純電動汽車熱管理的案例
基于AMESim的純電動汽車熱管理系統的優化設計 附AMESim優化過程基礎操作及DOE&遺傳算法G
基于AMESim軟件建立了完整的純電動汽車的熱管理系統模型，并通過整車實驗驗證了模型的正確性．在此模型的基礎上，本文分別對水冷系統、高溫環境下的熱管理系統及爬坡工況下的熱管理系統進行了優化設計，并對熱管理系統的控制策略進行了優化，使熱管理系統能適應不同工況和環境溫度的整車熱管理要求．本文基于AMESim軟件對純電動汽車的熱管理系統進行優化設計的方法為研究和開發純電動汽車的熱管理系統提供了思路和參考。
0引言
純電動汽車是未來汽車發展的重要方向，也是目前發展最快的新能源汽車之一．為了系統地研究純電動汽車的能量流動，需要對它建立完整的熱管理系統．這不僅是汽車零部件散熱的需求，更是提高整車能源效率的重要手段．
本文利用AMESim軟件搭建了一套比較完整的純電動汽車熱管理系統的仿真模型，并通過實驗驗證模型的正確性，并在此模型基礎上對整車熱管理系統進行優化設計．
1純電動汽車熱管理的要求
本文研究的純電動汽車的參數如表1所示．
本文研究的整車熱管理系統主要包括兩部分：電動汽車前艙水冷系統和電池包風冷系統．其中水冷系統的結構如圖1所示。
展開 【熱管理】某純電動汽車空調采暖系統的仿真優化
中國為了適應社會可持續發展的需求，提出了向新能源汽車轉型的相關政策，例如雙積分法等。在此環境下，國內各大車企對純電動車型的研究投入達到了前所未有的高峰。純電動汽車的發展與應用成為了當今環境下不可阻擋的趨勢。眾所周知，純電動汽車在低溫環境下沒有發動機提供熱源，大多車型應用PTC進行制暖。國鐵楓設計了一款電動汽車，該車型使用了PTC水暖加熱系統。由于PTC為大功率耗電部件，制暖時對整車的動力性以及續航里程產生了一定的威脅，通過對策略的優化改進可以提高PTC制熱時汽車的經濟性。朱成等對低溫環境下影響純電動汽車的續航里程的相關因素進行了深入研究分析。張子琦對熱泵空調系統的傳熱結構進行了研究，通過優化換熱結構能改善系統的能耗。
曹曉玉通過AMEsim軟件建立空調系統模型，研究發現環境溫度對系統能耗有較大的影響。朱波等利用電機余熱作為輔助熱源，通過優化加熱器的控制策略得到了較低的系統能耗。楊君提出水暖PTC加熱器功率的自動化線性調節，通過精確化控制精度降低能耗。本文基于某公司某純電車型的開發項目，對控制策略進行了優化，增加了對電驅余熱的利用，通過AMEsim軟件與Matlab聯合仿真驗證了該優化模型的控制效果。
1
低溫熱管理制熱系統
本文中低溫熱管理加熱系統包括對乘員艙、動力電池的加熱。其加熱結構原理如圖1所示。
展開 純電動汽車電池熱管理技術研究
通過這些問題的研究分析，希望解決目前純電動汽車電池組的安全問題，同時提高電池組的動力性能，使得電池組的使用壽命變得更加長，這對于新能源混合動力汽車的推廣和產業化有非常重大的現實意義。
作者：趙學棟
豫新汽車熱管理科技有限公司
純電動汽車動力電池低溫充電熱管理試驗研究
隨著電動汽車市場從一線及大中型城市向中小城市不同氣候地區延伸，需要滿足高溫、低溫以及一些較惡劣環境工況的使用要求。對于用戶而言，汽車動力電池低溫充放電受限問題的影響尤其明顯。要滿足低溫環境中車輛動力電池使用需求，首先要解決低溫充電功率小、充電速度慢、充電容量低的問題，這對純電動車輛電池及其熱管理系統提出了更高的要求。
