電動汽車集成熱管理研究進(jìn)展

張興瑞 范武 楊貴林 呂建平 張大衛(wèi)

摘 要：電動汽車的研發(fā)重點主要集中在電機(jī)和電池這兩大部分。電機(jī)與電池是電動汽車最為核心的部件，電動汽車的性能基本取決于電機(jī)和電池的工作效能。而電機(jī)與電池工作時產(chǎn)生的溫度會對其工作效能有著巨大的影響，從而影響到汽車的整車性能。因此，電動汽車的整車熱管理系統(tǒng)是提升電機(jī)和電池工作效率，提升車輛整體性能的重要車載管理系統(tǒng)。文章便重點介紹了電動汽車集成式熱管理系統(tǒng)的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：電動汽車;熱管理系統(tǒng);動力電池;電機(jī);集成熱管理

中圖分類號：U469.72+2 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）21-17-03

Abstract： The research and development of electric vehicles mainly focus on two parts： motor and battery. Motor and battery are the most core components of electric vehicle. The performance of electric vehicle depends on the working efficiency of motor and battery. The temperature produced by the motor and battery will have a huge impact on its working efficiency， thus affecting the performance of the vehicle. Therefore， the whole vehicle thermal management system of electric vehicle is an important vehicle management system to improve the working efficiency of motor and battery and the overall performance of vehicle. This paper focuses on the research progress of integrated thermal management system for electric vehicles.

Keywords： Electric vehicle; Thermal management system; Power battery; Motor; Integrated thermal management

CLC NO.： U469.72+2 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）21-17-03

引言

電動汽車中的熱管理主要分為電動系統(tǒng)熱管理和空調(diào)系統(tǒng)熱管理，其中電動系統(tǒng)熱管理又可分為電機(jī)系統(tǒng)熱管理和電池系統(tǒng)熱管理。這三大系統(tǒng)是電動汽車所產(chǎn)生熱量的主要來源。

在以往的電動汽車中，三大系統(tǒng)的熱管理通常是各自獨立的，缺乏對整車熱量的統(tǒng)一管理，熱管理效率較低。而在新一代的電動汽車中，在設(shè)計之初便針對整車熱量進(jìn)行集成式管理，對三大系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量進(jìn)行統(tǒng)一的管理，從而大幅提高車輛整車的熱管理效率，以減少溫度對電動汽車性能的影響。

1 電動汽車熱力源

電動汽車在行駛工作時，其內(nèi)部會產(chǎn)生大量的熱量，而熱管理系統(tǒng)便是負(fù)責(zé)汽車內(nèi)部熱量的產(chǎn)生和傳輸?shù)葐栴}，將車內(nèi)熱量控制在合適的范圍內(nèi)，防止高溫引起汽車故障。目前電動汽車內(nèi)產(chǎn)生熱量的熱源主要有三個，分別是汽車的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)，以及車載空調(diào)系統(tǒng)的冷熱負(fù)荷。

電動汽車的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)是將電池中的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，從而為汽車提供行駛的動力。在電機(jī)的工作過程中，一些能量會以熱能的形式損耗，如鐵芯損耗、繞組損耗以及機(jī)械損耗。動力電池系統(tǒng)為汽車提供電能時，由于持續(xù)的放電，電池組會釋放一些熱量，熱量持續(xù)聚集便引起電池組的溫度升高。電動汽車空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷的產(chǎn)生來源有很多，如汽車內(nèi)部人員散發(fā)的熱量，外界環(huán)境通過車身結(jié)構(gòu)導(dǎo)入車廂的熱量，電機(jī)系統(tǒng)和動力電池系統(tǒng)導(dǎo)入車廂內(nèi)部的熱量，以及通過汽車通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)入車廂的熱量等等。在研究電動汽車熱管理系統(tǒng)時，必須重點考慮汽車內(nèi)部的熱量來源和汽車內(nèi)部熱量的總量，才能采取針對性的熱量管理。

2 電動汽車中的熱管理

電動汽車在設(shè)計時便針對主要的熱量來源都進(jìn)行了相應(yīng)的熱管理。但是，為了進(jìn)一步提升電動汽車的各項性能參數(shù)，原有的各種獨立式的熱管理系統(tǒng)和方法已經(jīng)難以適應(yīng)新的設(shè)計要求。因此，需要對電動汽車各個獨立的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)的耦合，從而實現(xiàn)電動汽車熱管理的集成化。

