浅析新能源汽车集成化冷却系统设计原理

段梦杰、李会波、范光远、赵高霞

曼德电子电器有限公司保定热系统分公司 河北省保定市 071000

摘要：近年来，随着全球石油存储量越来越少，环境污染越来越严重，此时新能源汽车的出现较好解决了这些问题，它凭借国家政策导向、政府新能源补贴、绿色节能环保、噪音小和出行成本低等因素逐渐进入了人们的视线。目前新能源汽车正处于高速发展的阶段，虽然面临充电、安全等许多问题，但随着石油的减少和大气污染的严重化，以及国家对新能源汽车的大力支持，新能源汽车发展将是大势所趋。

关键词：新能源汽车；集成化冷却系统；设计原理

1重要性

新能源汽车是指除汽油、柴油发动机之外的所有其它能源车辆，主要包括：燃料电池电动汽车、纯电动汽车、油电混合动力汽车、氢发动机汽车和太阳能汽车等等。而在目前汽车市场上，纯电动汽车显然成为了新能源车的领头羊，油电混合动力和燃料电池汽车也占有一定的市场份额。随着技术的不断进步，汽车厂家通过提高续航里程、加大基础设施的投入力度，以及通过技术解决电池的充电速度、充电时间和电池的回收再利用等问题，以使得电池的安全、组成成分等问题得到了一定改善，这样看来，新能源汽车有望成为汽车发展的中坚力量。

2新能源汽车热源概况

按冷却需求部位划分，新能源汽车冷却系统主要分布于动力电池、驱动电机、电控元件和车载空调等。其中，由于动力电池和车载空调散热量大，是冷却系统的最大消耗用户。测试数据显示，传统燃油（气）汽车空调车载空调能耗约占整车能耗的10%-20%，新能源汽车车载空调能耗占比更高。此外，冬季时，新能源汽车通常使用PTC加热，加剧电量损耗，大幅降低新能源汽车的续航里程，属于宏观上热管理范畴。因此，效率较高的车载热泵系统在新能源汽车车载空调具有巨大前景。其次，新能源汽车动力电池系统是整车的能源，其工作环境温度过高或过低直接影响电池寿命和汽车的续航里程，甚至是影响人员和汽车的安全，因此，动力电池热管理要求更为严格。由于水冷具有换热系数大、换热效果好、冷却快，散热均匀，波动小等优点，当前新能源汽车通常运用水冷方式对动力电池加以降温冷却。其冷却原理为：新能源汽车运行时，水流经动力电池，通过对流换热方式将电池产生的多余热量带走，保证电池工作温度维持在合理范围。电机方面，与动力电池冷却系统类似，均采用液冷方式冷却。不同之处在于动力电池系统以水作为冷却介质，而电机冷却介质换成水-乙二醇混合液，在电机定子的外壁面通过冷却水套对流换热间接冷却。转到电控方面，随着5G和人工智能无人驾驶技术的发展，新能源汽车智能化程度日益提升，随之带来电控电子部件数量和种类大量增加，加剧冷却需求。液冷仍是大功率电控设备的主要冷却方案，小功率电子设备则需合理优化布局，创设低成本风冷情景，最大化自然散热效果。

