新能源汽车动力热管理问题解决方式探讨

2020-03-09 16:39 [新能源应用] 来源于：国网牡丹江供电公司作者：刘福贵，刘磊，孙岩

导读：新能源汽车动力热管理问题解决方式探讨 ----手风琴及瓦楞筒高性能关键零部件应用技术刘福贵，刘磊，孙岩 (国网牡丹江供电公司黑龙江牡丹江 157000 ) 摘要：新能源与动力装置技术提升及创新中需求高效紧凑消声换热装置，通过分析日本等发达国家新能源汽车

新能源汽车动力热管理问题解决方式探讨
----手风琴及瓦楞筒高性能关键零部件应用技术
刘福贵，刘磊，孙岩
(国网牡丹江供电公司黑龙江牡丹江 157000 )

摘要：新能源与动力装置技术提升及创新中需求高效紧凑消声换热装置，通过分析日本等发达国家新能源汽车发展趋势和国内权威领导及院士专家对电动汽车、燃料电池等市场化存在问题的科学意见，新能源汽车动力装置在超高效手风琴散热器和瓦楞筒高效紧凑消声换热器的应用下，可以解决进气系统和冷却散热系统集成以及尾气储热回收并可EGR等，为无障碍解决电动车与发动机的机--电紧凑集成以及与燃料电池的电--电紧凑集成等创造条件，超高效紧凑手风琴及瓦楞筒零部件完全能助力新能源动力技术开发中所涉及的各种热管理硬件的高效紧凑技术和商业化。

关键词：电动车；增程式电动车；燃料电池；发动机余热回收；电堆冷却

一、引言

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源或使用常规车用燃料但采用新型车载动力装置。国家发改委颁布2019年1月10日起施行的《汽车产业投资管理规定》，汽车整车按驱动动力系统分为燃油汽车和纯电动汽车并包括乘用车和商用车，燃油汽车是指以发动机提供驱动力的汽车（含替代燃料汽车），包括传统燃油汽车、普通混合动力汽车以及插电式混合动力汽车等；纯电动汽车是指以电动机提供动力的汽车，包括纯电动汽车（含增程式电动汽车）、燃料电池汽车等；智能汽车也根据驱动动力系统归属至上述两类型。社会及相关汽车厂普遍将排放污染低、热效率高的以天然气和甲醇为燃料的汽车也称新能源汽车，本文主要分析阐述纯电动汽车、增程式电动汽车、燃料电池汽车等新能源汽车的热管理问题及其解决办法。

二、新能源汽车总体市场情况及电动车热管理运行问题

我国汽车千人拥有量不到200辆，离日本、德国、美国的差距还很远，还有近千人希望能够驾驶汽车，但是我们生存环境和能源结构似乎又没有那么大的容量来达到这样的指标，解决方法是选择新能源汽车发展之路。据中汽协统计，2018年全国新能源汽车保有量达261万辆，占汽车总量的1.09%，全年新能源汽车销售125.6万辆，同比增长61.7%；纯电动乘用车产品的续驶里程高于300公里的比例已经达到了81%，驱动电机峰值比功率4千瓦/公斤、最高效率达到96.5%；同时还研发成功了适宜高寒、高温、高湿地区的纯电动客车。与此同时，汽车千人拥有量较高的发达国家同样也面临能源和环保问题。欧盟制定2030年二氧化碳排放目标将给汽车制造商增加巨大成本，他们在2021年至2030年期间，将新车平均二氧化碳排放量减少37.5%，至每公里95克，这意味着如果不大幅加快车辆电气化并提高混动汽车的产量，汽车制造商将难以实现这一目标。这一目标比最初减排30%的提议还要严格。

