汽车热管理系统的未来之路

作者：詹振飞 毛青 孙博文

单位：重庆交通大学 机电与车辆工程学院

01、新能源汽车与热管理

自从《<蒙特利尔议定书>基加利修正案》签订并实施以来，削减当量碳排放，有效延缓全球变暖成为各个行业的热门话题[1]。新能源汽车的快速发展也标志着交通领域的能源结构变革。不过，新能源车目前仍存在里程焦虑、热管理工质、温室效应等瓶颈问题，这也从节能与环保两个方面对汽车热管理行业提出了更高级，更精准的要求。发展新能源汽车是应对气候变化、推动绿色发展的战略举措[2]。同时也是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路，我国的新能源汽车产业经过20多年的发展，目前已经处于国际领先水平，国家发展规划指出，预计在2030年新能源汽车的保有量从500万辆增长到8000万辆[3]。结合目前我国以煤炭为主的能源结构，必须把电力开发纳入到中国能源结构调整的重要地位。因此，在新能源汽车的发展过程中，热管理技术的研究占据了举足轻重的地位。

汽车的热管理就是对汽车进行温控和冷却，用来保证汽车各零部件以及驾驶舱内处于合理温度范围，从而达到节能、舒适、提升续航里程等目的的系统，电动汽车热管理系统主要包括电池热管理系统、电机及其控制器热管理系统、热泵空调系统。对纯电动汽车来说，电池热管理的主要任务是使电池组的每一颗电池都处于合适的温度范围内，并保持温度的均匀性[4]；电机及其控制器热管理系统保证车辆大功率电器件如电机、电机控制器等处于安全工作的温度范围；而热泵空调系统则通过控制车内冷热环境，实现了对乘员乘坐舒适性的保障。

众所周知，动力电池技术是目前制约电动车辆发展的关键瓶颈技术，其直接造成公众对电动车辆续驶里程、充电、安全性等问题的顾虑。为了确保动力电池在复杂车辆环境下安全、可靠和高效运行，从而减缓公众顾虑，有效的电池管理系统至关重要[5]。因此在上述三大系统之中，电池热管理系统占主要地位，其也是各厂商、研究院以及高校的重要研究方向。

02、热管理系统发展现状及趋势

由于汽车热管理系统集合了热学、流体力学、空气动力学、电气及软件等多学科的知识积淀，生产过程包含锻造、冲压、精密加工、钎焊、装配、氦检等多种工艺，行业技术壁垒高。国外企业因较早进入汽车热管理系统市场，储备的技术和经验更加充足，因此，全球市场份额集中，形成多头竞争的局面，且多以外资品牌为主，其中国际龙头日本电装、韩国翰昂、德国马勒、法国法雷奥合计占据全球汽车热管理系统市场超过50%的份额[6]。国际龙头企业由于掌握了关键核心零部件，具备强大的热管理系统设计和研发能力，系统配套能力强，基本在汽车热管理系统的各个环节都有涵盖；而国内厂商能单独提供某个环节集成系统的能力较弱，主要提供的是压缩机、阀类、泵类等热管理系统零部件，虽然在各个细分领域掌握了核心技术，但是缺少系统开发和配套能力，因此整体市场份额与国际厂商相比仍有一定差距。

图1  混合动力汽车整车热管理系统架构[4]

电动汽车因为节能环保和能量转化效率高等特性在近年来发展迅速。在低温下，作为动力来源的锂离子电池的放电功率和容量等性能严重衰减，影响着电动汽车在北方极寒地区的发展和普及[7]。因此，如何在低温下对锂离子电池进行可靠、高效、安全地低温加热显得尤为重要。笔者针对新能源汽车热管理发展现状，聚焦国内高校，企业的研究成果，总结出以下几点研究方向。近年来，对冷却系统的研究主要是对风冷系统的几何结构的优化，电池组布置方式和电池组热模型的研究，目前往复式空冷系统可以较大地增加对流换热系数[8]。至今研究最为广泛且很可行的当属液体制冷剂冷却[4]，有机流体对电池模块进行冷却，即使在很高的放电倍率下，电池温度也能控制在理想温度，基于液体冷却的电池热管理系统很可能成为未来应用最为广泛的电池热管理技术。另外，此方法可以很好地联系三电热管理控制系统。最后，面对极度严寒的北方地区，运用算法控制策略，同时结合汽车上的热泵空调系统，在汽车冷起动时给电池进行升温和保温，实现高效率放电，增加电池寿命。