2.1 動力電池的熱管理

動力電池的熱管理主要負(fù)責(zé)對高溫狀態(tài)的電池組進(jìn)行冷卻，或者對低溫的電池組進(jìn)行加熱。傳統(tǒng)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要依靠空氣或液體介質(zhì)進(jìn)行冷卻、加溫。但是，采用空氣介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)傳熱性能較差，以無法適應(yīng)目前密集排列式的電池組的散熱加熱需求，而液體介質(zhì)的熱管理系統(tǒng)則過于復(fù)雜，即會增加額外的質(zhì)量，還存在液體泄漏的風(fēng)險。因此，液體介質(zhì)的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)同樣不適用于當(dāng)前電動汽車的電池?zé)峁芾怼?/p>

目前電動汽車的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要采用復(fù)合式的熱管理方式，即由多種導(dǎo)熱材料共同作為介質(zhì)，如多空介質(zhì)、相變材料、納米材料、金屬翅片等多種導(dǎo)熱材料配合空氣介質(zhì)或液體介質(zhì)。此外，由熱管構(gòu)成的高效傳熱元件配合空氣、液體、相變材料而組成的復(fù)合式熱管理系統(tǒng)也是當(dāng)電池?zé)峁芾眍I(lǐng)域中的研究重點。

2.2 乘員艙的熱管理

電動汽車空調(diào)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)汽車乘員艙的熱管理，從而為司乘人員提供舒適的駕駛乘坐環(huán)境，進(jìn)而保障駕駛員的安全駕駛。

當(dāng)前電動汽車主要采用的空調(diào)系統(tǒng)為壓縮式單冷空調(diào)和電加熱器的組合，這種空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)成熟，與燃油車差別不大。但是電加熱器會使用動力電池中的電能，從而造成動力電池的額外能源輸出，降低電動汽車的續(xù)航里程。因此，目前電動汽車空調(diào)系統(tǒng)的研究熱點便是熱泵型空調(diào)系統(tǒng)對傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)加熱設(shè)備的取代問題。同時，熱泵型空調(diào)系統(tǒng)也需要克服冬季熱泵效率降低和結(jié)霜等實際問題。為此，人們開始集中研究輔助加熱技術(shù)和余熱回收技術(shù)，以提高熱泵空調(diào)系統(tǒng)在寒冷環(huán)境下的工作效率。此外，含氟氯烴類制冷劑已經(jīng)逐漸退出電動汽車空調(diào)系統(tǒng)制冷劑的應(yīng)用范圍，以進(jìn)一步提升新型電動汽車的環(huán)保效果。

2.3 電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的熱管理

電機(jī)在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量。因此，電機(jī)熱管理主要負(fù)責(zé)對驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行冷卻降溫。電機(jī)熱管理系統(tǒng)采用的冷卻介質(zhì)主要是風(fēng)冷或液冷。其中風(fēng)冷便是通過流動的空氣帶走電機(jī)產(chǎn)生的熱量，但是風(fēng)冷效果相對較差，并且造成電機(jī)的通風(fēng)損耗，對驅(qū)動電機(jī)的工作效率有一定的影響。而液冷式的冷卻效果則較好，可以快速帶走電機(jī)釋放的熱量，從而為電機(jī)創(chuàng)造長時間溫度適宜的工作環(huán)境。為了進(jìn)一步提升液冷式電機(jī)熱管理系統(tǒng)的效率，人們正在重點研究冷卻液流道的優(yōu)化設(shè)計和冷卻液的選擇。

3 電動汽車的集成式熱管理

電動汽車的設(shè)計需要考慮整車質(zhì)量和電池組的質(zhì)量、密度等問題。在電池組數(shù)量固定的情況下，為了提升汽車動力性能和安全性能，同時還要將各種輔助系統(tǒng)的能耗降到最低，這就需要車輛電池組的工作環(huán)境保持良好的狀態(tài)。由于溫度對電池的影響最大，所以電動汽車的熱管理系統(tǒng)要保證電池組的工作溫度處于適宜范圍內(nèi)。為此，相互獨立的汽車熱管理系統(tǒng)要相互協(xié)調(diào)配合。因而集成式的電動汽車熱管理系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。