我国发展新能源汽车条件得天独厚，市场空间足够大，我国是全球汽车最大的市场，特别是新能源汽车已实现规模化的发展，产业建设实现了全球的领先。然而，虽然中国目前在新能源汽车发展的情况处在世界的前列，但是在这些多种新能源动力技术上还有不如人意的环节有待改进和完善。随着新能源汽车保有量越来越多，安全事故数量也在攀升，突出表现在电动汽车的电池上。电动汽车的动力电池系统是由多个动力电池单体电芯构成，单体电芯由于其自身有一定的内阻，在输出或输入电能的同时会产生大量的热聚集在狭小的电池箱体内，热量如果不能够及时地快速散出，高温会影响动力电池寿命甚至出现热失控并导致失火等。因此，加强电池的加热和散热能力管理技术，保证电池工作在合适的温度范围内和保持电池箱内合理的温度分布十分重要。但是，很多电池厂以牺牲电池好的冷却方式来换取空间增加电池数量进而增加里程，为电池事故埋下隐患，如果再有盲目追求高能量密度使电池一致性不够或电机、电控、整车设计等方面出了问题，很容易在发生碰撞、静止过充、水浸等外因作用下引发电池热失控。中科院院士、中国电动汽车百人会执行副理事长欧阳明高表示，电池热失控是电动汽车自燃起火的主因，保障电池系统安全性的核心是研发先进的电池管理系统。目前，国内在电池管理系统方面还存在精度不够等问题，需要加大研发力度。欧阳明高院士还说：“环境温度对电动车实际运行电耗影响最大，低温工况下电耗较常温工况最高高出50%，严重影响冬天电动车的续驶里程。现在电池加热技术是成熟的，但是冬天供暖问题还没有解决，如果用PTC电加热（陶瓷发热元件与铝管组成的发热体）很不经济，将来有望采用热泵空调技术”。

在中国电动汽车百人会论坛（2018）上科学技术部部长万钢发表演讲时说：“现在纯电动汽车虽然发展快，它的功能也还没有完全覆盖汽车市场东西南北的要求，特别是北部的低温，怎么样能够克服，这就需要我们共同的继续探索创新发展的方向和策略”、“从现在发展的趋势上看起来，内燃机与电动化的相结合，将成为车用动力技术发展的一个新方向。因为再高效的发动机也难以独立地来覆盖汽车发展的整个动态需求，我们更加要注重内燃机与电动化融合发展方面的技术革新，这一新型动力混合动力系统才是先进内燃机的用武之地。因此研发高效率增程式机电混合的系统，将是今后的重点研发内容之一”、“我们的混合动力，也会把重点更多的放到增程式等更高效率的混合动力方向”。

2019中国汽车产业发展（泰达）国际论坛会议上，中国工程院院士杨裕生表示，长里程纯电动车“不”节能减排；插电式混合动力车“假”节能减排；燃料电池电动车“难”节能减排；微小型纯电动车“真”节能减排；增程式电动汽车“很”节能减排。

发展新能源汽车的创新方向和战略目标，不但能优化能源结构、防治大气污染、应对气候变化、提高千人拥有量，而且可以推动供给侧结构改革、推动新旧动能转换、实现产业转型升级、确保新能源汽车高质量发展。我们可以通过电动车（EV）（含增程式）、插电式混合动力车（REV）和燃料电池动力车（FCV）等多种技术路线，实现新能源汽车持续快速的发展。近期，我们可以凭借EV技术，实现中原以南中短途的固定场景人群的出行需求，通过增程式电动车和REV技术来解决电动汽车里程的焦虑和北方冬季的焦虑，实现中远途的有效出行；中远期随着电池成本的优化，FCV可具备与传统汽车相媲美的便捷性，实现零排放，无忧出行。

三、纯电动乘用车的电池问题及在增程方式中的解决方案

电动汽车可以把排放隐身地转移到众人看不到的制造过程和使用过程的城市外面的“发电厂”去，但是，电动汽车的电池既「怕冷」又「怕热」的缺点现在还很难克服，毕竟人们不可能将环境永远设置在适合电动汽车工作的环境温度内（15--35度），电动汽车在太冷或太热的区域使用都会有电池问题已是不争的事实，也是一个严重制约电动车普及的一个问题。电动车的另一个问题是电池的污染环境及金属毒性问题没有被重视，英国工程院院士高腾·卡嘉迪在发表的多篇文章谈到过分地使用电池会产生很多问题，其中非常重要的一点就是会造成全社会的金属中毒问题。

