【汽车与环境】上海交通大学王丹东(导师:陈江平教授):电气化下的整车热管理技术

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9月20-21日,由中国人才学好汽车人才专业委员会指导,国家特聘专家汽车组及盖世汽车主办的"2019(第七届)汽车与环境创新论坛"隆重举办,论坛以一个 主论坛加四个平行论坛的形式,携百名行业权威嘉宾,一同探讨中国汽车产业在转型升级的新形势和新常态下,整车厂与零部件企业协同创新、升级做强、一同应对严峻市场和产业变革挑战之发展路径。以下为上海交通大学王丹东博士(导师:陈江平教授)演讲内容实录:



上海交通大学王丹东博士

各位嘉宾大伙儿上午好!我今天的报告主要围绕整车热管理系统面临的挑战和前瞻性技术展开。

首先大伙儿时需考虑,电气化下的整车热管理究竟面临着什么挑战?从100多年前汽油车的发展开始 ,传统的整车热管理系统主要考虑发动机的冷却系统、空调系统,以及余热回收系统。从20多年前,普瑞斯的混合动力汽车开始 老是到未来的自动驾驶汽车,电气化的整车热管理还包括了电子器件的散热、电池燃料电池的热管理、以及主机芯片的散热,的范畴逐步的提升。可不并能看多,整车热管理的重要性、复杂性性、集成性呈现不断升级的趋势。

对传统的内燃机汽车,整车热管理技术主要围绕着考虑轻量化、最最费油、智能化的方向发展。而对于新能源汽车,大伙儿更多的时需从热管理系统的电动化、对续航里程的影响、对于整车安全性的影响、与物联网的关系等方面考虑。

大伙儿来看纯电动汽车中空调系统对于续航里程的影响。美国汽车学好发布了2019年最新的测试报告,选泽了5款在美国的在售的电动汽车,在零下6.7度的环境下进行测试,开空调和不开空调对比,开空调并能降低续航里程平均达到40%以上。我国最新的2019年EV-TEST三款电动汽车在基于CLTP-C工况的零下7度的续航里程测试,在低温环境的下降率也都超过40%,跟美国汽车学好得到的结论之类。由此可不并能总结空调系统在低温下的续航里程对续航里程的影响不容忽视,未来要怎样降低空调系统的能耗,提升低温续航里程是整车热系统面临巨大的挑战之一。

另外在整车热管理系统当中,大伙儿时需考虑热系统对于环境的影响。汽车空调HFC-134a制冷剂排放占到HFC制冷剂总排放的1/3左右,造成全球每年千万吨的汽体当量排放。根据基加利协议以及欧洲的车用制冷剂的法规要求,低GWP制冷剂替代已迫在眉睫。对于电动汽车,除了考虑制冷剂的制冷性能以外,更要考虑制冷剂的热泵低温制热的性能,这给了CO2、R290等制冷剂带来了新的应用契机。因此 ,要怎样选泽开发对环境友好且具有优异的制冷制热性能也是整车热管理系统面临的巨大挑战之一。

大伙儿梳理了汽车热管理系统的技术发展路线,不管对燃油汽车还是新能源汽车,热管理系统的节能高效、对环境友好将是未来技术发展的重要方向。另外,智能网联汽车中,通过热管理系统为电动化汽车提供健康、舒适、个性化的空间,也是未来技术发展的主要方向。

接下来我将分享课题组在电动汽车低温热泵技术方面的这种研究,热泵化的制热系统可能成为重要趋势,包括量产的热泵系统包括普锐斯、宝马i3、上汽Ei5等。确实热泵系统能提升系统制热能效,因此 热泵系统确实还仍然有非常多的挑战。大伙儿课题组首先对于R134a、R1234yf补气增焓系统做了完全研究,通过优化系统匹配和补气压力,在零下20度环境下R1234yf补气增焓系统提高制热量超过25%以上。因此 R1234yf制冷剂的成本远高于R134a制冷剂,是目前面临的应用挑战之一。此外,大伙儿研制了基于R290制冷剂的车用热泵系统。采用二次回路规避制冷剂的安全性风险,一同提出了新型的二次回路热泵架构,通过该架构显著提升R290的低温制热成效,在零下20度全新风的环境下,R290的二次回路系统并能达到4.7kw的制热量和2.26的COP,可不并能总结得到R290系统无论是在制冷能效、制热能效、环保效应还是经济性方面都具有显著的优势,目前也跟合作者者单位推进R290热泵系统的推广应用。

