基于三介质换热器的电动汽车热管理系统及其性能分析

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.11.002

摘要/Abstract

摘要：

电动汽车能实现节能减排与蓄能调峰，其推广应用对于我国“双碳”战略目标的实现具有重要意义。针对现有电动汽车热管理系统尚存在换热流程复杂、系统能效低、难以轻量化集成等问题，本文中提出基于三介质换热器的电动汽车热管理系统，通过样机实验测试建立了三介质换热器计算模型，并结合电动汽车负荷模型与热泵模型建立了三介质换热器电动汽车热管理系统性能模型，分析该系统在不同工况下的运行特性，并与现有典型热管理系统方案进行性能对比。结果表明，在夏季36 ℃、60 km/h工况下，三介质换热器热管理系统相较于现有的采用风冷冷凝器、液冷冷凝器的热管理系统分别节能2.3%、15.1%；在冬季0 ℃、60 km/h工况下，采用舱外、舱内三介质换热器进行余热回收时，分别比不采用余热回收的系统节能5.9%、19.7%。

关键词: 电动汽车, 三介质换热器, 热管理系统, 性能分析

Abstract:

The electric vehicle can achieve energy conservation， emission reduction， energy storage and peak shaving， which is of great significance for the realization of China's "carbon peaking and carbon neutrality" goals. For the problems of the current thermal management system for electric vehicles of complex heat exchange processes， low system energy efficiency， and the difficulty in integration and lightweight， in this paper， a thermal management system based on the three-fluid heat exchanger for electric vehicles is proposed. The calculation model of the three-fluid heat exchanger is established through prototype experiments and tests， and the performance model of the thermal management system of the three-fluid heat exchanger is established by combining the load model and heat pump model. Besides， the operating performance of the proposed thermal management system under different conditions is analyzed and compared with the existing typical thermal management systems for electric vehicles. The results show that the energy consumption of the thermal management system with the three-fluid heat exchanger is 2.3% and 15.1% lower than that of the existing air-cooled condenser system and liquid-cooled condenser system respectively at 36 ℃ and 60 km/h in summer. And the energy consumption of the thermal management system with the three-fluid heat exchanger in the outdoor waste heat recovery mode and indoor waste heat recovery mode is reduced by 5.9% and 19.7% respectively compared with the system without waste heat recovery at 0 ℃ and 60 km/h in winter.

Key words: electric vehicle, three-fluid heat exchanger, thermal management system, performance analysis

于天蝉,王源,石文星,梁辰吉昱,李先庭,岑俊平,罗敏. 基于三介质换热器的电动汽车热管理系统及其性能分析[J]. 汽车工程, 2023, 45(11): 2001-2013.

Tianchan Yu,Yuan Wang,Wenxing Shi,Chenjiyu Liang,Xianting Li,Junping Cen,Min Luo. Performance Analysis of a Thermal Management System for Electric Vehicles Based on the Three-Fluid Heat Exchanger[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(11): 2001-2013.

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参考文献 23

1	LI Z， KHAJEPOUR A， SONG J. A comprehensive review of the key technologies for pure electric vehicles［J］. Energy， 2019， 182： 824-839.
2	ZHANG X， XIE J， RAO R， et al. Policy incentives for the adoption of electric vehicles across countries［J］. Sustainability， 2014， 6（11）： 8056–8078.
3	International Energy Agency. Global EV outlook： catching up with climate ambitions［R］. Paris： International Energy Agency， 2023.
4	江亿，胡姗. 中国建筑部门实现碳中和的路径［J］. 暖通空调， 2021， 51（5）： 1-13.
	JIANG Y， HU S. Paths to carbon neutrality in China’s building sector［J］. Heating Ventilating & Air Conditioning， 2021， 51（5）： 1-13.
5	王文伟，孙逢春. 全气候新能源汽车关键技术及展望［J］. 中国工程科学， 2019， 21（3）： 47-55.
	WANG W W， SUN F C. Key technologies and prospects of all-climate new energy vehicle［J］. Strategic Study of CAE， 2019， 21（3）： 47-55.
6	王从飞，曹锋，李明佳，等. 碳中和背景下新能源汽车热管理系统研究现状及发展趋势［J］. 科学通报， 2021， 66（32）： 4112-4128.
	WANG C F， CAO F， LI M J， et al. Research status and future development of thermal management system for new energy vehicles under the background of carbon neutrality［J］. Chinese Science Bulletin， 2021， 66（32）： 4112-4128.
7	邹慧明，唐坐航，杨天阳，等. 电动汽车热管理技术研究进展［J］. 制冷学报， 2022， 43（3）： 15-27，56.
	ZOU H M， TANG Z H， YANG T Y， et al. Review of research on thermal management technology for electric vehicles［J］. Journal of Refrigeration， 2022， 43（3）： 15-27，56.
8	Tesla Motors， Inc. Electric vehicle thermal management system： US 2008/0251235 A1［P］. 2008-10-16.
9	Tesla Motors， Inc. Optimal source electric vehicle heat pump with extreme temperature heating capability and efficient thermal preconditioning： US 2019/0070924 A1［P］. 2019-03-07.
10	TIAN Z， GAN W， ZHANG X， et al. Investigation on an integrated thermal management system with battery cooling and motor waste heat recovery for electric vehicle［J］. Applied Thermal Engineering， 2018， 136： 16–27.
11	中国制冷学会，中国汽车工程学会. 中国新能源汽车热管理技术发展［M］. 北京：北京航空航天大学出版社， 2022.
	Chinese Association of Refrigeration， China Society of Automotive Engineers. Development of thermal management technology for new energy vehicles in China［M］. Beijing： Beihang University Press， 2022.
12	清华大学. 三介质换热器： CN201920475400.6 ［P］. 2020-02-11.
	Tsinghua University. Three-fluid heat exchanger： CN201920475 400.6 ［P］. 2020-02-11.
13	LIANG C， WANG Y， LI X. Energy-efficient air conditioning system using a three-fluid heat exchanger for simultaneous temperature and humidity control［J］. Energy Conversion and Management， 2022， 270： 116236.
14	张子琦，李万勇，张成全，等. 电动汽车冬季负荷特性研究［J］. 制冷学报， 2016， 37（5）： 39-44.
	ZHANG Z Q， LI W Y， ZHANG C Q， et al. A study on heat load character of EV in cold climate［J］. Journal of Refrigeration， 2016， 37（5）： 39-44.
15	ZHANG Z， LI W， ZHANG C， et al. Climate control loads prediction of electric vehicles［J］. Applied Thermal Engineering， 2017， 110： 1183-1188.
16	崔胜民. 汽车理论［M］. 北京：北京大学出版社， 2016.
	CUI S M. Automobile theory［M］. Beijing： Peking University Press， 2016.
17	BERNADI D， PAWLIKOWSKI E， NEWMAN J. A general energy balance for battery systems ［J］. Journal of the Electrochemical Society， 1985， 132 （1）： 5-12.
18	石文星，田长青，王宝龙. 空气调节用制冷技术［M］. 北京：中国建筑工业出版社， 2016.
	SHI W X， TIAN C Q， WANG B L. Refrigeration technology for air conditioning［M］. Beijing： China Architecture & Building Press， 2016.
19	LI W. Simplified steady-state modeling for variable speed compressor［J］. Applied Thermal Engineering， 2013， 50（1）： 318-326.
20	连之伟，陈宝明. 热质交换原理与设备［M］. 北京：中国建筑工业出版社， 2018.
	LIAN Z W， CHEN B M. Heat and mass exchange principle and equipment［M］. Beijing： China Architecture & Building Press， 2018.
21	TIAN Z， MA L， GU B， et al. Numerical model of a parallel flow mini-channel evaporator with new flow boiling heat transfer correlation［J］. International Journal of Refrigeration， 2016， 63： 1-13.
22	TIAN Z， GAN W， ZHANG X， et al. Investigation on an integrated thermal management system with battery cooling and motor waste heat recovery for electric vehicle［J］. Applied Thermal Engineering， 2018， 136： 16-27.
23	ZHANG G， ZOU H， QIN F， et al. Investigation on an improved heat pump AC system with the view of return air utilization and anti-fogging for electric vehicles［J］. Applied Thermal Engineering， 2017， 115： 726-735.

