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華為TMS整合式熱管理系統解析

華為 TMS 透過一體化設計的極簡架構、部件和熱控制整合等創新技術,可以在滿足舒適性前提下將熱泵工作溫度由業界的-10℃降低至-18℃,從而將新能源車續航提升 20%,同時透過個性化應用提升使用者體驗,助力車企打造能效最優、體驗最優的熱系統。此次釋出的 TMS 2.0 新品將在 2022 年量產,相較已在極狐搭載的 1.0 版本整合度更高,實現能效、標定效率、體驗三大提升。預計華為TMS 將加速汽車熱泵系統滲透率提升,利好產業鏈優勢廠商。

華為針對當下痛點推出業界整合度最高的智慧汽車熱管理解決方案

針對傳統熱管理系統 1)系統複雜(管路多、部件多);2)環境適應性差(-10 度以下啟動困難);3)效率和智慧化程度低、體驗缺乏個性化的三大痛點。歷經四年時間研究與開發,推出華為 TMS。華為 TMS 透過一體化設計、部件和控制兩個整合,可以實現能效、標定效率、體驗三大提升,解決了傳統熱管理的痛點問題。

與傳統車熱管理相比,新能源車有三大主要變化,即完全新增的電池熱管理、整車空調系統制熱變化、電驅動及電子功率件冷卻。傳統車熱管理系統=動力系統熱管理(發動機、變速箱)+駕駛艙空調系統;新能源車熱管理=電池熱管理+汽車空調系統+電驅動及電子功率件冷卻系統。

(1)電池熱管理:電池溫度是影響其安全及效能的關鍵因素(最佳工況溫度在 20-35℃),過高或過低(低於 0℃)對電池的壽命存在負面影響。在電池充放電過程中,溫度過低可能造成電池容量和功率的急劇衰減以及電池短路;溫度過高則可能造成電池分解、腐蝕、起火、甚至爆炸。動力電池系統需配合複雜的電池熱管理,為完全新增部分。

(2)汽車空調:對於製冷,新能源車與傳統車原理相近,差異在兩點,一是傳統車壓縮機可由發動機驅動,而電動車由於動力源變為電池需使用電動壓縮機;二是聯結方案上,傳統車動力系統與空調製冷過程較獨立,而電動車電池與空調冷卻系統通常聯結。對於制熱,傳統車空調系統加熱藉助發動機的餘熱,電動車需藉助 PTC 加熱(冬季使用續航受較大影響),未來制熱效率更高的熱泵系統是趨勢。

(3)電驅動及電子功率件熱管理:在新能源車高電壓電流運作環境、智慧駕駛技術日益複雜背景下,電機電控及電子功率件等耐受溫度低的部件對散熱要求高,需額外添設冷卻裝置。

熱泵系統能有效緩釋電動車採暖帶來的續航問題。原理在於其功能實現為“轉移熱量”(由低位熱源熱能→高位熱源)而非 PTC 加熱器的“轉換熱量”,從而使用 1 千瓦的電力能產生 2 千萬的制熱效率或 3 千瓦的製冷效率。熱泵系統構架與普通空調系統相似,區別在增加了可改變製冷劑流向的四通換向閥及雙向流通的膨脹閥,使得能在制熱/製冷模式切換,實現冬天制熱夏天製冷。據 Hanon 研究,相同的環境下,熱泵採暖的制熱效率是 PTC 的 1.8~2.4 倍,節能效果顯著,熱泵將取暖造成的損失里程恢復至 40%~50%。實際運用中,-20℃溫度下,熱泵中電動壓縮機存在無法啟動的問題,並且換熱器將結霜降低冷卻液與空氣間的換熱效率,往往需要配備輔助 PTC 加熱器。

而傳統熱泵方案系統複雜、管路眾多,環境適應性差(在-10℃以下無法使用),智慧化程度低(標定等工作依靠人工),嚴重影響了熱泵系統的效率和應用。華為率先推出整合式 TMS 解決方案,可以幫助車企打造能效最優、體驗最優的熱系統,助力熱管理行業邁向新的高度。

整體佈局

由於華為尚未公開其整合式熱管理系統內部結構,因此我們只能從外觀去進行一個大致的推測,從圖中可以看出系統屬於常規架構,熱管理部件透過基板完成整合,透過類似Model Y的八通閥的閥組進行水路的切換,從而滿足熱管理系統所需各種不同的模式。

正視方向:

華為TMS整合式熱管理系統解析

後視方向:

華為TMS整合式熱管理系統解析

引數解析

據官方宣稱華為整合熱管理系統實現了一體化設計、兩個整合、三大創新,這裡僅針對官方公佈的資訊進行簡要的解析,以便於大家理解,同時也提出一些個人見解。

一體化設計

傳統熱系統方案中,電驅、電池、乘員艙獨立管理,協同性差,導致整體功耗偏高、體驗差。華為TMS透過一體化極簡架構設計,打通電驅、電池、乘員艙等領域,並降低熱泵低壓側不可逆損失,實現整體能耗最優、體驗最佳。

