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    新能源整车热管理(一):传统汽车空调系统和发动机冷却系统

      发布时间:2019-05-15 21:01

      新能源汽车的热管理除了传统的空调系统(HVAC)以外,还包括了电池热管理、功率电子热管理(包括电机、inverter、OBCM、APM等)、发动机热管理(对于混动车型)、变速箱冷却等方面。

      以内燃机为动力的汽车上,热管理主要分为为两大块,一块是汽车空调系统,主要用来保持乘客舱内适宜的温度。另一块是动力总车热管理系统,主要涉及发动机和变速箱的冷却。

      传统的汽车空调主要实现制冷和制热两大功能,另外还有除霜、空气净化等。一般夏天时制冷,冬天时制热,但是两种制热方式确实通过不同的管路实现的。简单来说,制冷主要通过空调压缩机(由发动机驱动)的制冷管路实现,而制热则是通过发动机冷却水散发的热量实现的。制冷与制热方式的不同导致其影响在新能源汽车上被放大,这在接下来的讲解中会进一步叙述。

      与家用空调的原理一样,汽车空调的制冷系统由五大主要部件组成。蒸发器布置在中控下面,直接与进入驾驶室内的空气接触;压缩机将蒸发器流出的汽体压缩成高压气体;冷凝器布置在车辆头部,与冷却风扇、散热器集成在一块,实现将管路内的热量散发到空气中;还有储液干燥器(起吸湿和过滤作用)、膨胀阀,他们之间一般采用金属管路或高压胶管组成一个封闭管路。管路内添加的是制冷剂,实现将热量从车内转移到车外。如下图所示。

      如下图所示,压缩、放热、节流、吸热四个过程组成了汽车空调制冷的循环。低压区(约0.2MPa)位于从膨胀阀出口到压缩机内部;高压区(约1.5MPa) 从压缩机排气口到膨胀阀入口。

      如下面“汽车空调制冷过程”图所示,空调压缩机将吸热后的气体制冷器压缩成高温高压的气体排出(环境温度为30℃时,制冷剂压力约1.5MPa,70℃)。高温高压气体在冷凝器中将大量热量散发到外界空气中,冷凝形成中温高压的制冷剂液体(制冷剂温度57℃,压力约15MPa)。接着制冷剂经储液干燥器中和经膨胀阀到达蒸发器,此时制冷剂为低温低压液体(制冷剂液体压力约0.2MPa,温度为0℃),容易吸收周围空气的热量。制冷剂吸热后变为气体(这时制冷剂气体压力为0.2MPa,温度约5℃)重新回到空调压缩机,整个过程循环进行。

      制热过程通过暖风装置来实现,暖风装置主要用来提高车内的温度与前挡玻璃除霜。如下图所示,发动机启动后散发的热量给发动机冷却水,热的冷却水循环到加热器芯体,而鼓风机将风吹过加热器芯体以加热空气,因此驾驶员能感受到出风口有热风。

      另外,与汽车空调相关的是车内风道和相关控制阀门的设计,主要实现出风口的位置,温度的调节等等,如下图所示。这部分不再细讲,感兴趣的同学可以查看相关的资料。

      动力总成热管理,主要是通过冷却液将发动机或变速箱工作过程中产生的热量带出,使二者的温度保持在一个合适的工作范围,以确保整个系统能高效地工作且避免因过热导致的部件损坏。发动机的冷却主要通过冷却液和润滑油实现;变速箱等的冷却主要通过润滑油实现。关于润滑油冷却本部分不做赘述,主要谈谈发动机冷却水的热管理。

      如下图所示,发动机冷却系统主要由水泵、散热器、冷却风扇、水箱、节温器、发动机缸体水套、气缸盖水套等部分组成。发动机的热管理主要可分为大循环和小循环;二者的切换通过节温器实现。

      1、散热器 2、5、冷却液温度传感器 3、冷却液补充口 4、节温器 6、暖风装置热交换器 7、暖风调节阀 8、冷却液/机油热交换器 9、变速箱油/冷却液热交换器 10、调节装置

      如下图1,在冷却液的温度较低时,节温器保持关闭状态,此时冷却液不经过散热器(减少热量损失)在发动机内部循环,以利于水温很快达到适宜的工作温度。如下图2,当发动机冷却液的温度超过一定值,节温器便会打开,使冷却水通过散热器散热,不至于使发动机水温过高。

      对于暖风装置(发动机冷却液为热源),其实物如下图所示。暖风系统中有一个加热器芯,也被称之为暖风水箱,是由水管与散热器片两部分组成,两端分别连接的是冷却系统的出口和入口。发动机高温冷却液进入暖风水箱,加热流经暖风水箱的空气,然后返回发动机冷却系统。

      从上述可知,对乘客舱制热过程来说,发动机冷却水作为热源是非常容易获得的。而对于新能源汽车,由于缺少这一稳定热源,给新能源汽车的续航带来了很大的影响。

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