收稿日期:2013-10-17
作者简介：秦振海(1976-)，男，陕西渭南人，高级工程师，现主要从事电动汽车研发工作,E-mail:mrqinzhenhai ************；王佳(1975-)，男，陕西宝鸡人，工程师，硕士，现主要从事电动汽车研发工作；李隽杰(1971-)，男，陕西绥德人，高级工程师，主要从事电动汽车的研究论证工作。
增程式电动汽车专项热管理系统研究
秦振海1，王佳1，李隽杰2
(1.陕西重型汽车有限公司，陕西西安710043;
2.总装备部车船军代局驻南京地区军代室，江苏南京210037)
摘要：增程式电动汽车具有低成本、节油率高、低排放诸多优点。其热管理系统是保障增程式电动汽车在所有气候条件下有效运行，达到节能减排必不可少的。本文介绍各种已被采用和还处于研究中的冷却和加热方法，以此为基础，提出了热管理系统有待提高之处，为后续研究提供参考。
关键词：增程器；增程式电动汽车；冷却；循环；电池；加热中图分类号:U464.111文献标识码:A 文章编号:1003-8639(2013)12-0005-04众所周知，在涉及减少CO 2排放方面,
电动汽
车被公认为一种解决方案。然而纯电动汽车目前受动力电池比能量较小、价格高等因素的影响，续驶里程满足不了实际使用的需求。因此针对这一现状，提出了减少电池组的配置，加装一套由“内燃机+发电机”组成的车载发电机组，即增程器(也叫APU)，随时可为车辆补充电能，达到延长车辆续驶里程的目的。而增程式电动汽车的动力系统由增程器、驱动电机和动力电池构成，这些都直接影响车辆的动力性能和环保要求，特别是当不允许增程器的少量残余排放损坏电动汽车的“零排放”形象的时候更是如此。因此增程式电动汽车的动力系统就需要有先进的热管理系统。1
增程式电动汽车的结构
增程式电动汽车(E-REV)通常都搭载有动力电池组合一个由“内燃机+发电机”组成的辅助动力系统。增程式电动汽车、纯电动汽车和串联式混合动力汽车一样，都采用纯电驱动的方式工作，与插电式(Plug-in)混合动力汽车一样可以外接插电，车辆典型结构如图1所示。
2增程器的热管理
由于增程器是由“内燃机+发电机”组成的车载发电机组，增程器势必会产生少量残余排放，还有增程器的频繁起动以及将增程器冷起动阶段的排放降下来，因此，强化增程器废气排放系统，热管理控制系统起着重要作用。
2.1兰金循环方法的热能管理系统
为了满足电动汽车几乎趋于“零排放”的要求，对于装有涡轮增压装置的增程器，未进入废气涡轮增压器之前，增程器废气的温度为600℃，而经过涡轮增压器之后则降到450℃,
这种排出的废
图1增程式电动汽车典型结构
北京接受无车家庭申请指标
On the Special Thermal Management System of Extended⁃range EV
QIN Zhen⁃hai 1,WANG Jia 1,LI Jun⁃jie 2
(1.Shaanxi Heavy Duty Automobile Co.,Ltd.,Xi’an 710043,China)
雷克萨斯300Abstract :The extended⁃range EV have the merits of low cost,low fuel consumption and low emission.The thermal management system is significant and indispensable to ensure the operation of EV in all kinds of climate and to achieve energy saving and emission reduction.The cooling and heating methods already used and still in research are introduced as the foundation.Its improvement is proposed as the reference for future research.
Key words :APU (auxiliary power unit);extended⁃range EV;cooling;cycle;battery;
heating
. All Rights Reserved.
