纯电动汽车热管理系统的研究

纯电动车电池热管理系统[1-4]、电机和电机驱动热管理系统[5]、空调热管理系统[6-7]三大热管理系统一度被孤立，在新一代纯电动环保型汽车上， 各主机厂已将三大系统关联起来，从整车热管理系统的角度来设计开发，虽然目前上市车型中热管理系统方案较多，各有优劣，但其目的都是为了减少对电池能量的需求，在保证续航里程的前提下，努力提升整车舒适性和可靠性， 本文以部分主机厂三大热管理系统为背景，对系统进行分析、归纳，最终提出一个典型的整车热管理系统[8]设计架构，以供参考。

1 三大热管理系统

1.1 空调系统热管理

汽车空调制冷系统主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、鼓风机等部件组成，常用冷媒为R134a。空调制冷原理及示意图如图1 所示；加热系统主要由PTC、鼓风机、风道等组成。空调系统热管理示意图如图2 所示。通常情况下， 其空调系统制冷量约5 kW 左右， 采暖量约6 kW，为EV 整车能量的10%左右。与汽油车相比，汽油车采用皮带轮带动压缩机，EV 则采用逆变电路控制电机，电机来驱动电动压缩机制冷；汽油车通过发动机冷却液在加热器中循环实现采暖，而EV 用高压PTC 加热技术，系统可通过CFD 分道和流场分析、温度线性试验、环境模拟试验、温度场等试验来改进完善。




1.2 动力电池系统热管理

电动汽车蓄电池主要有铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池。近年来锂电池以其高能量密度、较高的单体电压、较高的能量效率、放电易检测电池荷电状态等优点，受到客户的广泛青睐。但锂电池也有其弊端，如低温情况下电池充放电性能差；深度放电或在高温下，储存和放电易造成容量不可逆损失。且单体蓄电池的电压和容量都比较小，不能满足车载需要，实际中多以多个电池串联成电池组来用，各个电池充放电时温度可能不一致。因此EV 上电池热管理必不可少。电池热源有反应热Qr， 电池极化引起的能力损失Qp，电池内电解液分解和自放电副反应引起的能力损失Qs，电池电阻产生的焦耳热Qj。因此电池总热量Qa 可用公式表示为：



以某一款锂电池充放电的温度参数为例， 如表1 所示，其控制策略框图如图3 所示。





从表1 中可以看出， 当电池温度T 在-20~0 ℃ 需加热，本文采用加热膜技术；当T 在0~38 ℃时，不需要加热也不需要冷却；当T 在38~45 ℃时，主要靠电池散热器散热；当T≥45 ℃时，需电池包另一散热器Chiller 辅助散热，由空调系统的一之路提供冷源。Chiller 实质上是新能源汽车上专用的紧凑型冷却器装置，类似于空调系统中双蒸发器系统中的一个分支，Chiller 中蒸发器被流经动力电池散热板的冷却液包裹，冷媒通过热交换将冷却液的热量带走，起到给电池降温的作用，目前三电贝尔和法雷奥等厂家，均有部分成熟的产品。

1.3 电机和驱动系统热管理

以小型EV 电机和电机驱动器一体化系为例，由于电机和电机驱动只需考虑散热即可， 假设电机和电机驱动器发热需散热功率为W1 kw，其冷却系统多采用水路串联连接方式，即冷却水经由冷却系统后，先流经电机驱动器，然后流入电机，最后返回冷却系统，形成水循环系统，示意图如图3所示，综合几款EV 电机和电机驱动控制系统，控制策略简述如下：

1）电机或电驱动控制器均小于45 ℃时，水泵和散热器风扇都不工作，电驱动系统无需冷却；

2）电机或电驱动控制器有一个温度在45~65 ℃ 时，水泵工作，散热器风扇不工作；

3）电机或电驱动控制器有一个大于65 ℃ 时，水泵、散热器风扇同时工作。



2 系统集成与系统管理

上述分别解析了空调系统热管理、动力电池系统热管理、电机和驱动系统热管理三大系统；热管理系统可进一步细分为：电池散热器冷却回路、空调制冷回路、空调和Chiller冷却电池回路、电驱动冷却回路、电池充电加热回路以及PTC 加热回路。考虑三大热管理系统的布置和控制方式，给出整车热管理系统设计方案如图5 所示。



首先，通常情况下，空调系统正常工作时，冷凝器表面温度在60~65 ℃，而电池正常工作要求温度控制在0~45 ℃，电机和电机驱动控制器最佳工作温度不大于65 ℃。因此在散热器布置上，电池散热器和电机散热器可上下布置，布置在空调系统冷凝器前方（即按整车坐标系下， X 轴正方向冷凝器前方），散热器和冷凝器具体大小，根据各系统能力需求计算结果决定，同时还需要大量的CFD 仿真、温度场等验证试验来完善。

其次，制冷方面：乘员舱单独制冷时，阀1 打开，其他控制阀关闭；电池同时有制冷需求时，阀2 打开，空调的两之路均工作，同时阀3、4 也同时工作；电机和电机驱动需要散热时通过控制水泵1 来实现；加热方面：动力电池加热，目前市场上用的较多的方案是用加热膜技术，加热膜包裹在电池组中各电池表面，当电池温度在-20~0 ℃ 时启动加热；环境仓采暖则直接用高压PTC 加热技术；除此之外，电池组与环境仓共用水暖PTC 加热技术已在同步研究试验阶段，但高压安全、管路布置、水阀控制以及系统匹配方面还有待完善。特别地，为了提高车内环境舒适性，多采用预加热和预降温控制

技术，即在给整车充满电后，定时启动空调系统，此时空调系统通过充电机供电，不需电池组供电，给乘员舱加热或降温，因而在保证续航里程的同时， 保证车内温度控制在25 ℃左右较为舒适的环境温度。

当今纯电动车需求和使用范围日益扩大，地球南北温差和电池能耗将成为制约纯电动车普及的重要因素，从设计的有效性和实用性来看， 解决上述问题主要有两种途径：1）采用新型材料，如电池材料、电池耐热材料和导热材料；2）部件的结构、布置结构以及控制策略的优化， 改善EV 热管理系统，合理的部件结构和布局有利于热传递和热保护，完善温度场和流场；同时使用高精度电控冷却加热方案实现精确控制，最大程度提高热管理系统性能。智能化、模块化和集成化的热管理系统是未来EV 发展的重要目标之一， 具有广泛的应用前景。