压力来自散热

压力来自散热

2019最热的时间已经过去了,然而发动机散热和整车热管理的压力一直都是绝大多数赛道日爱好者和新能源车主的痛。

我们常说,或者说常常听到别人说,压力来自轮胎,

然而我们大多数人最常遇到的压力来自散热。车辆的散热不好会导致很多问题,在低温情况或者冷车启动时要快速热车,以降低排放,提高热效率并为车厢乘客提供热量, 而在高温或者激烈驾驶工况下,水温油温的变化带来的压力变化,以及机油性能的改变会对发动机性能造成非常大的影响,最常见的就是水温过高后的开锅和油温过高后润滑不足导致的拉缸,爆缸。

在拓海和京一的第一次较量中,经过藤原文太特殊调校的AE86也避免不了由于停长时间高转速,导致的发动机过热从而爆缸的痛。

老款AE86的问题在如今的继任者丰田86和斯巴鲁BRZ上依旧是个绕不开的痛,小排量自吸发动机为了提高发动机响应速度,原厂提供的仅为0W20牌号的机油,再由于发动机结构导致催化器紧贴机油底壳,油温过高一直都是86BRZ车主的痛,想要不拉缸还要敞开了跑,油冷是躲不掉的一个重要环节。好在斯巴鲁提供的OEM改件能在低温下加快机油温度进入正常工作区间,在高温情况下尽量降低油温,也算是对发动机热管理的一个小补丁。

红色的油管就是自制的油冷“补丁”
改件能有效加快机油进入工作温度并在激烈驾驶时降低油温

在传统车上,热管理可能是在相对极限、相对激烈的工况下会对发动机性能造成比较大的影响。在我们大多数的日常使用的工况下,除了空调制冷制热以外,大多数人不会有太多直接的感受。但是在目前日益增多的混合动力,纯电动力的汽车上,热管理的好坏就有了非常巨大的影响。可以说,在新能源汽车上,热管理的好坏会很大程度上影响整车性能的优劣,这也导致了新能源汽车的热管理相较传统汽车变得更加复杂,特别是对于核心部件动力电池来说,温度的控制好坏是决定其安全,性能和寿命的决定性因素,优秀的热管理需要能让动力电池始终维持在适宜的温度区间,并使整个电池包的温度尽量保持均匀。

在了解热管理之前,首先要了解新能源车的热管理需求是什么,由于现在技术的限制,动力电池,无论是磷酸铁锂还是其他三元锂电池,他们的特性都是类似的,都需要在一个合适的温度区间才能正常的安全的工作,通常来说,最佳的工作区间是25到35度。而当我们需要大功率的时候,我们必然会需求一个大电流,根据公式电池温度等于电流的平方乘上内阻 , 大电流会使电池温度指数上升。回想一下小时候玩的四驱车,是不是新电池比老电池更容易发烫。

电池又是一个非常矛盾的存在,过低的温度会使SOC值降低,从而导致车辆的续航变短,较高的温度能使时间常数越低,所谓时间常数就是电池响应速度,时间常数越低,我的系统就越快,功率就能越大,但是弊端就是电池的老化越快,温度过高特别是当电芯高于85度时,电芯内部会发生不可逆的链式反应,从而热失控,也就是自燃。

温度越低,电池性能越差

通常一台新能源车上有几百甚至上千节动力电池,只要其中有一节电池热失控,就会带着一整台车的电池包一起烧毁,更可怕的是,电池的燃烧是无法用水扑灭的,电池内部的电解液在高温下产生的各种化学反应,会生成大量的气体,高热加大量的气体产生,也就变成了爆炸。这也是为什么我们见到的大多数新能源车自燃后火势非常凶猛,还噼里啪啦爆炸声不断,最后都是吞噬全车。所以,热管理不仅仅决定了功率,续航等性能,还决定了整车的安全性。目前国家法规的要求是新能源车能在自燃前为车上乘客生时间,别小看只有5分钟,就这5分钟就足以考验车辆的防火和热管理性能。

在传统汽车上,我们的热管理仅需发动机冷却和传动冷却,车载空调也只是用压缩机制冷加上发动机余热制热。但在新能源汽车上,面对如此“娇气”的电池,热管理就需要管电池,电机,电控系统还有很多电子电器的高温冷却,在低温时又要加热电池包。空调也不能从发动机获得能力而是需要自己发热用电,使用一套全新的电动压缩机和一套热泵:

新能源汽车的热管理不仅需要对成员舱的舒适性负责,更大程度上要对电池和驱动系统负责。目前热管理的难点在于电池的恒温控制,随着能量密度的不断提高,电池冷却的需求越来越大,从一开始的风冷到现在主流的液冷,新能源的热管理都是围绕着电池包的设计展开的。在早期的新能源车上,电池性能还没这么强劲,风冷就以足够,例如日产LEAF,丰田普锐斯,起亚SOUL EV等,而现在在看当时的设计,已经不能满足新能源汽车的需求。

另外现在广泛使用的电池在放电时的温度是不均匀的,由于正极的电流和正极材料的电阻都相对较大,电阻和电流越大则升温更快,所以往往正极的温度较高,通常来说单个电池在其内部的温度差就能达到10度左右。所以在设计电池包冷却系统的时候,还需要考虑电池温度的不均匀性,这也就让液冷变得更加适合最为电池包冷却的首选。

电池正极由于电阻相对较大,温度更高,电芯内部温差可能超过10度

奥迪A6 PHEV为例,在电池包的设计上就已经采用了液冷结构。最常见的控制逻辑就是当组温度上升至一定温度时时,制冷剂会通过道扁管冷却电池 。在冬天时,再使用发动机余热加热电池包,这也是混合动力车型的好处,只需多增加一个冷却系统,制热系统则可以直接使用发动机余热。

但在纯电动车上,由于没有了发动机提供余热,热管理在控制高温提供冷却之外还需要额外考虑低温下的电池包加热。在最新发布的奥迪E-tron车型上,电池的热管理则是同事使用了风冷和液冷两套不同的冷却方式,根据使用情况的不同,会采用不同的冷却循环。整车有四个冷却回路,可根据需要进行切换,可以通过压缩机和低温冷却器组成冷却用的传统回路;集成热泵系统、高压充电装置组成了电池包的水冷(热)回路。通过这一套热管理系统,把电池工作温度控制在25-35℃温度范围内。

为应对直流快充时的电池发热问题,奥迪E-tron在前轴正上方安装了水冷高压充电器,并在前轴之前有一个可选装的水冷高压充电器以抵消大功率充电时的热量,另外使用可变进气格栅,让格栅后的冷热交换器可以在低温时更快升温或保温,在高温时加速降温。

在今后的汽车上,随着更多电子设备的集成,对于热管理的需求将会越来越大。特别是在更高级的ADAS系统甚至自动驾驶系统的大范围应用后,除了电池包,这些额外的电子的设备的散热也会使不得不面对的问题,例如大量的雷达,摄像头和各个设备的处理器。越智能的设备将带来更多的能耗,也就意味着更多的热量。就像是家里的电脑,笔记本可能使用的是小风扇,台式机就需要更大更多的风扇,而专业设备就需要使用水冷。等到自动驾驶的普及,热管理的需求就会再次改变,从保证电池电机,到同时还有兼顾处理器和雷达,摄像头等。

来自散热的压力,随着汽车的发展将会越来越大,能不能将热管理设计好将会是对汽车质量非常重要的一环。

发布于 2019-10-04

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