气在传统的放热过程中都不可能利用。为了有效利用这种热能，采用新型后置式(串联式)热量转变为动力的方法，即兰金(Rankine)循环可实现废气能量转变为动力。图2所示为增程器冷却系统的结构。由图2可知，冷却式废气再循环过程为:①定压下加热：利用排出的废气(450℃)通过蒸发器对兰金循环中的工作介质(水)进行加热，使水气化产生水蒸汽;②可逆性绝热膨胀做功：过热蒸汽进入汽轮机中膨胀，对外做功产生机械能，可以回收利用;③定压下冷却：在汽轮机出口，蒸汽处于低压湿蒸汽状态(称为乏汽)，此乏汽进入冷
凝器向冷却水放热，凝结为饱和水(称为凝结水);
④可逆绝热压缩：水泵消耗外功，将凝结水升压并
送回蒸发器中，完成动力循环。然后进入新一轮循环。
利用兰金循环，德国宝马公司开发出了汽油机
内置蒸汽机构“TurboSteamer”，在宝马3系列汽车
使用的1.8L 4缸发动机的基础上，试制了增加蒸汽
机构的发动机。在此系统中，采用了高温和低温两
个做功循环，工质分别是水和乙醇。研究结果表
明，发动机燃油效率、输出功率及扭矩分别提高了
15%、10kW 和20Nm。
2.2缩短预热阶段的热能管理系统及加热型催化
转化器
由于增程式电动汽车增程器频繁起动，当前面
临的挑战是低温环境下的冷起动，如何缩短冷起动
预热时间，降低能耗，又要将用作增程器的发动机
冷起动阶段的排放降下来或者完全消除。为此需要
全新的增程器缩短预热阶段的热能管理系统、加热
型催化转化器共同作用和控制策略来完成。增程器缩短预热阶段的热能管理系统主要包括：两个电控
阀、保温器和电动泵。首次起动车辆，接通钥匙开关，冷却水走主冷却管路，同时安装在增程器水道上的预热温度传感器电路接通，当冷却水温度高于95℃，环境温度低于-10℃时，关闭增程器，电控阀的1口和2口接通；由于保温器位于增程器的最下部，将高温的冷却水储存在保温器(保温效果可以达到3天之长)中，随后电控阀的1口和2口断开。如果关闭增程器之后，冷却水温度低于95℃或环境温度高于-10℃时，冷却水走原主冷却管路。当再次起动车辆时，接通钥匙开关，温度传感器探测到温度低于-10℃，起动预热电路系统电控阀1打开，电动泵开始工作，将储存在保温器高温的冷却水泵入冷却回路中，起到缩短预热的作用。结果表明，与其他新能源车相比，该系统可以节约5%的燃油消耗，降低HC 排放10%,CO 排放减少20%；可以缩短增程器暖机、空调制冷和驾驶室升温的时间；该系统还具有良好的后加热功能，即车辆停机后，可以在环境温度为-20℃时保持驾驶室温度30min 基本不变。此系统已经广泛应用于丰田公司的Prius 和大众公司的Golf 新能源车型。研究表明，在冷起动时，如果催化转化器本身没有采取加热措施，或者没有采取充分的加热措施的话，总的排放中还是有80%左右是在冷起动时形成的。一项改善催化转化器转化效率的有效措施是采用电加热催化转化器，见图3,
其能在增程器冷傲卫
图3
电加热催化转化器的构造
图2采用Rankine 方法的带有废气热量应用的增程器冷却系统. All Rights Reserved.
图6液体冷却系统原理起动之前就将催化转化器加热到工作温度。为了减少热损失，一方面要将载体内部的热传导，尤其是往界面(壳体、端面)的热传输降低到最小限度；另一方面，还可以通过壳体外部区域的附加隔热进一步减少散热，增程器催化转化器采取的隔热措施如图4所示。
3
动力电池的热管理
动力电池作为增程式电动汽车的动力来源，其温度特性直接影响车辆的性能、寿命和耐久性。好的热管理系统，可以保证电池包内各个单体电池工作在合理温度范围内的同时，尽量维持包内各个电
池及电池模块间的温度均匀性。下面介绍目前常用
的电池热管理用到的方法。3.1动力电池的冷却3.1.1空气冷却
空气冷却法是一种“价廉物美”的冷却方法，如果电池模块周围空间允许，都会安装局部散热器或风扇，甚至还会利用辅助的或汽车自带的蒸发器来提供冷风，其原理如图5所示。该方法对电池的封装设计要求不高，电池在车上的布置位置不
