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法兰加热管并能直接涂覆在热交换器上

文章来源:未知         发布时间:2020-04-02 12:15

  混合动力车和电动车由于发动机要频繁在高效率区运行,由于在纯电力驱动情况下发动机不能作为热源使用时,车辆就会发生没有热源的问题。特别是对于驾驶室的温度调节,需要额外的热源来保证舒适性与安全性。为了使电力驱动的续驶里程化和提高燃油效率,需要在动力蓄电池耗电少的情况下,快速、高效和安全地生成热量。Webasto基于1种获专利的新热层技术开发了新型高电压加热器。先容了为达到该项目目标的设计理念和研发结果。

  汽车行业中向电力驱动和电气动力总成发展的趋势催生了种类繁多的车辆概念。从轻度混合动力到全混合动力、增程器和纯电动车,电气化程度在逐渐提高,同时内燃机的应用在下降。随着发动机的不断优化、先进的控制策略推出,以及越来越多的电动驾驶,由发动机或其他装置产生的废热导致可用于驾驶室或动力蓄电池温度调节的热量不足,各种电气化车辆对热量需求的依赖度如表1所示。

  驾驶室加热是确保车辆安全及舒适行驶的1个重要功能。除了驾驶室舒适性和车内的温度以外,空气调节系统(HVAC)还必须确保包括满足法规要求在内的某些功能,如根据欧洲法规672/2010和美国联邦机动车辆安全标准FMVSS103的规定,必须在20min后除去挡风玻璃上80%以上的冰。除霜和去湿是法规要求的另外2项功能。驾驶室的良好调温是舒适性和安全性的基础,这也是保证驾驶不受影响的重要因素。

  对加热器的主要要求随汽车的用途而定,概括如下因素: (1) 效率;(2) 成本较低或比较合理;(3) 反应时间快速,可控性好;(4) 封装尺寸尽可能小化和质量轻;(5) 可靠性好;(6) 可持续性和环保性好。

  总的来说,热概念可以分为主要热源和赐尼斯国际平台app仍础V饕仍词悄懿菔皇业魑滤璧2kW以上热量的热源。赐尼斯国际平台app仍床娜攘吭2kW以下,通常将其热量导向特定的部位,如座椅加热器。

  加热系统可分为2种主要的类别,它取决于燃料类加热器还是电加热器实现的加热: (1) 直接加热空气的空气加热器,它能使驾驶室快速升温;(2) 使用冷却液作为媒介热量载体的水加热器,它能更好地分配热量并集成在HVAC中。

  过去,混合动力车和电动车中引入了燃用燃料的加热器,其较低的电力消耗可使电能用于车辆行驶,而不是用于加热。因为在冬季使用电加热器会使电力驱动的续航里程缩短约50%,因此人们通常选择燃料加热方法。

  然而,对无排放车辆系统的需求使得人们必须寻找其他加热方案,其中电加热器概念就是1种可行的解决方案。

  在开发之前,对现有和潜在的几种技术(如线绕电阻或正温度系数(PTC)加热)进行了分析。对4项主要的开发目标进行了评估,并针对这些目标对几种潜在的技术进行了比较:

  (1) 在效率方面,新的加热器必须是高效的,它应能在较宽的冷却液温度范围内和所有的电压下提供所需的热量输出;

  (2) 在质量和尺寸方面,新型加热器必须做到尺寸尽可能小,质量尽可能轻;

  (3) 在使用性和成本方面,必须避免使用稀土材料和Pb,同时,新产品的成本必须有竞争力;

  (4) 在安全性方面,在所有的条件下都必须防止任何触电危险或者烫伤事故。

  在现有的汽车用电加热器概念中,流行的是采用由温度系数为正值的钛酸钡(BaTiO3)制成的电阻器的PTC加热器。为此,对其工作原理的若干细节进行了说明,并将它与按高电压加热器HVH开发的层状加热器进行了对比。

  图1所示为PTC元件的电阻随温度的变化曲线,并将它与HVH的电阻温度曲线的PTC元件和HVH热层技术的电阻随温度变化的关系

  (3) 通电时会产生较高起动电流的非线性电阻/温度曲线,再加上PTC元件较高的热阻,使得PTC加热器的响应时间相对较慢;

  (4) 由于PTC温度较低,会导致传递到冷却液的热量较少,因而随着冷却液温度升高,热性能会降低;(5) 当PTC温度变小时,热性能会随着电压降低而降低,从而限制了传热。(6) 由于PTC元件的温度与施加的电压直接相关,在部分负荷时很难进行控制。

