新能源汽车热管理技术解析

前言

汽车的动力部件、控制系统等在持续运行过程中，整车系统的能量转换、机械摩擦等皆会以热能的形式进行转换，整车热管理技术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，有效地管理和控制车辆各个部件的温度，确保车辆在各种工况下都能够保持适当的温度范围，以提高汽车经济性、安全性和能源利用效率。

新能源汽车在满足人们出行需要的同时，也在保护生态环境、降低污染物排放规模等多个方面发挥了重要作用。为提高新能源汽车的热管理效率，提高车辆的续航能力，解决电机能量转化及高密度电池储能效率控制方面的问题尤为重要。

1、整车热管理技术

汽车是由成千上万个不同功能、不同材料的零部件组成的智能系统，且不同零部件的工作运行温度和材料耐受温度均存在一定差异。传统燃油汽车在运行过程中的主要发热源来源于发动机及其系统，新能源汽车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。汽车热管理系统的主要作用就是通过加热、保温、散热等方式，使不同零部件在合适的温度下工作，以保障汽车的功能安全和使用寿命。

（1）传统燃油汽车热管理

传统燃油车的热管理包括动力系统热管理以及座舱空调热管理，其能源利用率主要由发动机性能决定，所配备的热管理系统结构相对简单，其运行能耗占汽车总能耗的比例有限。

动力系统热管理：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。

座舱空调热管理：座舱加热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，座舱制冷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。

（2）新能源汽车热管理

新能源汽车的热管理系统可以保障其动力总成系统的温度处于允许的范围以内，既可以防止动力电池、驱动电机及电机电控器因为温度过高导致使用寿命缩短，也可以使得驱动电机运行于高效率区间提高车辆的续航里程。新能源汽车热管理主要包括电机/电控系统热管理、电池热管理、座舱空调热管理三大部分。

电机/电控热管理系统：电动汽车的电机/电控系统在高功率输出时容易产生热量，需要通过液冷或风冷却系统进行冷却，防止系统过热。

电池热管理系统：电池是新能源汽车的核心组件之一，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，电池热管理系统通常包括冷却液循环系统、加热系统和温度传感器等部件。

座舱空调热管理：新能源汽车通常配备座椅加热、空调系统等设备，可以提高驾驶舒适性。新能源汽车的空调压缩机需要采用PTC（正温度系数热敏电阻）加热或者热泵空调等新技术方式。

2、动力电池热管理

新能源汽车热管理系统的设计和优化对于提高车辆的续航里程、减少能源损失、确保电池寿命等方面都至关重要。而新能源汽车的整体性能基本是由其内部的动力电池所决定的，通过动力电池热管理系统降低电池使用期间温度过高产生的不利影响至关重要。

新能源汽车动力电池热管理系统中涉及的系统主要包括以下几方面：

动力电池系统：包含BMS控制器及电池包；

加热模块：包含PTC以及加热器控制装置；

制冷模块：包含TMS控制器、水泵以及空调机组；

膨胀水箱；

水温传感器；

三通。

来源《新能源汽车动力电池热管理系统研究》

动力电池的热管理系统基于不同的冷却介质主要分为风冷、液冷、相变材料和热管冷却。

动力电池风冷：通过空气的流动使电池组与外界空气进行对流换热。

动力电池液冷：通过液体的流动使电池组的热量被带走。

相变材料冷却：通过石蜡、水合盐、脂肪酸等相变材料，在发生相变时可以吸收或释放大量潜热而自身的温度保持不变。

热管冷却：热管是一种基于相变传热的装置，热管是一个充满饱和状态工作的介质/液体（水、乙二醇或丙酮等）的密封容器或密封管道。

动力电池工作温度的变化将对新能源汽车的加速性能、车速峰值以及续驶里程产生一定程度的影响，新能源汽车动力电池热管理技术可以确保电池工作在适当的温度范围内（冷却动力电池系统或者是加热动力电池系统），是提高动力电池性能、延长寿命和确保安全的关键技术。

3、电机/电控热管理

新能源汽车电机及电控系统的工作是新能源汽车能量输出的关键，若其温度超过最高温度，就会导致电机性能恶化，会严重影响整车的稳定性。电机/电控热管理是指对电动汽车中的电机（驱动电机）和相关电子控制系统进行有效的温度管理，以确保它们在适当的工作温度范围内运行。

驱动电机的冷却系统主要依靠冷却水泵带动冷却液在冷却管道中循环流动，通过在散热器的热交换等物理过程，冷却液带走电机产生的热量，为使散热器热量散发更充分，通常还在散热器后方设置风扇。

4、座舱空调热管理

汽车座舱空调热管理是对车辆乘员座舱内的温度进行有效控制和管理，以提供舒适的驾驶和乘坐环境。汽车座舱空调热管理系统不仅关注制冷和加热效果，还注重舒适性、能效和智能化控制，以满足驾驶员和乘员在不同季节和驾驶条件下的需求。

汽车空调热管理系统

通过制冷系统、加热系统、空气循环、多区域控制和智能控制等先进技术，提供汽车座舱内部个性化的温度调节，并通过智能化控制系统实现能源高效利用。附加预冷/预热功能、温度感应座椅等创新功能进一步增强了驾驶和乘坐的舒适性，使座舱空调热管理系统成为提升驾乘体验和适应各种气候条件的重要组成部分。

新能源汽车的空调系统可实现制冷（利用冷凝放热，蒸发吸热为座舱降温）、制热（PTC加热器或热泵空调系统）两种模式，其工作方式分为PTC加热和热泵供暖两大类。

总结，在“碳中和”战略背景下，新能源汽车热管理系统的绿色低碳、可持续化发展对于提高能源利用效率、延长电池寿命和减少对环境的影响具有重要意义。新能源汽车热管理系统温度控制技术的完善、能源利用效率的提升等对于打造绿色低碳的出行方式，实现“碳中和”战略目标具有重大意义。