3新能源车空调系统分析

3.1　燃料电池余热利用空调系统

燃料电池发电装置能够将化学能有效转换为电能，借助燃料与氧化剂实现，转化效率高，其余转化为废热与温水、蒸汽。燃料电池属于动力源，利用能源效率比常规内燃机高，但燃料电池出现过热后，其性能、工作效率直接降低。对此，利用余热为车辆供暖，其经济性、能量利用率明显优化。综合考虑能源供应与性价比、生态环保等因素，研究结果表明氢是首选燃料。电解质种类多样，可分为熔融碳酸盐类，以及固体氧化物类等，其中质子交换膜燃料电池，工作电流相对较大，能量效率高，且可在数秒时间内完成冷启动，排出近80℃的废热，多以吸收式制冷空调系统为主，热泵启动热源，以燃料电池冷却液为主。对此，吸收式热泵发动机输出功率消耗低，熔液泵需消耗部分电能。同时吸收式热泵，其总需求电能相比压缩式热泵高。为满足城市公交与大巴空调制冷需求，加强了对吸收式制冷系统的创新，制冷剂以乙二醇和水为主，吸收剂以溴化锂为主，吸收式制冷系统热动力驱动，主要通过热管理系统主管热器，与制冷系统发生器的热交换实现。主换热器上设置旁通支路，并连接变频水泵，当燃料电池热量过高，且由空调制冷需求时，热量能从旁通支路给予，确保燃料电池始终保持适宜温度工况。同时电池辅助器与吸收器等电池热管理系统器件的冷却系统相同，车外风冷式换热器与冷却系统相通。燃料电池供暖系统的工作过程如下，截止阀打开后，使电池发动机处于工作状态，控制电池散热器，通过中间换热器，实现冷却液从发动机出口处流至进口处，由换热器热能沿着供暖管路持续向车内提供热风。

3.2　热泵式空调系统

热泵式压缩机是由独立式电机驱动，动力系统驱动电机，以及电动压缩机是由电池组供电，不会影响汽车运行安全性，同时也不会受到汽车运行的干扰。热泵式空调系统应用后，从车内顶部吸入新鲜空气，空气加热后，在挡风玻璃内完成除霜处理，并吹出热气，即在内部处理后由风道左右两侧吹出。不仅节省能耗，同时解决了车内湿度大，空气循环起霜等问题，确保汽车行驶安全性及舒适性。电动汽车热泵式空调系统由蒸发器完成除霜工作，由冷凝器提高空气温度，最后向车内提供热气，规避了结霜现象，不会影响汽车安全驾驶。在其基础上，电子膨胀阀受步进电动机驱动，合理控制阀门开度、制冷剂流量，以及出口空气温度等。制冷系统适用于40℃环境温度、50%相对湿度、27℃车室温度的环境条件，系统性能方面，1kW能耗，能够获取2.9kW制冷量。制热系统适用于25℃车室温度、-10℃环境温度，系统性能方面，1kW能耗，能够获取2.3kW制冷量。当处于低温工况时，PTC热敏电阻可发挥功用，能够完成加热处理，并控制空调制热效率，同时完成除霜工作。PTC加热装置，可通过车载蓄电池获取直流电，安装离心式风机，或轴流式风机，加强风道合理设计，可确保PTC发热器周围风速均匀，切实发挥装置发热性能。PTC元件的消耗功率与进出风口的风速、温度密切相关，发热量与风速呈正相关。

3.3冷却液温度过低

冷却液温度低于75摄氏度会导致发动机没有良好的工作状态，同时使燃油大大增加。冷却液温度过低主要是因为节温器失效，使冷却液不能进行合适的循环;其二可能是汽车本身的冷却液温度表或传感器失效;散热器的风扇不能正常工作或驾驶者本人没能提高档位。在车本身没有热车进行启动的时候，要使发动机快速运转，之后打开水箱查看冷却液的流动速度，如果流速非常大而且快，就表示节温器或阀门不能严密闭合，要及时更换节温器;如果冷却液温度不高，但是用手摸散热片的时候温度较高，再测量水温也是在正常范围值内，这样就要更换温度表或温度传感器;寒冷的冬天，我们要随时检查这些对冷却系进行散热的装置防止温度过低，车辆自身也要进行自身保温;随时检查风扇离合是与温控开关是否会过早的接合与关闭，如有异常应及时更换装置或进行维修;如果在没有热车的情况下，启动后风扇就转动，则是温控开关不能良好的根据温度控制风扇，要立刻更换，避免意外的发生。

结语

发展新能源汽车是上百年来汽车动力技术的重大变革，是对汽车工业长足发展的巨大驱动力，在发展的道路上遇到各种困难在所难免，但无论遇到什么样的困难，我们都必须明白，这是汽车工业发展的必经之路。相信随着技术的不断进步，新能源汽车的相关问题将会得到逐一解决，我们将会迎来一个绿色环保的出行环境。

参考文献

[1]陈帅,杜碧雪.新能源汽车空调控制系统研究[J].汽车与驾驶维修(维修版),2017(11):109.