用，减少电池续航衰减和提高舒适性。

参考文献

[1]刘海彪.电动汽车热泵空调系统制热工况的模拟研究[D].北京：北京理工大学，2015.

[2]姬园，胡凯，杜沛.电动汽车热泵空调系统可行性分析.郑州：海马轿车有限公司2009.

[3]陈通.纯电动汽车热泵空调系统性能研究及优化[D].中原工学院.2016

[4]钟会球.电动汽车空调累统仿真与实验研究[D].浙江大学动力工程，2012.