电机冷却目前拥有空冷、液冷等冷却方式，当前液体冷却方式因其优异的换热性能，而广受关注。不过最优的冷却方式应该是混合冷却（液体冷却和空气冷却混合），对于250VA的热负荷，采用混合冷却策略可节省33%的功耗[9]。

03、产业界热管理系统研究进展

谈到各厂商的热管理系统特点，问界M5 EV做到了很好的成功，前置是一台最大输出功率165千瓦的异步感应电机，后置是一台最大输出功率200千瓦的永磁同步电机，采用全油的冷散热系统。一般来说，很多电机内部定子用液冷散热，然后在电机外面串联油液交换器，热交换器又串联专门的循环管路；问界M5 EV 四驱版采用内外都是全油冷散热技术，同时配合电机定子的设定，在高速旋转时定子内部漩涡状态的油液非常均衡洒在定子内部，提供更好的散热效率。

比亚迪e3.0集成热管理（冷媒介质）技术以热泵电动空调压缩机为核心，以集成热管理控制模块为核心，对产生的“冷”或“热”进行再分配 到不同的需求单元（驾驶舱、刀片电池、电驱动）。在比亚迪e平台3.0架构下，一体化热管理系统的低温预热和高温散热功能均以制冷剂R134a为介质实现，而非传统的乙二醇冷却液。高温散热模式开启后，热泵电动空调压缩机通过制冷剂输出“冷量”，进入刀片电池系统。

图2  深蓝SL03

长安深蓝SL03 iBC数字电池管理系统：通过２类数字预控管理技术、７类数字温控管理技术及高安全性的外部结构设计，能够确保电芯和电池总成热失控的概率接近零，即使单个电芯已产生出热失控表现，也能有效规避整包的热失控。主动安全方面，优选电芯+数字化过程控制和车+云BMS的双重监控组成了2类数字预控管理技术，同时在被动安全方面，醇冷散热技术、瞬态泄压技术、超压密封控制以及全域防短路等７类数字温控管理技术能进一步防止危险的发生及扩大。借用三通阀体，一路是给电驱动系统（高压供电系统）进行单独分支，另外一个分支是整车的PTC系统，包括驾驶舱供暖服务和冬季预热电池。大型蒸发器意味着拥有一个热泵空调系统，同时配置一个体积较小的水冷版控制模组。这个模组和热泵空调系统结合起来主要就是给动力电池提供高温散热功能。冷却液壶通过四通阀体，配合三通阀体，在整车冷却液大循环中进行一个精准的切换，那么电驱动系统的热量就导入到驾驶舱里面的空调制暖系统，还有一部分热量就是导入电池低温预热系统，驾驶舱和电池的制冷系统就是由热泵空调系统的水冷板控制模组来进行完成。在不同的高温散热系统和低温预热系统中能量的补偿或切换中，做了一个相对复杂的结构，同时它又通过尽可能少的阀体平衡了可靠性。

图3  热失控电池包的气体流道结构专利图

04、汽车热管理系统理论研究进展

首先针对锂电池在低温下放电功率和容量等性能严重衰减这一现象，重庆大学的李夔宁等以三元锂方块电池为研究对象，通过测试电池在不同工况下的低温特性，得出了电池电特性和热特性参数，同时建立电池模型，利用非支配排序遗传算法-Ⅱ和优劣解距离法得到单体电池平衡加热策略，并且得到了电池不同初始状态对优化目标的影响规律[8]。

