如何“多快好省”的进行电动车热管理（下）

     从整车热管理角度而言，无论从结构或是功能需求角度而言，纯电动车都有其特殊的要求。作为新生事物，出现了各种不同的热管理方案。

    仅就动力电池而言，就有自然冷却、风冷、液冷、制冷剂直冷和相变材料等多种探索，车载热源也有风暖PTC、液暖PTC还有近年大热的热泵技术等等，还有电机废热利用、电机主动生热、储热罐等多种新尝试。多种方案排列组合，使得各种系统如雨后春笋、好不热闹。
    但无论多么热闹，从整车角度而言，电动车热管理系统的主要功能只是热量传递和温度控制。经过多年的技术迭代，以冷却水路循环为介质，达到热量传递目的的方案，正在逐渐成为主流。如前文所述，从其“二级传热系统”本质出发，讨论系统设计的基本原则，是提升系统能力特别是降低系统能耗的基础。

1.    乘员舱采暖系统

    不同于燃油车，电动车采暖需要消耗额外的能量，这是电动车低温续航里程下降的主要原因。下图所示为典型的水暖PTC系统示意图，实际上在乘员舱采暖问题上，最重要的问题即是内、外循环的工作模式。
 

   
    依据本文上半部分建立的模型，可以很容易的得到内、外循环工况下，维持相同的乘员舱极限平衡温度所需的加热器功率的关系：
 

    一般情况下，外循环气流的换热能力是车身外表面的1~3倍，因此外循环加热功率为内循环加热功率的2~4倍，其具体数值主要跟出风口风量相关。除了为乘员舱补充新鲜空气外，在低温采暖工况下、外循环的主要作用为防止乘员舱起雾，从而影响驾驶员视线。
    但是不同于燃油车，在电动车中这种数倍的采暖功率需求的差异，正在逼迫工程师们开启各种“脑洞”。其中最有效的方式，就是所谓的外循环混风模式，也就是在外循环模式下，为空调系统进风混合一部分室内空气，从而减少能耗的方法。另外，外循环采暖工况下，间歇性的开启内循环模式也是一种选择。但是这些方法在工程中还存在起雾、回风等一些问题需要解决。
    其它的改善采暖能力的潜力，存在于导热介质（水路循环）中。首先，如下图所示，减小水路的热容，可以在一定程度上提高前期升温过程的温升速度，但是不会改变平衡温度。
 

    另外，应用储热罐等装置，提升导热介质（水路循环）的初始温度，也可以得到类似的效果，如下图所示。

2.  动力电池热管理系统

有几个“怪”？

    一般情况下，锂离子动力电池的最佳使用温度为25~40℃，最大的使用温度范围不应超过-20~50℃，并且在低温情况下其性能会有很大衰减。对于电动车热管理系统来说，动力电池包是一个巨大的热容。当前，主流电动车的电池包热容一般可以达到45万J/℃以上，是乘员舱的数十倍。面对这样一个温度控制目标，其巨大的热容即是一种负担，同时也为热管理系统的节能提供了机会。
 

    以-20℃环境温度和电芯初始温度情况下的充电过程为例，假设系统的加热功率和电芯的自发热功率恒定，则可以得到电芯和传热介质（水路）温度及其变化速度在1h内的情况如下图所示。
 

    
    完整的温度变化过程由两部分组成，前期约5%的时间内为电芯加速升温、介质降速升温阶段；之后进入近似的恒定速率升温阶段。实际上，在绝大部分工作时间中温度变化近似为线性过程，是水冷电池包系统温度变化的普遍规律，这是由于系统的绝大部分热容都集中在电池包上所致。
    应用类似于改善乘员舱采暖能力的方法，改变导热介质（水路循环）的属性，同样可以改善电池包的温度控制。而且，由于电池包升温系统仅工作在准线性升温段，通过改变水路循环初始值，在加速升温段获得的电芯温度提升优势，可以几乎线性的维持在整个工作段内。只是，由于在常见的真实结构中，水路的热容有限，提升其初始温度对电芯温度的提升仅有1-2℃；如果应用固-液相变温度大约在80℃的材料，制作大热容的储热罐，其对电芯温度的提升将会更加明显。只是从重量、成本等因素考虑，这样做是否合算还需要评估。
 