  初步评估和预开发的结果表明,1种新的电加热器概念必须满足为电加热器设定的所有目标。

  根据对几种加热器技术进行分析所得的结果,层状加热器概念被选定为富前景的加热器概念,它既能实现较高的效率,又能集成为1种尺寸小、质量轻的加热单元。

  与PTC加热器采用的紧配合相比,热层技术的热量传递速度更快,由于热阻较低,热元件本身可以在较低的温度下工作。图3中显示了线绕电阻加热技术的特性,其温度上升到了800~900℃。与线绕电阻加热技术相比,PTC的热阻与之相似,但可达到的温度较低。这两种技术及其特性与热层技术正好相反,热层技术的热阻明显更低,因而允许更低的温度。

  HVH中所用的热层所起的作用就像1个普通电阻器,它产生的热量与施加的电压之间呈平方关系。因此,随着电压的增加,如果不安装限制功率的机构,电功率将会增大。这与PTC加热器正好相反,后者具有随着电压增加的固有限制特性。

  根据按ISO 26262标准进行的故障和风险详细分析,确定了HVH的主要安全目标为无电击和无过热现象。因此,在整个设计和开发阶段应对此十分注意,以确保在HVH的所有工作条件下都能满足这些安全目标。通过一些容易利用的措施,诸如采取高电压侧和低电压侧的电绝缘、基础绝缘和电位补偿等措施来预防电击。

  由于在工作温度范围内加热层的电阻近乎恒定,如果不采取某种控制手段的话,HVH的电功率势能和生成的热量将会随电压的升高而快速、成比例地增加。一方面,由于在整个工作范围内产生的热量不受施加的电压或冷却液温度的限制,这是HVH的主要优点之一。另一方面,HVH工作不受控制将会产生高温,且可能会超过HVH的温度限值。因此,HVH的主要挑战之一是要开发一种能在所有情况下防止不受控制热量生成的系统配置。下列章节将先容几种主要的电子保护机制。

  由于直接涂覆的传热层非常薄(0.7mm),热交换器表面与冷却液之间的温度差值相当小(图4),这就允许将过热传感器标定为稍稍大于系统的冷却液温度(120℃)(表2)。当温度低于过热或过热状态下会发生损坏的温度水平时,该标定温度是安全的。在冷却系统经受冷却液或冷却液流损失时,该技术的这一特性还能提供非常快的响应时间。

  (5) 在整个工作范围内功率/电流呈线辆电动车上测得的通电时和通电后HVH与PTC加热器的电力特性比较。上述HVH的优点得到了确认。与PTC加热器相比,HVH无起动电流,响应时间非常快,且没有功率限制。

  图5在车辆应用中测得的HVH与PTC加热器的电力接通特性(起动条件: 冷却液入口温度-20℃,与车辆HVAC的设置相同)

  图6由独立德国实验室测得的HVH转换效率(空气温度-10℃,冷却液温度75℃,冷却液流量10L/min,空气流量240kg/h)

  高转换效率和快速响应时间的正面效果在车辆上测定时得到了验证。如图7所示,与安装在车辆上的PTC加热器相比,HVH达到60℃参比温度的时间几乎要减少一半(270s与500s),并且消耗的电能减少40%(0.28kW·h与0.48kW·h)。

  新开发加热器的主要特性如表2所示。加热器的长、宽、高尺寸为284mm、200mm、54mm,体积为1700mL、质量为2kg,基于热层技术的HVH是小的加热器,它能在-40~90℃的整个冷却液温度范围内产生5kW的热量,并能够使温度升到高达120℃。PWM控制的单元允许在250~450V的电压范围内对热量输出以50W的步长从200W调节到5kW。

  总结来说,开发了1种适合汽车应用的新型高电压加热器,采用了直接热喷涂的薄膜电阻加热层技术。这一技术能使冷却液实现非常快速和准确控制的加热。在紧凑而轻量的设计中还包括了备用的机械安全系统、硬件,以及安全系统。

  新型热层技术具有相当扁平的结构,并能直接涂覆在热交换器上,它能为汽车取暖领域带来各种有前景的应用机会,且能不局限于目前应用中采用的形状或几何结构。该项新技术将会首次在量产乘用车上应用。该项术可以应用于诸多场合,它的外形尺寸与热量需求、所需的供热位置或供热目的无关。目前正在对其中几种可能性对进行评估。
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