1 電池低溫性能
某型號動力電池電芯，75%SOC電量，放置在80～－40℃可調的溫箱中進行測試，先將電芯保溫24h，使其溫度達到60℃，然后讓電芯從60℃逐級降到－30℃，測其直流內阻(DCIR)從1.5mΩ升至13.5mΩ，后半段電芯DCIR上升速率非常大，如圖1所示，隨著溫度逐步降低，其直流內阻將快速增加。
在低溫環境中，動力電池電芯隨著溫度的不斷降低，其充放電能力將快速下降，電池充放電容量也將快速減少。如圖2所示，控制充電截止電壓3.4V不變，測試某型電芯在不同低溫下的充電容量:在0℃時，由于電芯DCIR增大，充電容量下降到常溫(25℃)的95%，且比常溫充電時間長約0.15h;而在低溫－10℃時，由于電芯DCIR進一步增大，充電容量僅達常溫(25℃)的75%，且比常溫充電時間長約0.35h。
另外，低溫充電時，電池負極表面還容易析出金屬鋰，循環充電過程中，鋰金屬不斷循環生長，最終會刺穿電池隔膜，造成電池內部短路，不僅對電池造成永久性損傷，還會誘發電池熱失控，導致其使用安全性大大降低。
因此，實際車輛使用過程中，為確保充電的安全性，車輛BMS常采用低溫充電控制策略保護動力電池，即較常溫而言，降低充電電流和充電功率延長充電時間，一般為常溫充電時長的兩倍以上，且充電電量僅能達到常溫充電的60%～80%。
2 熱管理方案優化及驗證
某車型原采用PTC水加熱方式對動力電池進行加熱，如圖3所示。
展開 
一文讀懂電動汽車熱管理
《電動汽車熱管理（一）：為什么需要熱管理》
電動汽車的自燃事故相信已經是深入人心了，而自燃事故之所以會發生，原因不僅在于漏電或者短路這種電路上的問題，車上控制器的熱管理策略和熱管理回路設計都直接影響電動汽車的安全性。
當然，電動汽車自燃畢竟是少數事件，只不過透過這種事件可以讓每家車企和供應商的汽車事業部更加重視熱管理這個技術部門，畢竟大多數公司的動力總成部門還是以電池電機電驅為主力，熱管理為輔。
自燃的部分原因是過度發熱沒有得到及時的冷卻，那同時也還有一些其它場景的需求，是環境太冷而得不到及時的加熱，比如電池低溫預熱和座艙加熱，所以下文將分為加熱和冷卻兩個需求來分別聊聊電動汽車的熱管理需求。
加熱需求
加熱需求之一：座艙加熱
冬天，駕駛員和乘客在車內需要溫暖，這就牽扯到了熱管理系統的加熱需求。根據用戶在不同地理位置，對加熱需求也不盡相同。比如在深圳的車主可能一年都不需要開座艙加熱，而北方的車主冬天為了維持座艙內的溫度則消耗了大量的電池電量。
這些不同的需求也就導致了熱管理系統設計初期不同的定義，其背后的原因就在于不同市場的不同需求將帶來不同的熱管理選型，一個簡單的例子就是：同一個車企供應北歐的電動車可能用的是額定功率5kW的電加熱器，而供應赤道地區國家的可能就只有2～3kW甚至沒有加熱器。
除了緯度以外海拔也有一定影響，但目前還沒有專門針對海拔做區分的設計，因為保不準車主會開著車從盆地開到高原。
另一個最大的影響因素就是車里的人了，因為不管是電動車還是燃油車，里面的人的需求還是一樣的，所以設計的溫度需求范圍幾乎是照搬的，一般在16攝氏度到30攝氏度之間，也就是說座艙里制冷不冷過16攝氏度，制熱不熱過30攝氏度，覆蓋了正常的人體對環境溫度的需求。
