新能源汽车电机的风冷和水冷有何区别.docx
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新能源汽车电机的风冷和水冷有何区别
新能源汽车电机的风冷和水冷有何区别?
随着国家政策的推动和人们环保意识的增强,新能源汽车的普及程度正在逐渐加深中。
当然,这一情况也离不开新能源汽车技术的进步,其中一项就是新能源汽车散热技术。
新能源汽车的散热单元主要有动力电池和驱动电机及电控系统。
从传统发动机散热技术和新能源汽车散热实际应用效果看,水冷和风冷是新能源汽车散热最主要的两种方式。
电机作为纯电动新能源汽车的驱动,可实现极低排放或零排放。
纯电动汽车在驱动与回收能量的工作过程中,电机的定子铁芯、定子绕组在运动过程中都会产生损耗,这些损耗以热量的形式向外发散,因此就需要有效的冷却介质及冷却方式来带走热量,保证电机在一个稳定的冷热循环平衡的通风系统中安全可靠的运行。
而电机冷却系统设计的好坏,将直接影响电机的安全运行和使用寿命。
采用了风冷这种散热方式的电机,自带同轴风扇来形成内风路循环或外风路循环,通过风扇产生足够的风量,以带走电动机所产生的热量。
其介质为电机周围的空气,空气直接送入电机内,吸收热量后向周围环境排除。
风冷的特点是结构相对简单,电机冷却成本较低,但是散热效果和效率都不太好,工作可靠性差,并且对天气和环境的要求也比较高。
采用了水冷这种散热方式的电机,会将冷却液通过管道和通路引入定子或转子空心导体内部,通过循环的冷却液不断的流动,带走电机转子和定子产生的热量,达到对电机冷却的目的。
虽然水冷的成本比风冷略高,但它的冷却效果却比风冷更加显著,而且散热均匀、效率高,工作可靠性强,噪音也更小。
只要保证了整个装置能拥有良好的机械密封性,就可以在各种环境下使用。
新能源汽车水冷散热和风冷散热对比:
散热方式
优点
缺点
水冷
1.散热均匀,散热效率高,散热效果好;
2.工作可靠性强;
3.耐候性好,受环境影响小;
4.噪音相对较小;
1.散热系统结构较复杂,安全等级要求高;
2.成本高;
3.售后维护难度较大;
风冷
1.散热系统结构简单,零部件少,整体质量轻;
2.成本低;
3.售后维护难度较小;
1.散热不均匀,散热效率低,散热效果不好;
2.工作可靠性差;
注:
行业内电机主流散热方式是水冷。
新能源汽车水冷散热原理:
动力电池和驱动电机系统在设计时预留了水路管道。
驱动电机工作时产生热量,冷却液经水套流动带走热量进入水箱散热器。
散热器与电子风扇集成,电子风扇加速水箱散热,使冷却液降温,达到驱动电机要求的正常工作温度。
经过散热的冷却液再次流经驱动电机,循环往复。
新能源汽车水冷散热系统组成部分:
1、水箱散热器,主要作用是冷却进入芯片的冷却液。
从材质上,分为铜水箱和铝水箱。
从内部结构上,分为板翅式、管带式、管片式。
2、电子风扇。
不同发动机冷却系统,新能源汽车冷却风扇都是采用电子风扇散热。
不同的冷却系统电子风扇不同。
驿力科技ATS电机冷却系统根据驱动电机的功率可以匹配一个风扇版本、两个风扇版本。
一般情况下,两个电子风扇散热量足以满足市场上常见的所有纯电动汽车。
混合动力汽车由于还有发动机、涡轮增压器装置,所需电子风扇比较多,一般也不超过6个。
3、电控系统。
电控系统主要包括风扇控制器、线束、传感器、显示器等。
驿力科技ATS是包含电控系统,但从市场整体看,并不是所有新能源汽车散热系统都有电控系统。
借助电控系统,驿力科技ATS可以智能控制新能源汽车散热,不在像传统发动机冷却系统那样“呆板”。
4、电动水泵。
水泵是不可缺少的一个组件,主要作用就是提供冷却液循环的动力。
冷却液在驱动电机及电控和水箱散热器之间的循环就需要电动水泵。
驿力科技ATS是自带电动水泵组件的,只是有的客户会单独选择水泵品牌。
从系统整体稳定性而言,我们是不建议这样做的。
燃料电池系统未来五大发展趋势预测
目前,国内燃料电堆产业化功率密度(乘用车)已达到1.8kW/L,实验室达到3.1kW/L,乘用车系统使用寿命普遍达到5000h,商用车达到10000h,具备零下30度低温启动能力。