测量仪表	校准设备	型号	技术特征
温度传感系统	标准铂电阻温度计、标准电阻	Fluke 5609、BZ3电阻	二等
压力变送器	全自动压力校验仪	ConST811	±0.5 Pa
质量流量计	科里奥利流量计	Emerson CMF050M300N	U=0.06%（k=2）
压力表	数字压力表	ConST211	0.05级

[1]	张念忠,宋强,王冠峰,王明生. 车用永磁同步电机无电流传感器控制研究[J]. 汽车工程, 2024, 46(2): 281-289.
[2]	焦志鹏, 马建, 赵轩, 张凯, 孟德安, 韩琪, 张昭. 基于电动汽车制动安全检测的短时工况及方法研究[J]. 汽车工程, 2024, 46(1): 109-119.
[3]	原江鑫, 何莉萍, 李耀东, 李罡. 电动汽车BMS从控板热分析及散热优化[J]. 汽车工程, 2024, 46(1): 128-138.
[4]	张鹏博, 陈仁祥, 邵毅明, 孙世政, 闫凯波. 纯电动汽车电驱动系统故障诊断研究进展[J]. 汽车工程, 2024, 46(1): 61-74.
[5]	王博文,罗峰,王子通. 基于OMNeT++的车载TSN通信仿真系统设计[J]. 汽车工程, 2023, 45(6): 954-964.
[6]	贺伊琳,马建,杨舒凯,郑威,薛启帆. 融合预瞄特性的智能电动汽车稳定性模型预测控制研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(5): 719-734.
[7]	梁海强,何洪文,代康伟,庞博,王鹏. 融合经验老化模型和机理模型的电动汽车锂离子电池寿命预测方法研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(5): 825-835.
[8]	吴忠强,张长兴. 考虑配电网负荷的电动汽车分布式充电控制[J]. 汽车工程, 2023, 45(4): 598-608.
[9]	吴志恒,刘爱民. 汽车永磁同步电机切换函数式混合控制策略[J]. 汽车工程, 2023, 45(4): 619-627.
[10]	王军年,高守林,杨钫,管畅洋,杨志华. 多行星排转矩定向分配电驱动桥振动特性优化[J]. 汽车工程, 2023, 45(3): 421-429.
[11]	王连东,宋希亮,李莹莹,崔亚平,武婷. 胀压成形重型货车桥壳设计及扭转工况性能分析[J]. 汽车工程, 2023, 45(3): 477-488.
[12]	李贵敬,谷青锴,杨昊鑫,黄健齐,邸立明. PA/EG耦合风冷电池热管理系统轻量研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(2): 209-218.
[13]	朱成,刘頔,滕欣余,张国华,于丹,刘沙,胡苧丹. 新能源汽车综合经济性对比分析及预测研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(2): 333-340.
[14]	李琴,汤建明,张博远,陈勇,王勇. 分布式驱动电动汽车多执行器容错控制研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(12): 2251-2259.
[15]	路兴隆,张甫仁,赵海波,孙世政,李雪,赵浩东. 基于同心圆结构的新型液冷板优化设计及其性能研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(11): 2058-2069.