展開 行業：電動汽車綜合熱管理
熱泵
2）二氧化碳熱泵大有可為
熱泵空調取代 PTC，已成為新能源汽車標配。熱泵空調系統按照制冷劑不同可分為 R134a、R1234yf 和R744（CO2 二氧化碳）等幾種類型。R744（二氧化碳）是最好的替代品之一。R744 的 GWP 為 1、安全等級為 A1，環保且安全。R744 制熱性能好，即使在-20℃下運行，COP 也能達到 2，明顯高于 R134a。但是由于 R744 沸點較低，制冷系統在工作時需要高壓力，增加了新的研發制造成本。考慮到環保趨嚴以及熱效率的差距，CO2 熱泵路線有望成為主流。
3.3 新能源熱管理系統集成化趨勢明顯
隨著汽車向電動化和智能化方向發展，整車能量管理內容增多，對汽車能量管理的要求也越來越高。從整車層面對各子系統進行能量統籌管理將成為電動汽車未來的發展趨勢。
04
行業展望
2022年中國新能源汽車熱管理系統市場規模約為410億元，同比增長97%，億歐智庫預測到2025年熱管理市場規模將達到938億元，其中純電動633億元，份額67%。隨著市場接受度的提高和規模化后制造成本的降低，2022-2025年熱泵熱管理系統在純電動中的占有率將從24%平穩增長到51%，其中2024年起CO2熱泵將逐漸在高端車型中滲透，并帶動熱管理系統單車價值的進一步提升；少部分高端插混和增程車型也將把熱泵標配化，以改善純電動模式下車輛的熱管理效率。
展開 新能源電動汽車水冷電機散熱理論熱設計與熱仿真管理分析
如圖所示，模型預測的熱阻結果與實驗數據吻合較好，驗證了表1和表2所示的實測構件熱性能和接觸電阻值。同樣值得注意的是，模型捕捉到了在最低流速下熱阻值的急劇增加。
圖8熱路徑
然后利用該模型計算了從內槽襯板到冷卻劑的溫度分布。如圖8所示的溫度剖面用于確定定子內部的主要熱瓶頸。圖8顯示無源堆棧組件(從槽襯到狀態到冷卻夾套界面)是定子內部的主要熱阻。此外，槽形繞組與定子之間的界面是無源堆中最大的熱瓶頸。因此，提高電機的熱工性能需要提高槽繞組與槽襯之間、槽襯與定子表面之間的接觸電阻。提高樹脂的導熱性，提高樹脂將槽襯與定子表面粘結的能力，應可降低這種熱阻。
針對上面所提到的有關電機電機水冷部分，我們開發了本程課，新能源電動汽車水冷電機散熱理論熱設計與ANSYS ICEPAK熱仿真課程，本教程以一款新能源汽車的15.5KW無刷FOC控制水冷電機的理論設計過程與散熱仿真過程為例，通過從設計參數的整理為基礎，講解根據電機的損耗參數去如何選取水冷管道的開口面積，依據水冷管道的開口，再結合電機的相關參數，通過理論方法設計整機的水冷管道的換熱系數與冷卻面積的匹配。再根據相關的計算結果參數進行整機的散熱設計，依據整機的傳導路徑熱阻等，通過迭代計算出整機的散熱面積，從而進行相關的結構設計與整機水冷系統的設計。
待電機設計完成，進行相關的校核，再利用ANSYSICEPAK進行整燈的熱仿真視頻教程，熱仿真視頻教程通將整機從CAD軟件的3D模型簡化開始，到通過WORKBENCK 導入到ICEPAK軟件內，在ICEPAK軟件內完成相關模型的物性設置，軟件仿真邊界的設計置等等......