研究机构EVTank联合伊维经济研究院在相继发布了加氢站、氢气制取、氢气存储与运输等方面的研究报告后,近日再次发布《燃料电池系统产业链研究报告(2019)》。
在研究报告中,伊维经济研究院从产业链的角度梳理了燃料电池电堆、双极板、膜电极、质子交换膜、催化剂、气体扩散层等产业链关键环节进行了深度的研究和分析,并详细梳理了燃料电池产业链各环节的企业的基本情况。
关于燃料电池系统,伊维经济研究院认为其关键部件包括电堆、供气系统等辅助系统,关键技术包括水热管理技术、低温冷启动、系统的控制技术等。
燃料电池电堆是这个系统的核心,包括双极板、膜电极、催化剂、质子交换膜、气体扩散层等部件。
其中,催化剂、质子交换膜和气体扩散层集成在一起成为膜电极,它是堆的主要部件。
一、电堆
电堆是发生电化学反应的场所。
单体电池是由双极板与膜电极组成。
按目标负载需求,将多个单电池层叠组合,嵌入密封件,经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢,即构成燃料电池堆(简称电堆)。
电堆工作时,阳极为氢燃料发生氧化的场所,阴极为氧化剂还原的场所,两极都含有加速电极电化学反应的催化剂,质子交换膜作为传递氢离子的介质,只允许氢离子通过,电子则在外部形成电流。
工作时,电堆相当于一个直流电源,阳极即电源负极,阴极即电源正极。
实际上燃料电池电堆不是一个储能装置,而是一个发电装置。
在《燃料电池系统产业链研究报告(2019)》,伊维经济研究院将全球燃料电池电堆主要供应商分为两大梯队,第一梯队主要是乘用车大厂,如丰田、本田、现代等,其电堆功率均超过100千瓦,自供燃料电池汽车使用,不对外销售。
第二梯队以巴拉德、hydrogenics等为主,欧美燃料电池商用车多采用其电堆,功率较低。
同时巴拉德、hydrogenics等企业积极布局中国市场,采取技术合作、技术转让、合资建厂、定向采购的模式,供应国内商用车。
关于国内电堆生产企业,伊维经济研究院在报告中归为三大体系:
规模较大属“巴拉德系”,发展模式选择引进巴拉德技术,通过合资建设生产线,购买巴拉德电堆组件生产,主要供应国内商用车、物流车,代表企业有广东国鸿、大洋电机、潍柴动力等;亿华通则通过产学研结合,自主研发,同时引进国外先进技术加以吸收、创新,成为国内燃料电池供应最多的厂家之一;国内纯自主研发的代表企业主要是新源动力、上海神力、明天氢能等,依靠与高校合作,产学研结合以及承担国家相关课题,经过多年技术积累,形成了一定产能。
伊维经济研究院研究发现,目前,国内燃料电堆产业化功率密度(乘用车)已达到1.8kW/L,实验室达到3.1kW/L,乘用车系统使用寿命普遍达到5000h,商用车达到10000h,具备零下30度低温启动能力。
二、双极板
双极板是电堆的多功能部件,其主要作用是通过表面的流场给膜电极输送反应气体,同时收集和传导电流(多个单电池通过双极板串联)并排出反应的热量及产物水。
其重量约占电堆的80%,成本约占30%。
双极板材料目前主要是石墨双极板、金属双极板和复合板,伊维经济研究院调研发现石墨双极板当前应用最为广泛。
石墨双极板耐腐蚀性强,导电导热好,但气密性较差,厚度大且加工周期长,成本较高。
另一方面,而由于乘用车空间限制,高功率、低成本的金属双极板具有更好的应用前景,目前国外已实现商业化利用。
复合双极板更适合批量化生产,但目前研发程度较低。
伊维经济研究院认为石墨双极板技术成熟,目前主流供应商有POCO、巴拉德等。
国产厂商主要有上海神力、上海弘枫、嘉裕碳素等公司。
尽管石墨双极板已初步实现国产化小规模使用,伊维经济研究院认为由于缺乏耐久性和工程化验证,且生产工艺多为机械加工成型,成本难以降低。
伊维经济研究院通过研究发现国外金属双极板技术成熟,已完成工艺验证,主要供应商有德国Dana、英国Bac2等。
国内企业多数处于试制阶段,上海佑戈、上海治臻新能源、新源动力等企业研发较为领先,并已尝试车用。
安泰科技钛双极板2018年已实现量产,供应加拿大巴拉德。
