新能源汽车热管理系统（一）

一、背景

在汽车的工作、运行过程中由于动力部件、控制系统等时刻处于持续运转中，因此在整车系统的运行过程中能量的转换、机械的摩擦等方式皆会以热能的方式表现出来，因此需要一套完善的、高效的整车热管理系统对整车产生的热量进行管理，该系统可通过统筹调控整车热量与环境热量以保持整车各部件工作在其最佳的温度范围中，以此为汽车提供一个安全、舒适的运行环境。

在汽车还处于传统燃油时代时，整车在运行过程中的主要发热源来源于发动机及其系统，因此如何为发动机及系统散热，同时利用好该部分热能则成为了传统汽车热管理系统的研究课题。但在汽车电动化时代，整车的发热源由传统的发动机变为了动力电池、驱动电机和相关的电控系统等部件。而由于当前主流的液态锂电池是新能源汽车的主要能量来源，且自身具备高能量并具有热失控的风险，因此如何确保动力电池工作在最佳温度范围且又能降低热失控的风险，同时又能通过合理的热量管理以提高其使用寿命和整车的舒适性，并为整车增加续航里程则成为了新汽车时代下整车热管理的研究方向。

二、汽车热管理系统

汽车热管理是从整车角度出发，通过统筹车辆的发动机（传统或混动）、空调、动力电池、电机等相关部件及子系统的相关匹配、优化与控制，以此来有效解决整车热相关的问题，使得各功能模块皆能处于最佳温度区间中，以提高整车经济性、动力性和安全性。由于传统燃油车与新能源汽车在动力源、工作模式等方面存在一些区别，因此整车热管理系统也不尽相同。

图1 汽车热管理系统分类

2.1 传统燃油车热管理

按照整车空间区域划分，传统燃油车的热管理可分为：动力系统热管理以及座舱空调热管理两部分。

图2 燃油车热管理系统

2.1.1 动力系统热管理

主要由发动机和变速器组成。发动机热管理是传统汽车热管理的重点，其通过发动机的冷却系统以风冷或液冷的方式释放发动机运行过程中产生的热量，避免发动机在高负荷运转状态下过热而出现故障。

2.1.2座舱空调系统热管理

当座舱有加热需求时，利用发动机运行产生的余热，通过热管理管理系统对低温时的座舱进行热循环管理。在炎热高温环境中，通过空调冷媒的制冷为座舱实现降温功能，以提供乘坐员舒适的环境。

传统燃油车热管理总结可参考下图。

图3 传统车热管理

2.2 新能源汽车热管理

按照整车空间区域划分，新能源汽车热管理主要包括：动力系统热管理、座舱空调热管理、驱动控制热管理三大部分。与传统车不同的是，在新能源汽车的纯电车型中，由于没有了发动机提供的热量，因此在座舱的空调制热功能中无法通过发动机热交换实现，只能通过PTC或热泵空调进行温度调节。而对于新能源混动车型而言，由于内燃机的保留，因此在座舱的供暖方面可采用发动机余热加PTC或热泵空调协同工作的方式实现。相对于传统燃油车，新能源汽车由于增加了动力电池和电机电控系统的冷却需求，因此其热管理系统具有更高的复杂性。

图4 新能源汽车热管理

2.2.1动力系统热管理

此处所说的'动力系统’对于纯电车型而言特指动力电池及其子系统，若是混动车型，则指代动力电池与发动机系统。在新能源汽车的发动机系统中，对于发动机的制冷技术采用了与传统车同样的方式，对于有发电需求的，如增程车型，还需增加ISG发电机的散热系统，该系统或为独立或与驱动电机散热系统串/并联一起。

图5 新能源汽车动力系统热管理

动力电池是新能源汽车的主要能量来源，在整车续航、安全等方面起到决定性作用。一般其正常工作温度范围在15～40℃之间，当电池处于低温环境工作时，其充/放电性能变差，而处于高温环境工作时，电池的循环寿命会缩短，有时甚至会因热失控导致燃烧、爆炸等安全问题。同时，在如今对快充需求强烈的市场环境之下，动力电池需要完成快充指令，常需要对电芯进行提前加热，但温度太高又会加剧电芯的老化，因此在诸多因素的作用之下，对动力电池采取有效的热管理是保证动力电池性能、安全等方面的必要手段，也是影响整车性能及安全性的关键技术。

图6 磷酸铁锂电池在不同充电倍率下的温度分布

动力电池的热管理可分为制冷与制热两种模式。当前较为常见的动力电池制冷方式主要有：风冷、液冷、相变材料冷却、热管冷却和直冷几种方式。

图7 新能源动力电池系统冷却方式

风冷：以空气作为传热介质，通过汽车行驶过程的气流运动或加装排风扇的方式对动力电池进行冷却。该冷却方式具有成本低、应用简单等特点，但整体的散热效率不高，且噪声较大又散热不均匀。

液冷：通过液体对流进行换热，从而降低电池的温度。采用该方式进行制冷的热管理系统的体积相对于风冷系统而言会更小，同时具有冷却效果好、速度快等特点，但由于有液体的存在，对系统的气密性要求更高，否则会出现漏液风险。

相变材料冷却（PCM）：当动力电池温度升高时，通过石蜡、水合盐、脂肪酸等相变材料在发生相变过程中吸收或释放大量潜热，以此来使电池降温。但若在相变材料完全相变之后，对于热量释放效果则会变差，目前该方式对于在汽车动力电池上的应用仍处于研究状态。

热管冷却：通过一个两端分别为蒸发端和冷凝端并充满饱和状态介质（水、乙二醇或丙酮等）的密封容器或密封管道实现电池的冷却。该方式既可以吸收电池的热量又可以对电池进行加热，不过由于技术复杂性，目前该技术也尚未量产应用。

直冷：利用制冷剂（R134a等）蒸发潜热的原理，在整车或电池系统中建立空调系统，将空调系统的蒸发器安装在电池系统中，制冷剂在蒸发器中蒸发并快速高效地将电池系统的热量带走，从而达到电池系统冷却的目的。

对动力电池不同冷却方式总结对比如下表：

表1 动力电池冷却方式对比

当动力电池处于低温环境下工作时，会存在充/放电效率低、充/放电功率下降、充电极化大、易造成电池析锂等问题，因此对于在寒冷地区的新能源汽车的使用其制热功能往往比制冷更加重要。动力电池的热管理系统在制热技术方面主要可通过直热式外部加热和高频脉冲内部加热实现。

图8 新能源动力电池系统制热技术

外部加热法：有通过加热膜、PTC、液冷直热等多种不同的方案，其中液冷直热技术将制冷剂直接送入电池组内部进行换热，可提升换热效率和电池均温性能，是已实现量产应用中较佳的一种方案。

内部加热法：通过高频脉冲加热和电池内阻产热的方式为电池进行加热，具有速率快、能耗低的优点，但由于其稳定性和可靠性需进一步验证，因此尚未得到应用。

对于动力电池热管理系统的结构简图可参考如下：

图9 动力电池热管理回路

未完。。。