电动汽车为什么需要TMS热管理系统？

与传统汽车相比，电动汽车中多了1个控制器叫TMS（Thermal Management System）热管理系统，这个控制器听起来有点陌生，其实我们在传统车中一直在使用它包含的1个功能，那就是自动空调HVAC。

自动空调

为什么自动空调到了电动车中就变成了热管理系统？这个就要从车辆的动力系统说起。

1.动力系统的区别

传统车的动力系统来自发动机，发动机的最佳工作温度在85-105℃，温度太低时性能不好，需要预热；温度太高时会引起零部件的损坏，需要散热。

汽油车低温预热通常只需要发动机启动一会，利用自身的发热升温就行了，不需要额外处理；高温散热就需要打开冷却风扇，对发动机冷却液进行散热。总之，发动机的特点是热量大，温度高，温度控制需求主要是降温，相对简单。

所以传统车中与热相关的系统主要是空调系统和发动机冷却系统，空调在制热时会利用发动机运行时产生的高温余热，但是空调与发动机冷却系统是相互独立的两个控制器。

传统燃油车空调系统

电动车的动力系统来自电机，而动力源来自动力电池，电机的特点与发动机类似，工作时会发热，需要进行冷却处理。

而动力电池就大不相同了，动力电池的最佳工作温度在20-40℃，温度过低，电池容量会显著下降，低温充电时的电镀现象还会对电池造成严重损伤。

温度过高不仅会加速电池老化，还会导致电池膨胀、漏液、短路，甚至会发生燃爆。所以相对于粗犷的传统发动机而言，动力电池就显得那么的金贵，它的温度控制要非常精准细致！

动力电池高温报警

2. 一体化热管理控制器ITM

由于动力系统不同，电动汽车的热相关系统包括了空调系统、电池热管理和电机冷却系统。

单从数量上看，电动汽车只是比传统燃油车多了一个电池热管理，是不是只要增加1个电池热管理控制器就行了？

实际上电动汽车动力系统的改变，导致了原本互相独立的热管理系统有了更紧密的关系！

比如空调系统，原来的制热是靠发动机的废热产生的，非常节能。而电动车的制热只能依靠空调的热泵原理或PTC加热原理。

热泵原理需要压缩机工作，PTC需要通电加热，这两种方式都要消耗电能，PTC消耗的更多。而电能来自于动力电池，所以空调系统的工作状态依赖于动力电池的性能。

而前面提到过，动力电池的最佳工作温度范围很窄，不能像传统车那样简单的预热和冷却风扇就能控制，必须要通过空调系统的制热和冷却才能保证温度控制效果，因此动力电池的性能又依赖于空调系统的调节。

这两者是互相依赖的关系！

动力电池和空调原本互不相干，现在要互相取暖

同样的道理，空调可以给电机降温，电机的热量也可以给动力电池和空调使用，所以这三者的关系愈发紧密。

空调、电池和电机三者之间的关系变得更加紧密

电池的温度过高或过低都会影响车辆的续航里程和空调舒适性。而电机和电控的温度过高也会影响整车的驱动能力，这些特点对热管理提出了更高的要求。

电动车对热管理更高的要求以及空调、电池和电机三者的紧密关系使得原来的独立式热管理向电池、电机和乘客舱空调统一的整车一体化热管理系统方向发展，这种结构集成、功能耦合的方式更容易实现整车能耗最优和成本最优。

3. 系统架构

热管理系统在结构和功能上把电机热管理系统、电池热管理系统和空调系统做了整合，结构上可以减少管路和零部件的使用。

整个系统常用的零件包括散热器、冷却风扇、水箱、冷却液泵、chiller冷却器、电子膨胀阀、油冷器、连通阀、电动压缩机、蒸发器、冷凝器、储液罐、电磁阀、电子膨胀阀、鼓风机，PTC加热器等。

常用零部件示意图

整个系统的基本工作原理是控制器接收各类传感器信号，各种信号在控制器内部进行综合运算，再对执行器进行输出控制。

内部运算主要分为三个模块，空调模块、电池模块和电机模块，空调模块会根据外部设置温度，结合当前环境温度和车内温度计算出目标温度，根据目标温度控制压缩机的运行。

电池模块首先通过CAN接收电池单元的温度，根据电池温度的高低，计算出目标温度，再根据车内外的环境温度和制冷剂回路的温度，决定热管理的工作模式，比如是降温、升温还是热平衡。