而复合双极板的研发目前还比较少,主要研究企业为武汉喜马拉雅、新源动力等。
三、膜电极
膜电极是电堆的“电芯”,决定了电堆性能、寿命和成本的上限,成本占据电堆60%以上。
膜电极组件是集膜、催化层、扩散层于一体的组合件,是燃料电池单体的最重要组件。
伊维经济研究院研究发现,目前,国际上已经发展了3代膜电极技术路线:
一是主要采用热压法,将催化剂浆料涂覆在气体扩散层上,构成阳极和阴极催化层,形成“GDE”结构膜电极,总体性能不高;二是把催化层制备到膜上(CCM),一定程度上提高了催化剂的利用率与耐久性,但催化层结构具有不稳定性;三是有序化的膜电极,把催化剂如Pt制备到有序化的纳米结构上,使电极呈有序化结构,获得坚固、完整的催化层,进一步提高燃料电池性能,降低催化剂铂载量。
目前商业化程度最高的是第二代CCM技术,第三代有序化技术还处于研发试验阶段,只有戈尔公司实现量产。
伊维经济研究院在研究报告中分析认为目前膜电极市场主要被国外企业占据,主流专业膜电极的供应商主要有3M、戈尔、东丽等。
巴拉德、丰田、本田等电池、乘用车企业自主开发了膜电极。
国产膜电极性能与国际水平接近,稍有差距,但在批量化生产工艺和装备差距较大,国外已实现卷对卷的连续化生产。
国内专业的膜电极供应商,伊维经济研究院研究发现企业主要是武汉理工新能源,主要出口供应普拉格,以及供应国内车企使用,是全球六大膜电极供应商之一,其规模化量产年产量达到12万片,建成的自动化膜电极生产线产能达到2万平米/年,未来预计建设到10万平米/年。
大连新源也自主生产膜电极,主要是自用为上汽的发动机配套。
鸿基创能膜电极在建产能10万平米/年,2020有望实现投产。
此外还有大连化物所、武汉汉喜马拉雅、苏州擎动等参与膜电极研发工作。
四、质子交换膜
质子交换膜是质子交换膜燃料电池(PEMFC)的核心元件。
从膜的结构来看,质子交换膜(PEM)大致可分为三大类:
磺化聚合物膜,复合膜,无机酸掺杂膜。
目前研究的PEM材料主要是磺化聚合物电解质,按照聚合物的含氟量可分为全氟磺酸质子交换膜、部分氟化质子交换膜以及非氟质子交换膜等。
伊维经济研究院在研究报告中提到目前最常用的质子交换膜是美国科慕(杜邦)的Nafion全氟磺酸膜、戈尔公司的select复合膜。
质子交换膜国外已实现规模化生产,主流企业有戈尔、科慕、旭硝子、旭化成等;国内技术水平与国外相当,但多处在中试阶段,能够批量化供应只有东岳集团,已进入AFCC(奔驰福特合资公司)供应链。
目前应用最多的全氟磺酸膜具有化学性能好、质子传导率高等优点,但其产品的合成及磺化工艺复杂,成本高;此外全氟磺酸膜对温度和含水量要求高,以Nafion膜为例,其最佳工作温度为70~90℃,过高温度会使其含水量急剧降低,导电性迅速下降,因此电极反应速度难以提高,催化剂也容易中毒,从而损害电堆寿命。
故而部分氟化、无氟化、复合质子交换膜、高温质子交换膜为重要研究方向,它们加工简单、成本低、稳定性更优。
五、催化剂
催化剂是燃料电池的关键材料之一,目前燃料电池中常用催化剂是Pt/C,即由铂的纳米颗粒分散到碳粉载体上的担载型催化剂。
研究目标就是使燃料电池催化剂的铂载量低于传统燃油车,国外催化剂铂载量达到0.1~0.2g/kW,国内铂载量0.3~0.4g/kW,离传统燃油车0.05g/kW还有较大下降空间。
伊维经济研究院研究认为催化剂海外企业领先,已经能够实现批量化生产,国内正起步。
其中英国JohnsonMatthey和日本田中(供应本田Clarity)等是全球领军企业。
国内企业尚处于研究阶段,包括大连化物所、新源动力、贵研铂业等高校、企业,大连化物所制备的Pd@Pt/C核壳催化剂,其氧还原活性与稳定性优于商业化Pt/C催化剂;贵研铂业和上汽共同研发燃料电池催化剂,已获得一定成果。
六、气体扩散层
气体扩散层位于流场和膜电极之间,扩散层的材质是经疏水材料处理的碳基材料(碳纸或碳布)。
疏水材料的作用是防止水在扩散层孔中积聚,影响气体扩散。
扩散层的主要作用是为参与反应的气体和产生的水提供传输通道,并支撑膜电极。