增程式电动车就是从产品技术本身解决今天电动车一些弊端的方式，也是万刚副主席和苏万华院士、杨裕生院士以及赵福全院长积极肯定推广的发展方向。2018年日产NOTE的一款增程式电动车在日本销量第一名，且在2017年、2018年日本所有车销量的第一名；同样使用的是增程电动车，日产的ePower给了我们很重要的启示。2019年初，清华大学汽车产业与技术战略研究院院长赵福全在凤凰汽车网上对话中国工程院院士、天津大学苏万华教授时说：“内燃机在启动和低负荷等少数工况下负荷特性差，油耗相应升高，如若在北方冬季环境使用则更加突出，这是其固有的不足。但现在我们有了新的手段，可以把发动机与较小的电池和电机结合起来，形成混合动力，弥补这个缺点，因混合动力技术可以很容易地改变发动机的动态特性和负荷特性，从而在整体上实现更低的油耗水平，有利于节能减排。混合动力方案可以让发动机在更佳的工况范围内长时间工作，而在其它如启动和低负荷等高油耗的工况时使用电池和电机工作，从而达到节油的目的，尤其是伴随着电动技术与发动机技术的进步相互结合，将推动混合动力技术的快速发展，2020 年以后混合动力发动机的应用比例也一定会快速增加”。

高效率增程式机电混合的动力系统不但覆盖汽车发展的整个动态需求，同时也解决了充电和里程焦虑以及纯电动车本身固有的低温焦虑，而且增程器的余热还解决动力电池保温和车体冬天供暖问题，使热能利用效率更高。所以内燃机等发动机借助电池、电机的发展，可以把自己的优点发挥得淋漓尽致，这才是未来。

增程式电动车基本的原理是“电动车+发电机”，所以增程式电动车一定是先用发电机给电动机供电来驱动车辆，剩余的电量给电池；如果增程式需要更多的功率来进行加速的时候，其实是增程器发的电和电池的电同时给电机进行供给；增程式电动车的发电机和电动机一定是串联式结构，永远是用电机来驱动的，并用高压油箱解决燃油长期存放的问题，不设置变速箱。

目前我国作为增程式的新能源车辆的柴油机发动机热效率已达到40%—50%、最多可以到55%排放的控制；天然气发动机用HPDI（缸内高压直喷系统）技术以后可以提高将近10个分点，它的热效率可以跟柴油机比美，整个系统助推了新能源行业的提升。实现增程式电动车产业化的车企是车和家公司，其已生产一款中大型的豪华SUV增程式电动车（2019上海车展有），在整个性能方面，用了240千瓦用于驱动的两个电机，配备40千瓦/时的电池（6倍的放电倍率），同时还有一个1.2T的增程器，它的性能可以很好的向宝马X5、奔驰GLE3.0T看齐。带来的好处是：通过40千瓦/时的电池，能够实现市NEDC（发动机城市循环工况）的续航里程超过180公里，长途的时候没有任何的焦虑，整个续航里程超过700公里。另外一方面，他们很好的解决了冬季的问题，通过整个水冷系统，把发动机的余热和整个PEC（发动机管理系统）连接在了一起，在冬季零下5度的温度情况下，该公司的损耗控制在5%之内（其它电动车的整个里程损耗将超过30%）；如果到了零下20度极端的状况，该公司的损耗只有7%，其它电动车的损耗已超过了50%。