其次为了实现现代电动汽车高效率，高速度的充电，研究了一种基于大平板热管的高效高均温性电池散热模型，此模型能够较好地解决当电池以较高倍率进行充放电时,热量聚集使温度迅速上升,影响电池性能的问题，提高汽车的换热效率[11]。最后为了提高电池的热效率，建立了相应的基于模型预测控制,结合了车速预测模型和自适应最优电池温度参考值模型的控制策略，车速预测模型减少车速变化所带来的扰动，自适应最优电池温度参考值模型随着环境温度变化的电池温度参考值的边界变化[12]。所以，在整个热管理系统中，笔者认为不仅要实现硬件上的改变和创新，更要对控制策略进行很好的优化。

05、结  语

动力电池是电动汽车的动力来源，由于电池的成本高昂，电池的能耗就成为车企和用户关注的焦点。整车的热管理系统，不论是为座舱调节温度，还是给电池、电机、电控的保温，都会对能耗以及续航产生直接影响。笔者认为电动汽车的热管理系统就是体现在一内一外，内部就是让汽车温度舒适，实现冬暖夏凉，比如给座椅和座舱加热。外部就是确保动力电池等处于合适的工作温度，因为温度过高或过低都会对电池的能量释放造成很大阻碍。在快速调节各 部件温度的过程中，用多少时间达到指定的温度，需要花费多少的能量，如何平衡，是非常关键的问题。电动汽车的热管理系统不仅仅是传统燃油车上的空调系统，还需要在此基础上进行更深度的更新迭代，需要同电子电气架构结合，同时还需要围绕热耦合技术，即如何把能量耦合集成利用依旧是未来热管理发展的方向。最后，为了减小里程焦虑问题，同时提升乘员舱热管理控制的智能性与舒适性，需要认真考虑智能化的电动汽车乘员舱温度控制策略的优化设计。

综合看来，更精确电动汽车热管理模型、更高效的热交换器及热泵系统、更节能环保的制冷剂，以及更加集成化的热管理系统，将会是未来的主要研究方向。

参考文献：

[1] 王从飞,曹锋,李明佳,殷翔,宋昱龙,何雅玲.碳中和背景下新能源汽车热管理系统研究现状及发展趋势[J].科学通报,2021,66(32):4112-4128.

[2] 国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》[J].汽车零部件,2020(12):33.

[3] 孙逢春.数据驱动的新能源汽车与碳交易[J].数字经济,2021(Z2).

[4] 李夔宁,邝锡金,荣正壁等.电动汽车热管理系统的研究现状及展望[J].制冷与空调,2020.

[5] 胡晓松,唐小琳.电动车辆锂离子动力电池建模方法综述[J].机械工程学报.2017.

[6] 李栋军.纯电动汽车电驱电控热管理系统及余热回收系统研究[D].重庆大学,2021.

[7]《中国汽车热管理行业市场经营风险及投资战略决策报告》.

[8] 李夔宁,王靖鸿,谢翌,刘彬,刘江岩,刘召婷.锂离子电池低温复合加热策略及优化[J].储能科学与技术,2022,11(10):3191-3199.

[9]  HIRANO H，TAJIMA T，HASEGAWA T, et al. Boiling Liquid Battery Cooling for Electric Vehicle：Transportation  Electrication  Asia-pacific [ C ]. IEEE.

[10]  NAINI S S, HUANG J A, MILLER R, et al. An Innovative Electric Motor Cooling System for Hybrid Vehicle-Model and Test: SAE International [ C ].New York, 2019.

[11] 刘彬,胡子强,李夔宁,谢翌,郑锦涛.基于大平板热管的电池热管理实验及仿真[J].储能科学与技术,2021,10(04):1364-1373.

[12] 王晨阳. 基于模型预测控制的电动汽车热管理系统控制策略[D].重庆大学,2021. 

（原载《西南汽车信息》2023年3期）