    增加电池包外表面的隔热能力，是另外一种提升其温升速度的方法。并且，可以通过在电池包壳体内侧增加隔热材料的方式，方便的实现。但是，如下图所示，这种方式仅在加热过程后期才有明显的效果。并且，随着环境温度的提升，增加壳体隔热能力的效果还会明显的下降。
 

    另外，需要特别详细讨论的问题，是水冷板换热能力（即模型中介质换热能力）。工程上，不同的水冷板的结构和布置方式，主要通过改变其与电芯的接触面积，来改变换热能力。如果简单粗暴的理解，基本上更强的换热能力就意味着更复杂的结构、更高的成本和重量。
 

    实际上，在一定的范围内水冷板换热能力的大幅度变化，仅会导致水路和电芯平均温度的温差增大，并不会对电芯温升速度产生明显影响。在常规范围内，水温不超过90℃也不会影响加热器发挥其最大加热能力。实际上，水冷板换热能力较低的主要弊端，为电芯本身不同位置和电芯之间的温差过大。
 

    水冷板换热能力的真正制约，发生在电芯降温（散热）工况下。在目前国内主流的纯电动车设计中，电池系统散热的冷源来源于空调系统。双蒸空调系统的其中一个液体换热蒸发器，用于为电池水回流提供冷量。蒸发器间蒸发温度的差异过大，会为空调系统带来很多问题，并且会降低系统效率。因此，常规的设计中，该系统提供的最低水温应该为5-10℃左右，常规要求水温达到20℃以下。

  

    同升温过程类似，电池包的降温过程也接近于线性过程。实际上，即使是结构比较简单的单侧水冷板结构，也基本可以保证在大部分工况下维持电池包不过温。问题主要出现在，超级快充（充电电流接近2C）这样的极限工况下。

    上图，趋势性的展示了电池包降温过程的各种可能。在2C快充工况下，电池包的发热功率可能达到9KW甚至更大。最严苛的工况，为环境温度约40℃、同时电池包的初始温度也为40℃的情况。要满足这些严苛工况的要求，则空调系统需提供近10KW的制冷量，同时电池包水冷板还要在20~30℃温差的情况下，完成同等功率热交换。这对热管理系统的设计，将会是一个巨大的挑战，并且会引起成本的大幅度提升。
    但是，这种极端工况，却是一个小概率事件。
    解决该矛盾的可能性，在于合理的利用电池包的热容。也就是将电池包的初始温度，维持在25℃左右，在不更改硬件参数的前提下，则热管理系统基本可以维持充电结束后电池包温度在40℃左右。这一功能的实现，可以通过控制系统智能预测可能需要超级快充功能时，比如用户出现了查找超级充电桩的行为，系统则提前启动降低电池温度来实现。或者可以简单的定义一种超级快充模式，由用户自主选择。

3.    电驱动系统散热
汽车风阻开发的局限性

    电机及其控制器的散热系统，同发动机散热系统类似，是一种主动散热系统。从能耗的角度来说，该系统中主要包含水泵和风扇两个用电器。一方面，一般情况下水泵功率远小于风扇；另一方面，水泵开启除了散热外，还有利于减小电子部件之间的温差和部件的温度波动。因此，工程上主要考虑通过降低风扇能耗的方法，以实现节能的目的。
 

    为了要满足某恶劣工况而设计的散热系统，往往在大部分情况下都有一定的性能余量。在这些工况下，适当的关闭或降低风扇转速，可以节省能量。在简单的定转速风扇系统中，一般采用温度阀值控制方法，确定风扇的开启状态。因此，系统一般工作在风扇间歇性开启的状态下，其温度曲线为如下图所示的锯齿形曲线。

    系统升温和降温过程的非线性特征，为减少风扇开启时间提供了可能性。如下图所示，适当的提升风扇关闭的温度阀值，可以实现节能的目的。例如，在下图所示的情况下，将风扇关闭的温度阀值，从70℃提升至80℃，可以将风扇开启比例从55%降低到46%。并且，如果风扇关闭阀值被设置在65℃以下，风扇将可能不得不一直开启。
 

4.    小结

    开了这么多脑洞，最后总结一下。从能耗和合理化设计出发，纯电动车热管理系统的三个主要矛盾：
（1）    乘员舱的外循环比例对温度和能耗的影响。
（2）    电池包的巨大热容。
（3）    散热系统温度的非线性变化。
    合理的解决、利用这些矛盾，是纯电动车热管理系统设计的关键。