因此,气体扩散层必须具备良好的机械强度、合适的孔结构、良好的导电性、高稳定性,因而所需碳纸、碳布必须具备优良性能。
伊维经济研究院在《燃料电池系统产业链研究报告(2019)》认为国外日本东丽、巴拉德、德国SGL等厂商的碳纸产品已经实现规模化生产,国内台湾碳能、安泰科技(开始供应普拉格)实现批量生产,全球市场主要由东丽、台湾碳能主导。
国内其他研发主体主要集中于中南大学、武汉理工大学、上汽集团等高校、企业,多受制于市场需求规模小、技术不成熟等因素而不能规模化量产。
在伊维经济研究院发布的《燃料电池系统产业链研究报告(2019)》中,还对燃料电池系统未来的发展趋势做了预测:
(1)燃料电池电堆降成本仍然是行业发展重点。
在当前技术条件下,质子交换膜、气体扩散层等加工成本主导的零部件可以通过规模化实现降成本,而双极板、催化剂受原料成本主导难以通过规模化降本,因此需要更迭技术,探索低成本解决方案。
(2)电堆及零部件国产化进程加快。
目前国内用于乘用车的金属双极板、膜电极、质子交换膜、催化剂、炭纸生产能力较低,市场由国外企业主导。
随着国内研发投入加大,未来电堆生产技术及各零部件技术与国外差距将缩小,国产替代将加速。
(3)石墨双极板技术成熟,国内将迎来规模化生产。
石墨材料将寻求性能更优、成本更低新型炭基材料,生产工艺由机械加工成型向模压成型转变。
而随着乘用车技术的进步,体积小、功率高更适宜批量生产的金属双极板前景广阔。
(4)有序化膜电极技术是未来膜电极制备主流发展趋势。
有序化膜电极能够解决CCM技术催化层结构不稳定的缺陷,具有优良的多相传质通道,能有效降低铂载量,并提高膜电极寿命。
目前,行业内小范围实现量产,规模化量产仍面临水管理等技术和制备难题。
(5)降低催化剂铂载量或使用非铂催化剂是有效的降成本方向。
一方面通过改进电极,提高铂质量比活性以降低铂用量,开发核壳机构、铂合金或纳米结构的超低铂催化剂;另一方面研究开发非铂催化剂,如钯基催化剂、非贵金属催化剂和非金属催化剂技术。
汽车各部件的工作原理
汽车是借助于自身的动力装置驱动,且具有4个或4个以上的车轮的非轨道无架线车辆。
汽车一般由发动机、底盘、车身和电气设备等四个基本部分组成。
它的传动系由离合器、变速器、万向传动轴装置,以及驱动桥中的主减速器、差速器和半轴等组成。
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1、发动机
汽车发动机是为汽车提供动力的发动机,是汽车的心脏,影响汽车的动力性、经济性和环保性。
常见的汽油机和柴油机都属于往复活塞式内燃机,是将燃料的化学能转化为活塞运动的机械能并对外输出动力。
汽油机转速高,质量小,噪音小,起动容易,制造成本低;柴油机压缩比大,热效率高,经济性能和排放性能都比汽油机好。
四缸发动机工作透视图
汽车发动机的工作原理:
四冲程汽油机是将空气与汽油以一定的比例混合成良好的混合气,在吸气冲程被吸入汽缸,混合气经压缩点火燃烧而产生热能,高温高压的气体作用于活塞顶部,推动活塞作往复直线运动,通过连杆、曲轴飞轮机构对外输出机械能。
四冲程汽油机在进气冲程、压缩冲程、做功冲程和排气冲程内完成一个工作循环。
2、底盘
汽车底盘由传动系、行驶系、转向系和制动系四部分组成。
底盘作用是支承、安装汽车发动机及其各部件、总成,形成汽车的整体造型,并接受发动机的动力,使汽车产生运动,保证正常行驶。
汽车传动系
汽车发动机与驱动轮之间的动力传递装置称为汽车的传动系。
它应保证汽车具有在各种行驶条件下所必需的牵引力、车速,以及保证牵引力与车速之间协调变化等功能,使汽车具有良好的动力性和燃油经济性;还应保证汽车能倒车,以及左、右驱动轮能适应差速要求,并使动力传递能根据需要而平稳地结合或彻底、迅速地分离。
传动系统包括离合器、变速器、传动轴、主减速器、差速器及半轴等部分。
汽车发动机与驱动轮之间的动力传递装置称为汽车的传动系。
离合器:
离合器位于发动机和变速箱之间的飞轮壳内,用螺钉将离合器总成固定在飞轮的后平面上,离合器的输出轴就是变速箱的输入轴。
