冷熱循環(huán)下純電動(dòng)汽車集成管路探究
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摘要：電動(dòng)車采用高功率電機(jī)，各種元器件多且發(fā)熱較高，而受造型和尺寸影響，機(jī)艙結(jié)構(gòu)緊湊，電動(dòng)車的保安防災(zāi)就顯得十分重要，所以對(duì)電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和布局十分重要，文章通過(guò)對(duì)某電動(dòng)車的空調(diào)、電池、電機(jī)等部件的冷熱循環(huán)系統(tǒng)圖的分析，搭建一套最高效的冷熱循環(huán)系統(tǒng)模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)相關(guān)零部件、管線等進(jìn)行布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立一套最優(yōu)的管線布置，從而預(yù)留足夠的行李箱空間。
關(guān)鍵詞：冷熱循環(huán)；純電動(dòng)汽車；管路布置
在電動(dòng)汽車的布置中，冷熱系統(tǒng)的布置是重點(diǎn)，這也是電動(dòng)車和傳統(tǒng)燃油車的關(guān)鍵差異，電動(dòng)車的冷熱相關(guān)的零部件多，種類復(fù)雜，管線也很多，涉及到電動(dòng)車控制器、電機(jī)、加熱器及水泵等一系列零部件，所以在整車機(jī)艙及下裝的布置的時(shí)候，如何統(tǒng)籌地管控零部件的布置，定義零部件的管口位置是布置的重點(diǎn)，這不僅影響整車的性能，也對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生影響。文章基于某電動(dòng)車的冷熱循環(huán)系統(tǒng)布置，結(jié)合機(jī)艙布置研究，集成某些相關(guān)的系統(tǒng)零部件，可以減少支架和相關(guān)管線，控制成本、美觀機(jī)艙、節(jié)約空間，有利于機(jī)艙和下車體的相關(guān)管路布置。
1電動(dòng)車?yán)錈嵫h(huán)定義
1.1傳統(tǒng)車與電動(dòng)車熱管理差異
當(dāng)前新能源汽車尤其是純電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的根本性變化正在重塑汽車的熱管理系統(tǒng)架構(gòu)，熱管理系統(tǒng)已經(jīng)成為了新能源汽車相較于傳統(tǒng)汽車最大差異點(diǎn)，主要差異點(diǎn)如下：1）新能源汽車新增動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)；2）相比較發(fā)動(dòng)機(jī)，動(dòng)力電池、電驅(qū)電控系統(tǒng)要求更高級(jí)別和可靠的溫度控制；3）為提升續(xù)駛里程，電動(dòng)車需要進(jìn)一步提高熱管理效率。綜上所述，可見傳統(tǒng)的燃油車熱管理系統(tǒng)是圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)建的（發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)、水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，座艙制暖來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱）。因?yàn)榧冸妱?dòng)車沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)，空調(diào)壓縮機(jī)和水泵需電動(dòng)化，并采用其他方式（PTC或者熱泵）為座艙制暖。新能源汽車的動(dòng)力電池需要精細(xì)的散熱和加熱管理，相比于燃油車，新能源汽車新增動(dòng)力電池和電控、電機(jī)的熱管理回路，增加熱交換器、閥體、水泵及PTC等。
1.2電動(dòng)車相關(guān)件溫度要求
電動(dòng)汽車的冷卻性能考核尚無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，一般汽車制造商會(huì)要求在高溫、大負(fù)荷工況下，電機(jī)冷卻回路中的水溫低于65℃，電池最高溫度小于50℃[1]。電池適宜的工作溫度為25~50℃，超標(biāo)的環(huán)境溫度會(huì)嚴(yán)重影響電池包的性能，所以高效的熱管理系統(tǒng)是維持電池性能和安全性的關(guān)鍵所在，因此需要在高溫和嚴(yán)寒條件下，對(duì)整個(gè)電池進(jìn)行冷卻和加熱。電動(dòng)車沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)這一穩(wěn)定的熱源，冬天乘員艙采暖時(shí)需要高壓加熱器PTC（PositiveTemperatureCoefficient）提供熱量。目前常用的電池散熱系統(tǒng)主要有風(fēng)冷和液冷式[2]，隨著電池容量、功率提高，高效的液體冷卻已經(jīng)成為了主要的電池冷卻方式。
2布置輸入
2.1冷卻關(guān)鍵布置零部件
圖1示出純電動(dòng)汽車?yán)錈嵫h(huán)系統(tǒng)中常見的零部件，如熱交換器、四通閥、水泵及PTC等。冷卻系統(tǒng)的零部件的相關(guān)功能和布置要求如表1所示。
2.2純電動(dòng)車原理圖解析