展開 電動汽車動力電池熱管理技術
電動汽車動力電池熱管理技術
整體熱管理——電動汽車出行的成功關鍵
隨著電動新能源汽車的發展，馬勒充分意識到電動化是汽車行業發展的未來。因此，馬勒制定了“雙軌戰略”，即在鞏固現有市場地位同時開拓面向未來可持續發展的創新技術。
在高效內燃機領域馬勒提供優化效率的發動機零部件產品及降低油耗和排放的發動機外圍產品。而隨著電動化的快速發展，馬勒的汽車電子和機電一體化事業部和熱管理事業將發揮其重要的作用。
其中熱管理系統貫穿傳統內燃機到電動汽車的發展。就電動汽車而言，為實現快速充電和提高續航里程，熱管理將會成為關鍵性的技術。
馬勒中國區熱系統開發經理 賈宏濤
電動汽車熱管理的挑戰
首先在冬季，電動車的續航里程會有很大的衰減，這是用戶最大的一個痛點。第一是沒有免費的熱源，第二是電驅的發熱量，現在電驅都是很高效的，本身產生的熱量就比較低，它的溫度又低，所以電動汽車很難像傳統內燃機一樣，直接用冷卻液通到里加熱。
第二個挑戰，隨著電動車的普及，用戶對補能是越來越關注的問題——希望電動車的充電時間越來越短，從普通的慢充到快充，到現在很多汽車廠家，包括供應商在發展的超級快充，能夠在15分鐘以內或者10分鐘以內，就能充60%甚至80%的電，這樣的話，未來電動汽車出行就沒有了里程焦慮。
第三個挑戰，隨著充電功率的越來越高，電池內部產生的熱量越來越高，這樣電池的溫度會急劇上升，這樣對電池的耐久性、對電池的充電效率都會受到很大影響。
展開 淺淡電動汽車電池系統熱管理技術
電動汽車專用PTC 動力電池硅膠加熱膜 PTC由于使用安全、熱轉換效率高、升溫迅速、無明火、自動恒溫等特點而被廣泛使用。其成本較低，對于目前價格較高的動力電池來說，是一個有利的因素。但是PTC的加熱件體積較大，會占據電池系統內部較大的空間。絕緣撓性電加熱膜是另一種加熱器，它可以根據工件的任意形狀彎曲，確保與工件緊密接觸，保證最大的熱能傳遞。硅膠加熱膜是具有柔軟性的薄形面發熱體，但其需與被加熱物體完全密切接觸，其安全性要比PTC差些。 中國科學院工程熱物理研究所胡學功研究員領導的科研團隊利用微槽群復合相變技術成功研制了超過120 Wh/kg高能量密度的電動汽車電池包熱管理系統(BTMS)樣機，微槽群復合相變技術是利用微細尺度槽群結構復合相變強化傳熱機理實現高強度傳熱，是目前國際上一種先進的被動式微細尺度相變強化傳熱技術。該成果解決了電動汽車行業存在的高能量密度電池成組單體之間難以保持均溫性的技術難題，其技術指標優于特斯拉（電池單體間的溫差≤±2℃），且成本優勢巨大，處于電動汽車行業內領先水平。電動汽車電池包微槽群熱管理系統 電動汽車電池系統熱管理技術發展方向
從國家對電動汽車扶持方向來看，電動汽車電池包熱管理系統必然朝著輕量化，高比能和高均溫性方面發展。科技部“十三五”規劃中也提出開展基于整車一體化的電池系統的機-電-熱設計，開發先進可靠的電池管理系統和緊湊、高效的熱管理系統，到2020年，應使單體電池之間的最大溫差≤2℃，電池系統的比能量≥210Wh/kg。
另一方面，十三五末，我國電動汽車保有量將達500萬輛，隨之產生大量廢舊動力電池，這為動力電池的拆解回收帶來大量工作。因此，在設計電動汽車電池包熱管理系統時，就應當考慮到電池包易拆解，無附加污染，實現電池包熱管理系統的綠色設計。
展開 電動汽車綜合熱管理系統實驗與數值模擬研究
來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