此外,2017奔驰奥迪推出了采用搭载CO2空调汽车的量产车。大伙儿课题组从1003年开始 老是持续研究CO2车用空调和车用热泵系统。与常规的R134a、R1234yf相比,CO2跨临界系统占据 高运行压力、高排气温度在PAG与制冷剂分离拟临界区物性突变等方面的特殊性,由此将零部件开发、系统匹配设计等方面带来重大挑战。在大伙儿的研究中创造性的提出了串联式热泵系统新架构提升系统的低温制热性能。另外大伙儿观测了低压储液器内控 润滑油、液相制冷剂和气相制冷剂的三相流动行为,明确了在不同充注量条件下制冷剂迁移行为,由此处里了变工况下润滑油迁移、系统高压控制的技术难点。在此基础上与合作者者单位一同开发了国内首款CO2电动压缩机、CO2车用电子膨胀阀、CO2换热器。改进后的零部件以及系统在低温环境下面进行了实验测试,在最高转速下零下20度全新风工况下,出风温度超过40度,COP超过1.8,可不并能完全取代PTC加热。与R134a补气增焓系统相比,CO2系统的出风温度将高出20度,制热量将高出100%。由此说明串联式CO2车用热泵在低温制热环境下面的制热性能非常优异。基于模型也评估了现有PTC制热、R134a系统、CO2热泵系统对于低温续航里程的影响,与PTC的制热相比CO2系统在零下20度工况提升续航里程超过43%;与R134a补气增焓系统相比,CO2提升综合COP超过100%,在补气增焓系统的基础上可不并能继续提高低温续航里程达8%-17%。除了环保高效的车用热泵系统研究以外,大伙儿也深入研究了低温热泵型涡旋压缩机。自主开发了变节距型线的几何模型、热力学模型、系统仿真模型等,由此进行了正向和逆向的型线设计,优化了壁厚、公转半径等关键参数设计。优化后的热泵压缩机总等熵速率提升了四个百分点。

接下来我分享混合动力汽车余热回收技术方面的进展,有机朗肯循环是提升发动机热速率的重要技术之一。前面在郭博士的分享当中看多,发动机的热速率在不断的提升。电气化下的发动机将更有可能在更稳定的负荷与转速下运行,越稳定的工况,ORC的余热回收技术更适用。大伙儿课题组老是在做ORC的余热回收朗肯循环,右边是大伙儿搭建的ORC的测试实验台。大伙儿研究了替代现有R245fa工质的新型替代工质对系统循环速率的影响,大伙儿也与合作者者单位一同测试了新一代的ORC的膨胀机,该膨胀机的等熵速率最高达到0.75,该速率也将原困分析ORC系统并能产生非常高的发电速率。

针对燃料电池汽车热系统的研究,氢燃料电池的大容量散热以及低温环境下的冷启动问题报告 是目前氢燃料汽车热管理面临的主要挑战。课题组在冷板的设计、以及室外换热器、前端模块集成、前舱流场对于散热系统的影响行态等方面做了大量的仿真以及实验研究工作。目前大伙儿将改进的系统安装到 去一款氢燃料电池汽车里面进行实车验证测试。针对纯电动汽车,超级快充带来的大幅度散热增加是未来电池热管理系统面临的重要挑战之一。魔鬼司令快充热管理散热量将增加3-5倍,这会造成整车热管理系统的全新变革。目前课题组也在这方面开展前瞻性的研究。对于无人驾驶汽车,芯片的散热量非常高,目前课题组也在研究要怎样处里该芯片散热造成的微型散热器设计、系统匹配优化等问题报告 。

接下来我将分享大伙儿在智能网联汽车AI热管理技术方面的研究,人工智能技术对系统节能控制、个性化的舒适性控制、热管理的预测诊断将发挥巨大的作用。目前大伙儿课题组成功研制了基于人工智能的热系统的节能控制技术,包括车用热泵目标出风温度和过冷度最优控制的神经网络算法、联合天气预报与温湿度感知的人工智能控制系统、基于数据驱动的热泵空调瞬态建模依据、基于敏感性分析的车用热系统的标定依据,未来什么技术将有可能被应用在整车系统中。电气化下整车对于个性化的热舒适性方面也提出了更高的要求,大伙儿开发了人工智能的算法来实现个性化的热舒适性控制。大伙儿想象电动汽车当中将未来将具一个 热大脑,这种热大脑实时感知内控 环境、从云端获得历史与远程数据,基于什么数据通过热大脑再做出这种有助节能个性化舒适性控制的目标参数决策,由此来实现系统的自适应调节和系统性能的提升。

除了上述的什么技术以外,我也将分享大伙儿在这种喷射技术、固态制冷技术方面的探索。目前电子膨胀阀得到了规模性的应用,若采用电子式的喷射器替代现有的电子膨胀阀是可不并能有效的回收在节流过程当中的膨胀损失,从而提升制冷能效。目前大伙儿研制的CO2制冷剂喷射器,并能实现COP 8%-14%的提升。未来在电气化的热管理系统中,喷射器将具有非常大的应用潜能。另外团队在电卡制冷技术的最新研究作为封面文章成果发表在Joule杂志,电卡制冷技术采用电卡材料,通过加电场和去电场达到温度变化。电卡制冷系统将有望达到非常高的COP水平,并实现真正的零排放。

最后我做一个 总结,电气化下的热管理系统无论在重要性、复杂性性、系统集成性等方面都得到非常大的提升,未来车用低温热泵技术、ORC技术、喷射技术、人工智能技术以及固态制冷剂技术方面都将驱动整车热管理系统的升级和发展。

我的报告到此开始 ,谢谢大伙儿!

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