增程式电动车要求增程器（即发动机＋发电机）高效、清洁、紧凑、低价等各项技术指标都要最先进，特别是对进排气系统及各种冷却系统的体积要求严格，因为乘用车的空间有限并且这些总成还要与包括电池、电机、电控及冷却空调系统的纯电动车集成，如发动机方面的散热器有发动机水箱、增压中冷器、空调冷凝器，电池电机方面有电控散热器、电池空调冷却器、大功率驱动电机冷却器等，即机电两种动力合成后的各种散热冷却器至少四个，其用传统的管翅式平行流换热器很难达到车内空间合理布局和相应的紧凑性以及良好的热交换性能，相关一些企业和研究机构甚至看好将微型燃气轮机用作增程器来开发增程式电动车。采用单瓦楞筒做为发动机进气的中冷器并将筒内集成空气滤清器和涡轮增压器，再采用双瓦楞筒的外筒作为发动机水箱冷却器、内筒作为空调冷却器、内外筒之间作为电控散热器，内筒内装置冷却空气的过滤和冷却风扇（压气机）；如若采用微型燃气轮机等发动机做增程式电动车，还可以用储热式的瓦楞筒消声换热器，不但回收排气余热做电池保温和车内采暖，而且排气噪声和温度更低，以上是采用新的手风琴和瓦楞筒热声技术达到发动机进排气和冷却散热总成一体化并使其体积大大缩小、性能大大提高，这样就可以很好的实现全覆盖的高效率增程式机电混合的动力系统。

四、我国燃料电池技术简介及其动力装置的国内外研发应用情况

燃料电池具有能量转化效率高、安装地点灵活、负荷响应快、运行质量高、燃料多样性、环境亲和性等特点，被视为新世纪最高效清洁的能源。燃料电池是将燃料具有的化学能直接变为电能的发电装置，其单体电池是由正负两个电极(催化转换作用)以及电解质组成，电极均采用碳的多孔体并以Pt作为触媒来促进反应，按不同电解质和工作温度分为三种低温燃料电池和两种高温燃料电池，其中因质子膜低温燃料电池（PEMFC，工作温度为100℃以内，以下简称“膜电池”或“车用燃料电池”）的工作温度低、适应频繁启动和颠簸工作环境，被认为是最合适的汽车动力装置。目前，车用燃料电池效率是60%左右，其可与超级电容或者镍氢等电池形成电—电混合增程式的汽车动力装置，避免了使用三元锂离子电池爆炸的危险，所以燃料电池车是比较安全可靠的。

目前，从国内外燃料电池发展情况看，国外车企大都选择从乘用车领域切入氢能燃料电池汽车市场，燃料电池已经进入了市场的导入阶段，发动机的功率大幅度提升，用70MPa气瓶已经可以在负30度环境跑500公里以上，基本上满足了要求，技术领先的国家是日本和韩国。

中国初步掌握了氢燃料电池的核心技术，基本建立了具有自主知识产权燃料电池动力系统技术平台，氢燃料电池在寿命、可靠性、适用性上基本达到了车辆使用要求。未来主要要加强协同创新降低电堆成本和鉑（pt）用量，提高电堆一致性和比功率，提高电堆系统的可靠性和耐久性，尽快实现关键材料如电催化剂、质子交换膜、膜电极三合一、双极板等批量生产，加快推进燃料电池产业的全面发展，这是万钢部长在2017年未指出的。于此同时，国家在“十三五”期间，在大连新源动力和潍柴启动低成本的燃料电池堆及关键材料的技术研究与工程开发两个重大项目，资助8.27亿元的费用，加速燃料电池产业化开发。

