《电动汽车热管理(三)之水路部件》

传统发动机也有冷却水回路,但是新能源汽车的冷却水回路其实有很大区别。这一章来看一看新能源汽车上冷却水是怎么与各种执行器和传感器周旋的。
为了让每个散热回路的冷却液流动起来,当然需要一个泵。发动机由于发动机轴的旋转来带动机械水泵,而在纯电动汽车和混动汽车上由于冷却需求和电机轴转速解耦,因此使用电子水泵,满足更精确的温度控制需求。
电子水泵的水力部分和机械水泵没有太大区别,主要的区别在于电子水泵的电力驱动部分。电子水泵的旋转由直流无刷电机提供,电机功率从30W到150W不等,基本可以覆盖纯电动和混动的大部分车型和热管理架构,除了燃料电池电堆上会用200W及以上的水泵。也有一些水泵用有刷电机的,但是推荐使用无刷电机,寿命更长,噪音小。
《电动汽车热管理(三)之水路部件》-有驾
电子水泵的PCB印刷电路板上除了直流无刷电机驱动外,根据功能需求还可以加其它电路。电子水泵可以使用PWM控制或LIN总线控制(也有CAN总线控制的)。
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纯电动汽车上推荐LIN控制的电子水泵,因为纯电动汽车的热管理架构中使用的水泵和水阀一般较多,如果每个水泵和水阀都使用PWM控制则热管理控制器需要为每个泵和阀配置单独IO。而LIN总线上足够挂载纯电动汽车上使用的所有水泵和水阀(LIN可挂16个节点)。
根据车型的定位,智能的电子水泵和电子水阀也可以考虑使用,比如在中高端车型上,使用了智能热管理执行器也可以丰富这些功能:电压过压/欠压预警、PCB过热预警、水泵堵转监测、水泵过载预警、水泵空转检测等等。结合车联网功能,还可以在云端实时监测热管理系统的零部件,做到更具体的故障诊断、失效预判、寿命分析之类的高端功能。
水阀可以分为:单路开关阀、多路分流/汇流开发阀、多路比例控制阀。
多通道阀的阀芯也是由直流无刷电机带大减速比的旋转来实现回路的切换。水泵是一直在旋转,水阀只需要转到指定位置即可停止转动。如果是开关阀,可以在阀体旋转位置加上限位开关来实现开关的闭环控制,而针对比例控制阀则需要控制阀芯的旋转角度,可以使用位置/角度传感器来实现闭环定位控制,或者使用直流无刷电机本身换相用的霍尔传感器也可以实现指定比例开度的控制。也可以使用步进电机来控制阀芯的旋转,这样可以避开定位的问题,因为步进电机的步数可计算转角,不过步进电机也有丢步的问题需要解决。
基于不同的热管理架构,对阀的结构需求也不尽相同。特斯拉的八通阀就是个极端的例子。市面上用的最多的是单向开关阀和三路两通阀,单向开关阀就是控制单独回路的通断,两个单向开关阀用在并联回路里可以实现并联支路的选择切换。而一个三路两通阀即可代替这个功能。而且如果加上流量比例分配的功能,则并联回路的功能设计将更为丰富。
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在散热器回路里用上三路两通开关阀,可以选择冷却液是否需要走大循环经过散热器,或者在没有太大散热需求的情况下只需要走小循环,从而降低电子水泵的功率且达到更高的冷却液流速。这在发动机上可以用节温器直接实现指定温度下的阀的开关切换。
在加热回路里也可以用,假如说电池和车舱都是用同一个水热PTC来加热,由于车舱和电池在低温下都有加热需求但加热量大小不同,用上三路两通比例阀可以精确控制两者的加热量。
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特斯拉八通阀其实里面用到了四路两通阀,实现交叉回路切换的目的,比如原来的流向是:A->B,C->D,切换以后变成A->D,C->B。主要是用在冷热需求切换的场景,在热泵系统中尤其有必要,制冷的时候冷凝器上的热量要接到散热器回路吹掉,但热泵制热的时候冷凝器的热量就要接到车舱和电池的回路用来加热。
还有更复杂的五路三通阀,四路三通阀,各种奇葩构型,都是基于特定的热管理架构设计的,或者是把上面提到的三路两通和四路两通做各种各样的集成得到的。
油泵和水泵有一些区别,看下面这张表:
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目前华为推出的X合1方案使用的就是油冷电机,凭借油冷的散热优势,达到更高的车速和更多次的连续零百公里加速。
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但是毕竟油冷在整车系统上增加了较大的成本,而且油冷带来的性能提升也要在定位高端的车型中性价比体现得才毕竟明显,因此以后纯电动平台应该还是以水泵使用为主。
一般都是模拟量电压值对应标定的温度值,直接测量水路中的水温。对于电驱动系统和高压功率电子,一般设置在入口处,因为一般电驱动的设计要求是在入口65℃的水温情况下满足相应的扭矩转速工作点,电加热器也是如此,确保功率器件不会因为温度过高而造成输出功率限制。
下一代热管理集成模组可能会将温度传感器与电子水泵和电子水阀集成在一起,并配合模组自己的控制板,实现智能控制并将所有的信号通过LIN总线的方式与整车控制器VCU交互。
还有一些不易测量的温度可以用温度模型来估计,比如电机转子温度就可以用电机水套的水温结合电机台架上标定好的温度模型来估计,这种也可以称之为虚拟温度传感器。
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