該電動(dòng)車屬于2+2前后雙電機(jī)設(shè)計(jì)，冷熱循環(huán)一共有4條回路，電機(jī)回路、電池回路、空調(diào)冷卻回路及空調(diào)暖風(fēng)回路。相關(guān)回路如圖2所示，相關(guān)系統(tǒng)零部件功能如表2所示。其中回路1作為最重要的回路，負(fù)責(zé)給大三電中的電機(jī)、電控和小三電進(jìn)行冷卻，其中小三電是集成了OBD、DC\DC、PDCU3種功能。其中電機(jī)是油冷，冷卻水路通過(guò)電機(jī)自帶的板式交換器的熱交換進(jìn)行冷卻，前機(jī)艙的零部件屬于串聯(lián)，后機(jī)艙的零部件屬于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，整體可以進(jìn)行并聯(lián)設(shè)計(jì)，其中三通閥1可以看為一個(gè)節(jié)溫器裝置，當(dāng)電機(jī)等部件低溫時(shí)，回路1可不經(jīng)過(guò)散熱器裝置，可以看做一個(gè)小回路，當(dāng)部件溫度升高后，三通閥開通，回路2經(jīng)過(guò)低溫散熱器，可以看做一個(gè)中等回路?；芈?是對(duì)電池包進(jìn)行冷卻和加熱的回路[3]，電池包自帶內(nèi)置水泵，通過(guò)板式交換器1和空調(diào)的暖風(fēng)回路3和冷凝回路4進(jìn)行冷熱交換，當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，暖風(fēng)回路3開啟，通過(guò)板式交換器1對(duì)電池包進(jìn)行加熱處理，當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，冷凝回路4開啟，通過(guò)板式交換器1對(duì)電池包進(jìn)行冷卻處理，這樣使得電池包一直處于恒溫狀態(tài)，功能上一直處于最佳狀態(tài)。另外回路1和回路2通過(guò)四通閥連接，四通閥不通電時(shí)，1和2兩個(gè)回路相互獨(dú)立，當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，當(dāng)通電后，回路1和回路2相互貫通，處于水路大循環(huán)狀態(tài)，水路1可以給水路2進(jìn)行加熱處理?；芈?和回路4都屬于空調(diào)系統(tǒng)，其中回路3是暖風(fēng)系統(tǒng)，因?yàn)殡妱?dòng)車沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)熱源，需要外部獲取熱源，回路3通過(guò)熱交換器2交換回路4中空調(diào)壓縮機(jī)壓縮產(chǎn)生的高溫高壓氣體產(chǎn)生的溫度，并且回路3中有PTC加熱器，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，可以通電加熱，加熱空調(diào)暖風(fēng)水管內(nèi)的水，回路3進(jìn)入空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)，吹風(fēng)提供暖氣，另外回路3使用三通閥2，不通電時(shí)，可以自身形成一個(gè)小回路，通電時(shí)，回路3通過(guò)熱交換器1對(duì)回路1進(jìn)行加熱。回路4是空調(diào)冷卻管路，除了和回路3有熱交換之外，此回路通過(guò)節(jié)流閥和前空調(diào)、后空調(diào)、回路2的熱交換器2對(duì)接，可以理解為3條小回路，節(jié)流閥對(duì)接的這3條回路都有電控截止閥，電控此路是否貫通。通過(guò)這樣1套冷熱循環(huán)系統(tǒng)，可以讓電池包正常充放電并且不影響電池包壽命，電機(jī)、小三電等一系列系統(tǒng)都能達(dá)到很好的降溫效果。
3電動(dòng)車管路布置要點(diǎn)
3.1零部件集成要點(diǎn)
在原有冷熱循環(huán)圖的基礎(chǔ)上，可以考慮采用局部零部件的集成處理。特斯拉車型熱管理系統(tǒng)對(duì)比如表3所示。此件集成了側(cè)面的2個(gè)水泵、切換閥、換熱器、膨脹閥、五通閥門以及冷卻液壺。五通閥控制各回路之間的耦合關(guān)系，是熱管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同工作模式的核心部件，是熱管理的中樞機(jī)構(gòu)，此件可以實(shí)現(xiàn)電池冷卻回路和電驅(qū)冷卻回路的串聯(lián)，也可以通過(guò)電機(jī)堵轉(zhuǎn)制熱幫助電池升溫，特斯拉Model3的冷卻系統(tǒng)高度集成提升了零部件的模塊化程度，如圖3所示，減少了管路用量，也節(jié)省了布置空間，值得推廣借鑒。
3.2車型零部件集成要點(diǎn)
基于之前的基礎(chǔ)原理熱循環(huán)圖，可以參照特斯拉車型進(jìn)行優(yōu)化，可以做一些簡(jiǎn)單的集成化處理，如表4所示，如將水泵和水室集成為一個(gè)，三通閥和四通閥等集成處理，這樣一些處理可以減少支架和相關(guān)管路的數(shù)量，也能最大的化的節(jié)約空間，降低布置的難度。
3.3布置效果點(diǎn)檢
如圖4所示，經(jīng)過(guò)集成優(yōu)化后，做橫梁進(jìn)行固定處理，相關(guān)件都盡量布置在橫梁上，管路盡量沿著橫梁進(jìn)行布置，布置完畢后，節(jié)約出來(lái)的空間做行李箱結(jié)構(gòu)處理。
4結(jié)論
電動(dòng)汽車具有良好的發(fā)展前景。采用不同的方法關(guān)聯(lián)配合電動(dòng)汽車上的熱管理系統(tǒng)，合理進(jìn)行熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以提高能量的利用效率，增加車輛的續(xù)駛里程。文章通過(guò)詳細(xì)分析，通過(guò)多個(gè)三通、四通閥集成后，進(jìn)行冷熱循環(huán)控制、大小循環(huán)控制，結(jié)合熱管理圖優(yōu)化設(shè)計(jì)階段管線布置，滿足保安防災(zāi)要求，也同時(shí)總結(jié)了純電動(dòng)汽車機(jī)艙保安防災(zāi)問(wèn)題的管線的相關(guān)布置方法及注意要點(diǎn)，值得推廣到后續(xù)的車型開發(fā)項(xiàng)目。
參考文獻(xiàn)
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[3]宋峰偉，蘇楠，范浩.一種電動(dòng)商用車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J].設(shè)計(jì)研究：2020（17）.
作者:宋瀚 周松濤 許洋洋 王稼 單位:東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心