国内车企以氢燃料电池商用汽车为主要发展方向已初具规模，商用车油耗高、污染排放物多，用氢燃料替代效果显著，现在问题是没有大批量的生产线、成本比较高（pt用量大：国际每千瓦0.2克，国内0.4克左右），并受加氢站的制约。此外，氢燃料电池汽车与采用锂电池的纯电动汽车都是新能源汽车的重要技术路线，纯电动汽车更适用于城市、短途、乘用车等领域，而氢燃料电池车相比锂电池车在大载重、长续驶和高强度的长途客运车和物流重载车以及船舶动力中具有先天优势，较好地弥补了纯电动商用车的技术不足。目前具备初步实现商业化的条件并在示范运营阶段的国内企业有上汽大通、宇通客车、中通客车、比亚迪、金龙汽车、北汽集团、福田汽车等，这些商用车企业都紧盯氢燃料这片“新蓝海”。潍柴投资500亿设立五个研发中心（德国、美国的硅谷、芝加哥、底特律、日本东京）及潍坊万亩新能源产业园，有3千多人的研发团队聚焦于新能源产业的开发，2030年潍柴的新能源业务要引领全球行业的发展。目前他们通过与加拿大的巴拉德公司战略合作，开发全球领先的质子交换膜燃料电池，电堆功率密度达到3千瓦/升与丰田公司持平，持久性将近3万小时远高于丰田的5--8千小时技术性能；与英国Sync power公司合作，开发一种中低温的车用固态氧化物燃料电池（运行温度在500度至600度之间），它的优点在于燃料应用广泛，可用氢气或天然气或甲醇重整或汽油重整等，并在启动时间和启动次数、能量转化方面都得到一些突破。预计到2020年底累计完成2000台燃料电池车辆推广，全力推动“绿色动力氢能城市”在山东落地，打赢蓝天保卫战。

五、燃料电池汽车的热管理问题及解决方案

除万钢部长提出的影响电堆性能的内部关键材料外，燃料电池还有两大辅助性能直接关联电池的安全高效运行，一个是进气压力、一个是电堆冷却。从电堆角度来看，流场阻力越大电堆的一致性越好，但是供气压力加大，空压机内耗增加，只有低内耗、高供气压力的空压机才能保证电堆的高功率密度输出，所以，发展高性能的空压机和氢气循环泵（无油轴承式）尤为重要。

此外，电堆冷却给我们带来了简单的难题。燃料电池的电堆冷却热负荷相比同容量环境下的内燃机冷却热负荷大近一倍，这是因为电堆工作是氧化放热反应，再加上未转化成电能的能量全部以废热形式被冷却液带出（内燃机废热排出还有尾气），该热量约占总能量的近50%；此外，目前电堆工作温度在50--60度左右（丰田公司接近70度），也就是冷却液从电堆出来的温度不会超过60度，低于内燃机冷却液热端温度（90度左右）30多度，由此造成电堆冷却液与大气环境的散热温差相对小，在仅次于发电功率的冷却负荷且在其温差又小的情况下由液体间壁式向气体传热，必须采用较大的散热面积来向大气中传导废热，这样势必就造成电堆冷却器体积庞大而不易布置；再者，电堆正常工作还需要进气恒温增湿增压和配套集成的电池及电控等其它动力总成的冷却和保温元件，还有空调的冷凝器都需要设置在机箱内，合计至少也有4个热交换器，它们需要合理的空气散热流通回路和流通量以及散热温差，其对电—电组成的动力系统合理而紧凑设计布局带来挑战，尤其是对空间更小的乘用车的合理布局更难设计。北汽新能源公司在2017年科技部火炬中心和中关村联合举办的创新挑战赛中对外征集解决方案；韩国现代车企在2018北京车展上的燃料电池轿车的前风挡处有三层并排布置的散热器，其热交换效果可见一般。

这些问题同样采用单瓦楞筒做为电堆进气的中冷器并将筒内集成空气滤清器和电动压气增压增湿器，再采用双瓦楞筒的外筒作为电堆冷却器、内筒作为空调冷却器、内外之间作为电控散热器，内筒内装置冷却空气的过滤和冷却风扇（压气机），这样就可以很紧凑地解决电—电动力系统热交换器多不易布局设计的问题，尤其是对噪声和红外特征等要求高的微小高比功率(15kW左右)燃料电池的进气总成集成问题和电堆冷却问题，采用瓦楞筒消声结构来解决易如反掌。