打通電驅、電池、乘員艙等領域:這裡很容易理解,華為應該是透過多通閥組的方案對各個迴路的模式進行切換,類似Model Y的Octovalve的功能,可以自由的串並聯電池、電機、乘員艙的水迴路。

降低熱泵低壓側不可逆損失:指的是透過管路的整合降低了冷媒在管道內部的流阻,相對提高了壓縮機的吸氣壓力,這也為下面的-18°C提供了可能。

兩個整合

部件整合:華為TMS將傳統熱管理系統中12個部件整合為一體,採用基板替代原有的互通管路,實現熱管理系統管路數量降低40%,易於安裝和維護。

很好理解,這個確實是系統整合所帶來的好處,唯一的問題是,整合熱管理系統體積相對較大,在整車佈置過程中可能需要提前佔據一定的位置;另外關於維護方面,如果內部整合的部件出現問題,那麼更換維修的人力成本是否會更高?這個還是要看具體的佈置情況了。

控制整合:壓縮機、水泵等關鍵部件的控制系統全部整合至EDU(Electric Drive Unit ),大幅降低部件電控故障率,同時便於系統智慧化及全生命週期診斷維護。

大幅降低部件電控故障率,從可靠性的角度,分散式佈置的方案由於部件控制器在內部,由供應商供應,產線質量管控分佈在各個部件廠商,質量把控難以統一,集成於EDU後可以對來料、工藝過程整體把控,統一可靠性水平,確實有利於電控故障的降低;

衍生出新的疑問:分散式佈置的部件電控出現問題往往直接換件進行修復,整合後的EDU如果板上部件的控制晶片出現問題,是否需要整體更換EDU?這樣是否會引起維修成本的上升?

三大提升

能效提升:透過極簡的水源架構以及高度整合,降低系統流阻和控制複雜度,將熱泵系統最低工作溫度由業界的-10℃降低至-18℃,相比傳統非熱泵方案能效比提升至2倍。

最低工作溫度由業界的-10°C降低至-18°C。一般壓縮機入口壓力不低於1atm,對應的蒸發溫度為:-26.4°C,同時-18°C對應的飽和壓力為0.14MPa,也就意味著華為的整合式熱管理系統實現了以下兩個可能:

1. 蒸發溫差不超過8°C;

直冷方案中外部冷凝器作蒸發器時,一般在10°C以上,因此-10°C環境溫度下就容易導致吸氣負壓,然而華為採用水源架構應該指的是類似Tesla的間接換熱方案,透過液體對流換熱的高換熱係數和前端水箱的換熱面積提升來降低蒸發溫差。

2. 壓縮機吸氣端壓降不超過0.04MPa;

透過製冷劑管路整合,減少管路長度和轉向數量,降低管路流阻導致不可逆損失下降,從而相對性地提升了壓縮機吸氣壓力。

綜上,理論上確實可以實現-18°C熱泵執行。但是,做過熱泵試驗的都懂,這個工況下,常規熱泵壓縮機轉速稍高,0.04MPa的壓降就出現了,因此壓縮機排氣溫度非常低,不開輔助加熱僅依靠熱泵制熱是無法滿足乘員艙需求的!

標定效率提升:業界首創智慧自標定演算法,透過自動評價、自動引數最佳化代替人工標定,將標定週期從傳統的4個月降低至1.5個月,標定週期縮短60%。

自標定演算法是透過模擬還是整車或是臺架去進行並沒有闡述清楚,而且1.5月的標定時間真的只夠去“兩冬一夏+春秋季”的路試路上的時間...感覺不是很靠譜。如果1.5個月指的是實際路試時間,那麼傳統主機廠一般也不太會用4個月做熱管理系統的標定,這裡主要還是看各個主機廠的經驗和能力了。當然利用自動標定的演算法代替人工的想法是很好的,對標定效率的提升是肯定的。

體驗提升:透過車輛資料上報、大資料分析,實現智慧熱舒適性控制、智慧空氣管理、智慧預測性維護,大幅提升使用者體驗。

這個提升個人感覺相對比較虛。
智慧熱舒適性控制
——不依賴大資料其實也可以,這個不就是自動空調演算法麼。。。
智慧空氣管理
——空氣側質量感測器?CO2感測器之類的。
智慧預測性維護
——暫時沒有想到如何理解,可能指的是一些冷卻/加熱上的效能衰減,透過感測器採集的資料與參照工況下的資料對比獲得?

分類: 體育
時間: 2022-02-16

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