热量,从汽车诞生开始,一直是汽车不可或缺的。发动机驱动汽车,需要燃料燃烧做功,燃烧放出的热量对于汽车的工作尤为重要。
热量太少会让汽车无法完全进入工作状态,热量太多却会让汽车出现故障。所以对于热的管理,一直是各家车企需要解决的问题,就算是进入到电动车时代,对于三电系统的热管理也是如此。
所以现在各家车企是如何解决汽车动力系统的热管理问题的?
在发动机中,燃料燃烧做功为汽车提供动力。但是因此伴随而来的热量并不是发动机所需要的。发动机过热会导致发动机出现爆缸等严重损坏的情况。
但受到当时的技术限制,发动机并没有很复杂的冷却系统,空气成了发动机冷却的唯一介质。通过缸体直接与外界空气接触,来达到冷却发动机的效果。
这种冷却方式非常简单,而且成本很低,只需要对缸体外表面进行特殊的设计就能达到冷却效果。包括到现在很多摩托车用发动机,尤其是小排量发动机,都是风冷发动机,在缸体上看到的发动机散热片,其实就是发动机冷却的最主要来源。
风冷的优势自然是结构简单轻便,成本极低,但是较低的冷却效率让它现在只能用在超小排量发动机上。现在很多低成本的摩托车发动机使用的就是风冷。像最常见的那种125cc的摩托车,因为排量小,功率也小,对冷却的要求就比较低。
但到了更大排量的发动机,风冷就不能满足更高功率输出的要求了。这时候水冷就成了应该是唯一的冷却方式。
大排量发动机具有多个气缸,共同产生的热量就会更高,而受到风冷冷却能力的限制,发动机的功率输出是受限的。这也是几十年前的大排量多缸发动机,其动力输出不如现在2.0T的原因之一。
但为什么是水呢?原因是它的吸热能力是所有物质中最强的。
水的比热容是4200J/(kg·℃),说人话就是1kg水升高℃能吸收4200J热量。所以水的吸热效率非常高。如果用水来吸收发动机产生的热量,再通过其他热交换方式把热量释放到空气中,这样的散热效果会比直接风冷好得多。
现代汽车无论是燃油车还是电动车,其散热方式都是基于这样的方式进行的。
在内燃机气缸内,燃料的燃烧温度会高达2500℃,因此对于气缸和气缸盖的冷却是发动机冷却中的重头戏。
冷却水在发动机内经水泵进入到发动机缸体,发动机缸体内的冷却水道主要围绕着气缸,之前我也提过气缸内燃烧温度非常高,所以用冷却水先冷却气缸效果是最好的。冷却完缸体的冷却水会进入到缸盖的冷却水道中,缸盖也是发动机接受热量最主要的部件。冷却完缸盖的冷却水则会回到冷却水箱,与空气进行热交换,把刚才走完一轮所吸收的热量散出去。
上面提到的水冷系统其实只能算比较基础,没有完全发挥水冷系统的优势,因为发动机的不同部件,在不同工况下对于冷却的要求是不一样的。
回到我刚才提到的水冷路线,冷却水在经过缸体后已经吸收了很大一部分的热量,此时再去冷却气缸盖的话,会因为冷却水吸热能力不足导致冷却不充分。
另外,最基础的冷却系统,它的水泵动力是从曲轴前端皮带轮系获取的,这就意味着其泵水速度与发动机转速成正比。但在一些低转速高负荷的工况时,水泵泵水能力不足也会导致冷却效率下降。
所以在发动机冷却系统中,会有一些比较特别的设计。
比亚迪DM-i使用的1.5L骁云发动机,使用了电子水泵和分体冷却技术。电子水泵就是用电机驱动的水泵,其转速与发动机的转速并不相关,所以在低转速高负荷的工况时,电子水泵依然能给发动机提供充足的冷却水。
配合两个电子节温器后,骁云1.5L发动机也解决了另一个问题——发动机起动时冷却水供应不足导致暖机速度慢,这对于经常启停的混合动力专用发动机而言非常重要。
另外,针对发动机缸体和缸盖的冷却,比亚迪还为发动机配备了分体冷却技术,简而言之是缸体冷却和缸盖冷却分为两条冷却回路,不再是冷却水先冷却缸体再冷却缸盖,通过两个节温器控制两条冷却回路,提高了冷却效率。
像电子水泵、电子节温器这些电气化部件,对于冷却系统的效率提升是很高的。这当然也仰仗于更高电压的整车电气系统。无论是现在欧洲车最喜欢用的48V,还是更高电压的混动车,电气系统的支持都非常重要。
在燃油车上发动机需要强大的冷却系统冷却。而在电动车上,对电池、电机和电控系统的冷却同样不可或缺。而且电池的工作最适温度在50℃上下,工作温度范围相比发动机更窄,热管理系统不仅要懂得冷却,还要懂得在极寒状态下加热。
所以很多纯电动车或PHEV车型,都使用了圆柱形电池。虽然圆柱型电池相比软包电池在空间利用率上稍有落后,但是圆柱型电池堆叠形成的空隙能让冷却水流动,冷却效率会更高。比如梅赛德斯-AMG GT63 e Performance使用的6.1kWh三元锂电池,在圆柱形电池单元中间设计了冷却水道,宝马i3也有类似的设计。
但是对于电池加热,很多车企却有着不同的解决方案。
比如极氪001使用了吉利和博格华纳合作研发的高压液体加热器。通过加热冷却循环液,保证电池在低温状态下达到工作温度,同时为乘员舱提供更好的制暖效果。
高温液体加热器采用厚膜元件(TFE)技术,既能满足对快速产生热量的高性能系统的需求,同时由于高压加热器的加热元件和冷却液之间热阻很小,因而能实现最小的功率损耗。
其实对于汽车的热管理是一个相当复杂的课题,到了电动车时代依旧是如此。现在无论是电池本身的性能还是车内制热,就算是用上了热泵空调,效果都不太理想。未来电动车的热管理,还需要多管齐下,运用多种措施来解决问题。