电动和混合动力车辆热管理

系统集成电动汽车越来越受欢迎,很少有评论员不预测在不久的将来(10到20年的时间框架内)电动汽车传动系统会有压倒性的发展。电池和燃料电池技术以及其他动力系统的不断进步,正在将一些优秀的车辆和动力系统推向市场。

这些持续的发展正在帮助显著减少车辆和机动性对环境的影响。与传统内燃机汽车相比,电动传动系统有几个关键的优势,如果你正在阅读这篇白皮书,那么你可能已经熟悉了,并且已经被其他作者广泛报道过。然而,对其主要特性的简要总结如下:

  • 消除汽车尾气排放,为改善城市空气质量提供了巨大潜力
  • 在燃料来源方面具有更大的灵活性,例如,用于BEV的可再生能源电网电力和用于FCEV的氢燃料电池
  • 减少噪音和振动
  • 提高了车辆的效率,将能量转化为运动的效率达到了80%,而内燃机的效率小于50%
  • 改进的扭矩传递能力的电力动力系统简化或消除需要的比率改变齿轮箱

例如,这些好处也有一些缺点;在内燃机汽车中,有大量的废热可以用来加热车辆的机舱,而电动汽车则不是这样。虽然车辆的主要目的是提供机动性,但保持乘客的安全和舒适是优先考虑的优先事项!目前的汽车设计并没有像建筑那样从热的角度考虑良好的舱室绝缘,因为在过去,用于加热汽车的热量是免费获得的。

电力传动系统可以实现更高的效率,这意味着更少的热量从动力传动系统在运行中被拒绝。例如,一辆典型的家庭轿车,其额定功率为100kW的柴油或汽油发动机将需要处理大约80kw的热负荷,冷却剂将被拒绝,排气系统将产生100kW的热负荷。在峰值条件下,等效的电动汽车可能需要处理不到15kW的热阻,可以相信这将大大简化冷却系统。

不幸的是,事实并非如此。在最近的一次会议上,有人引用了IGBT半导体设备(目前首选的高压电动和混合动力汽车驱动的开关设备)的热流通量与太阳表面在400w /cm左右的热流通量相同2起初,我对这一说法相当怀疑,但经过研究,数据是正确的[1][2]由于这个非常高的热流,由于较低的电子元件操作温度和较低的系统热质量,与环境的delta值较小冷却系统的挑战,带走关键部件的废热以及提供能量以使车辆的乘员保持在舒适的温度,这是相当大的挑战。

水泵WP29 2_square电气和电子设备对温度很敏感,如果在超过设计极限的温度下工作,就会损坏或严重退化,其使用寿命肯定会缩短。随着温度的升高,导体的电阻率会增加,磁场强度也会降低,因此热电子器件的效率通常也比冷电子器件低。

更高的功率密度电子模块和对良好的组件可靠性和效率的要求意味着需要通过系统的最小冷却剂流速,以防止由于涉及非常高的热流,冷却剂在散热器中的局部沸腾。这些流量将根据设备工作的负载而变化。当设备及其周围环境在设备运行时迅速加热和冷却时,高热流也会引起巨大的热应力。

热量从中排出的小体积导致了冷板的复杂设计,冷板往往具有高压降和非常小的流体通道。这会导致冷却系统很难正确加注,这意味着与内燃机的散热相比,需要一个功率相对更大的泵,泵功率越大,系统寄生损耗越高,因此确保设计高度优化就越重要。

电动汽车电池通常也有热管理要求。在车辆加速、减速和充电过程中,电流的流入和流出作为电流和蓄电池组及互连的内阻的函数在电池组中产生热量。与发动机和电力电子设备一样,电动汽车和混合动力汽车的电池对工作温度也很敏感。目前的电池技术通常需要在低温环境下加热。

因此,在冷却液流量控制不充分的情况下,也应注意不要在系统中引起热冲击。冷却液流量过大或不足都可能导致热冲击。系统温度剧烈波动会导致电子和储能系统部件过早失效。

箱外的系统通常包括一个液体冷却介质,一个电动冷却泵,如滚球体育app最新版狂热的WP29、热交换器如AVID的热管理系统和电动风扇等滚球体育app最新版滚球体育app最新版狂热的FiL-11.汽车设计师往往会惊讶地发现,由于低温梯度和其他考虑因素,电动汽车动力总成所需的热交换器和风扇布置实际上可能比传统汽车更大。

滚球体育app最新版狂热的热管理为了减少系统中的热应力和减少寄生功率消耗,冷却液泵和风扇转速应由系统或车辆液位控制器控制,例如滚球体育app最新版狂热的CANecu. 系统控制算法应采用多变量控制,以考虑泵输送的冷却液流量与电风扇冷却空气流量之间的相互依赖性,并保持电机和电子模块的稳定工作温度。关键控制变量是设备和冷却剂温度。车辆上的制动电阻、变速器油冷却器和其他装置也可能有额外的冷却要求。

除了热负荷和热流,另一个关键的考虑是内部(ItB)和外部(OtB)换热器本身的设计。通常情况下,ItB将使用嵌在冷板中的蛇形管或电机周围的冷却夹套,或针翅式施工方法。具有更有针对性的定子和转子冷却的新电机设计正在涌现,比如来自DHX.与典型的内燃机(ICE)相比,系统中的冷却剂通道的直径可以非常小。还有一种可能性是,发动机、电子设备和电池系统将比传统的ICE车辆更加分散。这意味着非常长的冷却剂管道运行,很少有机会增加系统“液压”头。在小直径管道和通道中,表面张力对冷却剂的影响,以及在更高流速下由于流体行为而导致的系统压降变化,都是一个重要的设计考虑因素。在这些系统中,在日常维护过程中,长管道的布线和排出系统中的气穴也会很成问题,通常需要专门的服务工具来排出和填充冷却剂系统。

对于乘客而言,早期的电动汽车使用PTC加热元件为客舱提供额外的热量。然而,这被发现是非常低效的,并有显著消耗汽车电池在寒冷天气的影响。例如,在一辆典型的中型汽车中,需要一个3到5kW的PTC加热器,对加热器的控制非常小。例如,日产聆风的电池组是24千瓦时[3]而特斯拉S型则是60到90千瓦时,具体取决于规格[4].完全加热的续航里程可能会减少30%,考虑到100英里的典型续航里程已经处于消费者预期的低端,这是非常不可取的。目前最先进的舱室加热系统是用热泵系统。这种热泵系统就像传统的反向运行的空调系统,或者建筑物中的系统,它们的性能系数(CoP)大于3来加热舱室。这意味着在满舱加热负荷的情况下,可以实现较小的范围内的减少,但如果需要满舱加热,其范围仍将在10%左右。改进乘客车厢的设计以改善热量分配、隔热和空气交换是一个日益增长的领域。

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总之,与内燃机应用相比,电动汽车和混合动力汽车的热管理难度很大。寄生损耗对于电动汽车来说更重要,因为电池的容量和成本相对于车辆的行驶里程是衡量所有性能的关键指标。因此,优化热管理系统的性能和效率是一项非常关键的任务。滚球体育app最新版AVID是重型高性能混合动力和电动汽车的先进热管理系统和电气化部件供应的市场领导者。我们的产品可以在当今市场上的许多领先的混合动力和电动汽车中找到。接触的滚球体育app最新版了解我们如何为您的电动汽车和混合动力汽车动力系统项目设计和制造先进的热管理系统。

太阳表面热流

[2] IGBT模块的热流

[3]日产Leaf电池规格

[4]特斯拉S型电池容量