受限制。对于电池数量不多的情况下采用空气冷却，可以把电池的温度控制在合理范围之内。Prius 采用的冷却风扇有4种工作模式：停止、低速、中速和高速，热管理系统根据电池包温度的不同使风扇以不同的模式进行工作。但对于大规模的锂聚合物电池来说，由于聚合物的热导率较低，故热传导的弛豫时间较长，所以仅用空气冷却是不够的。3.1.2液体冷却
整体式的液冷系统尤其适用于大模块电池，它既能使模块整体降温，又能实现单体间温度的均匀分布，且有利于电平衡。电池模块壁与传热流体之
海马汽车价格间的传热率取决于流体的热导率、粘度、密度和速率等。目前所用液体冷却系统原理如图6所示。GM 公司已研制出水冷型电
池热管理的电池封装模块。3.1.3相变材料冷却(PCM)
相变冷却机理是靠相变材料的熔化(凝固)潜热来工作，利用制冷剂液体(水、液氨、液体氟利昂等)在低压、低温下的气化过程或固体在低温下的熔化过程或升华过程：向被冷却的物体吸取气化潜热、熔化热或升华热，以达到冷却的目的。它可以把放电时发出的热以潜热的形式储存起来，在充电或在很冷的环境下工作时释放出来，是最有效的散热方式之一。相变材料由于其巨大的蓄热能力，开始被应用于动力电池包热管理系统。3.2动力电池的加热3.2.1电池内部加热
采用交流电直接对电池的电解液加热，只需要几分钟完全可以将电池从-40℃超低温加热到20℃。采用内部加热，加热效果明显，但其装置的体积大、质量重，实现装车使用困难，加热过程时电池电离，缩短电池的使用寿命。3.2.2电池外部加热板加热
外部加热板加热是指在电池顶部或底部添加电加热板，对电池加热时，将加热板通电，加热板的一部分热量通过热传导的方式直接传给电池，还有一部分通过周围被加热的空气以对流方式对电池进行加热。3.2.3珀耳贴效应热泵加热
珀耳贴效应指电流流过两种不同导体的界面时，从外界吸收热量，或向外界释放热量，通过改变电流的方向，可以实现加热或制冷两种功能，加热和制冷强度通过电流大小进行精确控制。依此原理开发出主动式电池热管理系统，可以有效地对电池进行加热和冷却，具有结构简单、温度控制精度高、能耗低等优点。
4
结束语
随着增程式电动汽车日益推广和保有量的增多，其热管理系统对于提高整车性能和使用寿命起到关键性作用。未来，如何利用增程器产生的废热与电池导出的废热一起加以回收综合利用，用于车用空调
系统，做到节能环保，也是增程式电动汽车热能利用的研究方向。参考文献:[1]杨胜.汽车热管理系统半物理仿真试验平台研究[D].
北
图4
采取隔热措施的增程器催化转化器
违章查询北京图5空气对流冷却法———利用外界和电池箱空气对流换热. All Rights Reserved.
京：清华大学,2004.
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附：补充说明
1)热管理系统热管理系统是从系统集成和整体角度出发，统筹热量与发动机、电机、电池及整车之间的关系，采用综合手段控制和优化热量传递的系统。其可根据行车工况和环境条件，自动调节冷却强度以保证被冷却对象工作在最佳温度范围，从而优化整车的环保性能和节能效果，同时改善汽车运行安全性和驾驶舒适性等。整车某一动力总成来说，针对其运行情况有目的地进行加热或冷却，保证对象工作在最佳温度范围。
3)研究背景增程式电动汽车具有低成本、节油率高、低排放、基础设施投入少等诸多优点，在动力电池技术瓶颈尚未解决之前，是向纯电动汽车过渡的最佳技术方案，也是我国现阶段应用最多，大力推广的技术路线。而增程器和动力电池是增程式电动汽车的关键核心零部件，其热管理目前还处于研发起步阶段，热管理的优劣直接影响到车辆的动力性能和环保要求。
4)研究难点对增程器的研发还处于研发起步阶段，相关行驶循环中增程器开启和关闭的时间、当时的转速和符合相应的尾气品质流量、排放的有害物质的浓度、尾气温度和催化转化温度等，目前，这些基本的数据还没能够实时地进行测定，因此难以制定合理的控制策略。
北京限行尾号2023年3月份对于动力电池来说，电池内部的电化学反应很复杂，存在感应和共生的非感应的过程。不同的电池反应不同，因而有不同的充电热特性。电池内部传热特性(电化学反应与导热)与外部散热过程(考虑导热、对流、辐射)耦合分析，目前还没有一个很理想的模型和解决办法。(编辑文珍)