六、燃料电池动力装置的应用展望

发展燃料电池应用技术要抓住机遇迎难而上。据国际能源署（IEA）预测，到2025年，氢燃料电池车将占全球车辆的17.5％。在中国氢能源及燃料电池产业高峰论坛上发布的《中国氢能源及燃料电池产业发展研究报告》提出，到2050年，氢能在中国终端能源体系中将至少达到10％，氢燃料电池汽车将覆盖15％的乘用车和50％的商用车。我们应该及时的推动燃料电池动力的产业化，相对于远程公交、双班出租、城市物流、长途运输等一些交通方式，燃料电池汽车具有清洁、零排放、续航里程长、加速时间短的特点，是适应市场需求的最佳选择，所以我们要及时的把产业化重点向燃料电池汽车拓展。因为经过多年的研发积累，我们国家已经形成了电-电混合的技术优势，适合燃料电池技术的特点，也适应我国纯电动和插电式发展的一些特征；此外，我们国家的氢气来源广泛，具有大量的工业副产氢气，又有大量的弃风弃光电、低谷电可用制氢的存量资源；于此同时，要快速完善规模化的供氢体系，降低输运成本及用氢价格，完善技术标准，努力形成持续的商业模式。我们看到经过将近20年的努力，我国燃料电池的发展形成了三支明显的队伍（新源动力、亿华通、弗尔赛），从冷启动功能、EMA的性能提升和电堆的效率上逐步跟上了世界的潮流；近些年的上汽、潍柴、福田、长城等骨干车企开始把燃料电池的发展作为自己的重要发展内涵之一并已经明确规划、加大投入、推进燃料电池汽车研发和商业化，特别是潍柴直接嫁接世界顶尖技术并大规模落地山东潍坊进行产业化，还有向车和家公司等300多个新势力车企开始加入新能源汽车来推动如清洁高效的燃料电池发动机的发展。

结尾：科学技术一定是全行业的财富，但不是任何技术都要发明创造，别人做过的技术我们再投资研发一遍是一种极大的资源浪费、也是对时间的亵渎。瓦楞筒结构技术就是上世纪七十年代由德国科学家为微燃机发明创造的手风琴式回热器的拓展应用，尤其与众不同的该结构易于大规模自动化批量生产，所以有时，站在前人肩膀上快速奔跑才能有更大的作为。相信在不久的将来，我国一定突破最大的瓶颈技术---膜电机、空压机、储氢罐等的商业转化，一定攻克基础材料核心技术和关键部件的难关，一定不会再出现耐得住寂寞地用市场换技术而干换也换不来的尴尬局面。

参考文献：

[1]赵福全对话苏万华：舍弃内燃机是根本的误判[R]凤凰网汽车.2018年12月

[2]万钢.新时代下新能源汽车发展的思考[R]中国电动汽车百人论坛（2018）.北京钓鱼台国宾馆.盖世汽车综合，2018年12月

[3]欧阳明高.针对纯电动乘用车进行分析并提出建议[R]中国电动汽车百人论坛（2018）.北京钓鱼台国宾馆.盖世汽车综合，2018年12月

[4]杨裕生.用成熟电池做第三代增程式电动车[R]中国电动汽车百人论坛（2018）.北京钓鱼台国宾馆.盖世汽车综合，2018年12月

[5]杨裕生.当前电动汽车及动力电池产业的发展[R]2019中国汽车产业发展（泰达）国际论坛.天津滨海新区，盖世直播，2019年8月

[6]程振彪.燃料电池汽车[M]北京：机械工业出版社，2016.7

[7]涂正凯，余意.子质交换膜燃料电池水热管理技术基础及应用[M]北京：科学出版社，2017.11

作者简介：刘福贵（1962.--），男，民族：汉族；学历：大学；职称：高级工程师；研究方向：长期从事热声节能技术研究；现供职单位：国网牡丹江供电公司。邮箱：lfg1510@126.com.cn 联系电话： 13115533366

（编辑：东北亚）

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