電動汽車在緩解氣候變化和排放污染問題方面發揮著重要作用。鋰離子電池作為電動汽車的動力源和儲能系統，具有高電壓、高功率和能量密度、長循環壽命和高安全性的優良性能。然而，大量研究和實例已經證實，受環境溫度影響，電池的循環壽命和充放電倍率面臨著嚴峻的挑戰，例如，長時間的高溫可能導致電池熱失控和火災安全事故，因此，增強散熱和冷卻電池的高效熱設計是電動汽車的一項必要技術。然而，目前電池熱管理仍然難以在所有氣候條件下同時兼顧散熱和低溫加熱功能。
電池熱管理系統可以實現熱量的有序管理，是解決當前電池面臨的挑戰的有效技術手段。例如，為了提高電池在低溫下的電化學性能，先前的研究已經開發了多種加熱策略，主流技術可分為內部加熱方法和外部加熱方法。當前，我們應該進一步揭示低溫加熱過程中對電池電化學性能恢復和內部傳熱的影響。熱管理系統是電動汽車的關鍵系統組件，具有低溫加熱和高溫散熱雙重功能的開發設計將是未來電池熱設計的重要趨勢。
02
成果掠影
近期，河北工業大學能源與環境工程學院饒中浩教授團隊提出了一種集成電池熱管理系統（IBTM），它包括散熱和低溫加熱功能。在一體化結構設計中，復合相變材料由于潛熱大，CPCM（CPCM）具有很強的吸熱能力，而薄的聚酰亞胺加熱膜（PHF）可以方便地組裝到電池模塊中。實驗和仿真結果驗證了采用連續脈沖預熱結合電池低功率自預熱的加熱策略，電池模塊的電化學性能可以獲得良好的可恢復性。與常溫10℃相比，充放電電池模塊容量分別恢復至92.1%和93.3%。
展開 
電動汽車電池熱管理風冷與液冷
鋰離子電池包熱管理的要求是根據鋰離子電池發熱機理,合理設計電池包結構,選擇合適的熱管理方式,合理設計熱管理策略,保證電池包內各個單體電池工作在合理溫度范圍內的同時盡量維持包內各個電池及電池模塊間的溫度均勻性。
動力蓄電池熱管理系統(BTMS,Battery Thermal Management System)對純電動汽車在各種環境下的動力性有至關重要的影響。通過研究分析鋰離子電池產熱原理,BTMS傳熱冷卻方式,及風冷散熱和液冷散熱方案的比較,說明液冷散熱效果好于風冷,液冷散熱將是未來適合復雜工況的大功率鋰離子動力電池熱管理的重要研究方向。
動力蓄電池作為純電動汽車的動力來源,是提高整車性能和降低成本的關鍵一環,其溫度特性直接影響電動車的性能、壽命和耐久性。鋰離子電池因比能大、循環壽命長、自放電率低、允許工作溫度范圍寬、低溫效應好等優點是電動車目前首選的動力電池。鋰離子電池包熱管理的要求是根據鋰離子電池發熱機理,合理設計電池包結構,選擇合適的熱管理方式,合理設計熱管理策略,保證電池包內各個單體電池工作在合理溫度范圍內的同時盡量維持包內各個電池及電池模塊間的溫度均勻性。由于電池組中單體電池是互相串聯的,任何一只電池性能下降都會影響電池組的整體表現。溫差為5℃、10℃、15℃時,相同充電條件下電池組的荷電態分別下降10%、15%、20%。
鋰離子電池熱特性
電池在充放電過程中都會發生一系列化學反應,從而產生熱反應。鋰離子動力電池的主要產熱反應包括:電解液分解、正極分解、負極與電解液的反應、負極與粘合劑的反應和固體電解質界面膜的分解。此外,由于電池內阻的存在,電流通過時,會產生部分熱量。低溫時鋰離子電池主要以電阻產生的焦耳熱為主,這些放熱反應是導致電池不安全的因素。電解液的熱安全性也直接影響著整個鋰電池的電池動力體系的安全性能。
展開 動力電池熱管理：如何守護電動汽車心臟的冷暖