在汽车行驶过程中,驾驶员可根据需要踩下或松开离合器踏板,使发动机与变速箱暂时分离和逐渐接合,以切断或传递发动机向变速器输入的动力。
变速器:
变速器是用来改变来自发动机的转速和转矩的机构,它能固定或分档改变输出轴和输入轴传动比,又称变速箱。
它分为手动、自动两种,手动变速箱主要由齿轮和轴组成,通过不同的齿轮组合产生变速变矩;而自动变速箱AT是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成,通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。
手动变速箱称手动变速器(简称MT)又称机械式变速器,即必须用手拨动变速杆(俗称“挡把”)才能改变变速器内的齿轮啮合位置,改变传动比,从而达到变速的目的。
它结构简单,性能可靠,制造和维护成本低廉,且传动效率高(理论上会更省油),另外,由于是纯机械控制,换挡反应快,且可以更直接的表现驾驶者的意愿,因此也更富驾驶乐趣,这些都是手动变速箱的优点。
不过相比自动变速箱,它操作繁琐,而且在挡位切换时顿挫明显的劣势也是无法弥补的。
变速器的功能:
1.改变传动比;
2.在发动机旋转方向不变情况下,使汽车能倒退行驶;
3.利用空挡,中断动力传递,以使发动机能够起动、怠速,并便于变速器换档或进行动力输出;
传动轴:
传动轴是由轴管、伸缩套和万向节组成。
伸缩套能自动调节变速器与驱动桥之间距离的变化。
万向节是保证变速器输出轴与驱动桥输入轴两轴线夹角的变化,并实现两轴的等角速传动。
万向节:
万向节是汽车传动轴上的关键部件。
在前置发动机后轮驱动的车辆上,万向节传动轴安装在变速器输出轴与驱动桥主减速器输入轴之间;而前置发动机前轮驱动的车辆省略了传动轴,万向节安装在既负责驱动又负责转向的前桥半轴与车轮之间。
差速器:
汽车差速器能够使左、右(或前、后)驱动轮实现以不同转速转动的机构。
主要由左右半轴齿轮、两个行星齿轮及齿轮架组成。
功用是当汽车转弯行驶或在不平路面上行驶时,使左右车轮以不同转速滚动,即保证两侧驱动车轮作纯滚动运动。
差速器是为了调整左右轮的转速差而装置的。
汽车行驶系统:
汽车行驶系由车身、车桥、车轮和悬架组成。
车轮分别支承在各车桥(前桥、后桥)上,为了减少汽车在不平路面上行驶时受到的振动,车桥又通过弹性悬架与车身连接。
汽车车桥:
汽车悬挂系统:
汽车悬挂系统就是指由车身与轮胎间的弹簧和避震器组成整个支持系统。
悬挂系统应有的功能是支持车身,改善乘坐的感觉,不同的悬挂设置会使驾驶者有不同的驾驶感受。
外表看似简单的悬挂系统综合多种作用力,决定着轿车的稳定性、舒适性和安全性。
汽车制动系统:
汽车制动系统是指,对汽车某些部分(主要是车轮)施加一定的力,从而对其进行一定程度的强制制动的一系列专门装置。
制动系统作用:
使行驶中的汽车按照驾驶员的要求进行强制减速甚至停车;使已停驶的汽车在各种道路条件下(包括在坡道上)稳定驻车;使下坡行驶的汽车速度保持稳定。
汽车车身:
汽车车身的作用主要是保护驾驶员以及构成良好的空气力学环境。
好的车身不仅能带来更佳的性能,也能体现出车主的个性。
汽车车身结构从形式上说,主要分为非承载式和承载式两种。
非承载式车身的汽车有刚性车架,又称底盘大梁架。
车身本体悬置于车架上,用弹性元件联接。
车架的振动通过弹性元件传到车身上,大部分振动被减弱或消除,发生碰撞时车架能吸收大部分冲击力,在坏路行驶时对车身起到保护作用,因此车厢变形小,平稳性和安全性好,而且厢内噪音低。
承载式车身的汽车没有刚性车架,只是加强了车头,侧围,车尾,底板等部位,车身和底架共同组成了车身本体的刚性空间结构。
这种承载式车身除了其固有的乘载功能外,还要直接承受各种负荷。
这种形式的车身具有较大的抗弯曲和抗扭转的刚度,质量小,高度低,汽车质心低,装配简单,高速行驶稳定性较好。
但由于道路负载会通过悬架装置直接传给车身本体,因此噪音和振动较大。
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