以往電動車的熱管理系統(tǒng)都是各自獨立的，不同的熱管理系統(tǒng)在熱管理效果，運(yùn)行穩(wěn)定性，系統(tǒng)成本等方面有著各自的優(yōu)勢。所以，在對各種熱管理系統(tǒng)進(jìn)行集成時，要根據(jù)車輛的實際設(shè)計需求，對熱管理系統(tǒng)的耦合方式進(jìn)行選擇，從而發(fā)揮出集成熱管理系統(tǒng)的優(yōu)勢。

此外，電機(jī)余熱可以通過集成熱管理系統(tǒng)進(jìn)行回收再利用，可以在冬季寒冷環(huán)境下為電動汽車提供一個良好的熱源。對電機(jī)余熱的再利用通常是將電機(jī)液冷回路與熱交換器進(jìn)行并聯(lián)連接，同時將熱交換器與熱泵空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器并聯(lián)，從而將電機(jī)余熱回收，進(jìn)一步降低電機(jī)工作時的溫度，并為空調(diào)系統(tǒng)提供熱源。

目前，一種名為EVTMS的電動汽車集成熱管理系統(tǒng)便實現(xiàn)了對車內(nèi)熱舒適、動力電池組的冷卻、驅(qū)動電機(jī)余熱的回收等功能的統(tǒng)一管理。該系統(tǒng)將熱泵空調(diào)的技術(shù)優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，利用熱泵系統(tǒng)的兩個換熱器與熱交換器支路分別并聯(lián)，從而通過開閉不同熱管理循環(huán)支路中的電磁閥，控制與熱泵技術(shù)的耦合。通過大量的實驗測試數(shù)據(jù)表明，使用該系統(tǒng)的電動汽車的行駛里程得到了增加，比使用PTC加熱器的電動汽車要多出30%左右。

根據(jù)相關(guān)專家對采用熱泵技術(shù)的電動汽車的研究檢測，熱泵系統(tǒng)比PTC加熱器的能耗低，在車輛制熱工作時，熱泵系統(tǒng)可節(jié)約16%左右的電能消耗，并提高車輛18%左右的續(xù)航里程。因此，熱泵技術(shù)成為了目前研究電動汽車集成熱管理的重要技術(shù)。

4 集成熱管理系統(tǒng)的控制研究

電動汽車集成熱管理系統(tǒng)是對多個不同熱管理子系統(tǒng)的耦合，因此需要確保其控制策略的專業(yè)性和科學(xué)性，才能將集成熱管理系統(tǒng)的性能完全發(fā)揮出來。在研究集成熱管理的控制系統(tǒng)時，出于對集成熱管理復(fù)雜性的考慮，通常要建立相應(yīng)的仿真系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上對集成熱管理系統(tǒng)的控制方式做進(jìn)一步的優(yōu)化。

相關(guān)學(xué)者通常會采用一維或三維系統(tǒng)仿真模型對集成熱管理的控制進(jìn)行模擬，并通過臺架測試以驗證仿真模型的科學(xué)性。通過仿真模型的研究表明，一維模型可以對集成熱管理系統(tǒng)的進(jìn)行整體性優(yōu)化。但是集成熱管理的核心部件無法通過一維模型進(jìn)行優(yōu)化研究，還需要使用三維模型對核心部件的外形尺寸及安裝位置進(jìn)行針對性的優(yōu)化研究。

5 結(jié)束語

當(dāng)今社會對電動汽車的需求量正在逐步增加，清潔的電能汽車必將成為未來陸路交通的主流交通工具。因此，電動汽車的設(shè)計研發(fā)要以實際應(yīng)用為目標(biāo)，要重點研究對電動汽車性能產(chǎn)生巨大影響的溫度問題，尤其是電動汽車的熱管理系統(tǒng)。隨著電動汽車熱管理對象的增加，對熱管理效率的更高要求，當(dāng)前電動車熱管理系統(tǒng)的研發(fā)已經(jīng)朝著輕量化、集成化和緊湊化的設(shè)計方向進(jìn)行發(fā)展。在研究設(shè)計集成熱管理系統(tǒng)的過程中，要對電動汽車的集成熱管理系統(tǒng)進(jìn)行全面的實際應(yīng)用測試，充分測試集成熱管理系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力，以及熱管理系統(tǒng)的工作安全性和穩(wěn)定性，同時還要保證其經(jīng)濟(jì)性適合大規(guī)模的批量生產(chǎn)。

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