電動汽車自燃的新聞，很大一部分原因就是動力電池溫度過熱，燒起來了。在工程上，一般認為動力電池的工作溫度最好在40℃以內。那么如何保持這個溫度呢？
汽車電機的工作需要三四百伏的高電壓，動力電池是由很多鋰離子電芯，通過串聯和并聯的方式來提高電壓和容量。比如用100個3.7伏的鋰電池電芯串聯，就能得到370伏的電池。不同品牌不同類型的電動汽車，電池組成方式可能不一樣，有的電芯是片狀的，有的是圓柱形的。
例如下圖的電池就是由很多個圓柱電池組成的，組裝后成為一個電池包整體裝到車上。串聯加并聯，一輛車的電池包可能包含上千個電芯，很壯觀。
這些電芯放電工作時都是發熱源，如果控制不好就會導致電池包溫度過高，燃燒起來。所以及時將這些熱量散出去，就極其重要。
散熱方式有的是通過風冷，用風扇對著電池包吹，優點是散熱結構相對簡單，缺點是從前往后的散熱效果會越來越差。
空氣剛進入電池包時，溫度比較低，散熱效果好。但是空氣邊流動邊吸熱，溫度慢慢就升高了，流到后面已經是熱空氣了，散熱效果肯定會下降。
另一種方式是通過液冷散熱，費用比風冷高，但液體的熱容和換熱能力比空氣厲害多了。用了液冷，有的要在風扇的基礎上再加個泵，抽著冷卻液循環轉起來。有的可能還會加壓縮機和換熱器，例如家用空調。不同品牌和類型的電動汽車，電池包散熱結構可能都會有些不同，有自己的設計和巧思在里邊。
本案例仿真模擬的電池包，它的散熱方式是：這8個塊是電池，底部板是導熱板，左邊的長方形是散熱翅片簡化后的多孔介質。電池上面和側面部分都是絕熱的，下面與導熱板相連，熱量先傳給導熱板，然后導熱板再傳給前面的翅片。在電池和翅片中間有風扇，對著翅片向左吹，就將熱量散了出去。
展開 電動汽車動力電池熱管理技術解析
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基于制冷劑噴射熱泵的電動汽車高效集成熱管理系統
來源 | Energy Conversion and Management
01
背景介紹
為了應對氣候變化和當前的能源危機，大多數國家已經開始推廣更換傳統燃料汽車。電動汽車（EVs）具有零排放，零噪音的特性，因此受到廣大制造商的青睞。集成熱管理系統（ITMS）作為保證電動汽車最佳運行的框架，已受到越來越多關注。目前，對ITMS的研究大多集中在機艙和電池的溫度控制上，只有少數研究考慮了電機或電控制的熱管理。Kexin等[6]設計了一種基于單級壓縮熱泵系統（SCHPS）的ITMS，通過三通和電磁閥的開關，實現了電池和座艙的加熱和冷卻。特斯拉的Y型使用了一個復雜的ITMS，覆蓋了座艙、電池、電機和電控，該系統設置為多種模式，以確保各部件的溫度調節和系統的高效運行。但上述研究都是基于SCHPS的，這在一定程度上限制了系統效率。
02
成果掠影
近期，華南理工大學Jianghong Wu團隊通過對熱泵系統的實驗研究和電氣系統的熱分析，創新性地開發了一種基于制冷劑注入熱泵的高效集成熱管理系統，并利用工程系統仿真高級建模環境（AMESim）軟件搭建了系統仿真平臺，對系統性能進行評估。結果表明，基于中間熱交換器的電池冷卻穩定性和效率優于雙蒸發器設置，可以在 35 ℃ 的環境溫度下降低 30% 的能耗。電機熱回收及高溫電控熱管理系統可降低能耗11.98%～56.69%，滿足-22.04℃的供暖條件。基于制冷劑噴射熱泵的集成熱管理系統擴大了高速公路燃油經濟性測試 (EPA-420-B-12-001) 的運行范圍。
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