电机模块主要是过热时打开水泵，通过冷却液、冷却水等降温。

系统框图

实际的处理过程和算法比较复杂，三者的温度目标针对不同的场景会有不同的优先级和处理方法。另外对压缩机转速的调节和对电子膨胀阀开度调节都要求精准控制，常用PID算法进行控制。

PID控制原理图

4. 空调系统的特点

与传统车相比，电动车热管理系统中的空调控制原理也有很大的不同。

首先在制热上，传统车通过引入发动机工作余热的热风来升高车内的温度，空调中的压缩机等部件不需要工作，这种方案即可以废热利用，又不消耗额外的功率，非常的节能。

电动车的空调系统需要用热泵的原理来制热，基本原理跟家用空调是一样的，通过压缩机和电子膨胀阀控制制冷剂的循环流动，让制冷剂在车外吸热，在车内放热；或者吸收电池和电机的热量再放到乘员舱。

热泵的原理相对比较节能，但是与热源有关，冬天气温低时热量少，可能需要通过PTC加热。

其次在压缩机的控制上，传统车的压缩机是靠发动机的运转带动的，所以它的动力来自发动机，这种方案因为利用了发动机的转速，因此比较节能，缺点是只能控制压缩机的通断，不能精确控制速度，因为压缩机的速度主要取决于发动机的转速。

而电动车压缩机是靠电力来控制旋转的，动力来自于电池，这种方案的优点是压缩机的转速可以根据需要精确控制，温度控制精度高；缺点就是工作时要一直使用动力电池的高压电，所以相对传统车会更耗电。

此外，电动车的空调系统不仅可以给车内的人员调节温度，还可以通过与chiller冷却器的连接，给电池和电机调温，满足车辆在行驶和充电时的温度要求。

5. 电机堵转

电动车在制热时如果外部环境温度低、电池和电机也没有余热、车辆没有PTC，或者只有低压PTC，没有高压PTC，无法提供足够的热源时怎么办呢？

热管理可以在驱动电机不旋转时，使用电机堵转技术产生热能，当作热源使用。

当然这个过程是根据车辆不同工作模式，控制驱动电机是否输出电磁转矩。在不产生电磁转矩时，驱动电机就相当于一个加热绕组。

通过电机堵转所产生的热量可以为电池加热，也可以为乘员舱采暖，电机堵转功率的大小根据电池包需要的温度调节，电机此时的角色由驱动车辆变成了加热装置。

当然，电机堵转加热的方式也要控制好时间，因为电机长时间处于高温状态下，会导致电机部件的老化，加速电机的损坏，缩短了电机的使用寿命。

6. 废热回收 

电机和电机控制器在工作过程中，温度会逐渐升高，温度过高会影响电机和电机控制器的性能，如果将这部分余热散发到车外又是一种浪费。

此时如果车内人员需要升温，就可以通过空调的热泵原理把电机的余热释放到乘员舱中。

此时如果电池温度偏低，需要加热，就可以把电池和电机循环系统串联，把电机的余热释放给电池包。

如果乘员舱和电池同时需要加热，系统会根据优先级和需求热量的大小，按比例的分配给电池和乘员舱，实现精确控制。

同样的道理，如果电池有余热，此时乘员舱需要升温，也可以进行类似控制。

另外，蒸发器在工作时由于蒸发吸热的原理，蒸发器表面容易结冰，结冰后会严重影响蒸发器的工作，此时可以用余热为蒸发器除霜化冰。

7. 小结

电动车中动力电池的温度过高或过低会影响电量，进而影响车辆的续航里程和空调舒适性；电机和电控的温度过高会影响整车的驱动能力；空调的制热需要依赖电池电量，电池和电机也需要空调的制冷来降温，这些系统的特点使得电动车需要有一个结构集成、功能耦合的热管理控制器来统一协调和控制，在实现温度调节的同时，尽可能达到整车能耗最优！