電動汽車熱管理技術(shù)研究進展

鄒慧明 唐坐航 楊天陽 田長青

(1 中國科學院理化技術(shù)研究所 空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點實驗室 北京 100190；2 中國科學院大學 北京 100049)

新能源汽車是全球汽車行業(yè)的重要發(fā)展方向，也是我國汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要發(fā)展戰(zhàn)略。2009年國家“十大產(chǎn)業(yè)振興規(guī)劃”中將新能源汽車作為重點支持產(chǎn)業(yè)，前景非常廣闊。2012年4月18日國務(wù)院常務(wù)會議討論通過了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012—2020年)》，爭取到2015年，純電動汽車和插電式混合動力汽車累計產(chǎn)銷量達到50萬輛，到2020年超過500萬輛。截止2020年底，我國新能源汽車保有量達到492萬輛，基本實現(xiàn)規(guī)劃目標。2020年11月2日，國務(wù)院辦公廳正式發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》，為推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展指明了方向。

純電動汽車的綜合能效高[1]、環(huán)境污染相對較小[2]，是我國優(yōu)先發(fā)展的新能源汽車形式，隨著純電動汽車相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐漸擴大。受制于動力電池的能量密度與材料性質(zhì)，純電動汽車的續(xù)航里程成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵問題，而整車熱管理系統(tǒng)的需求與能耗逐步引起了行業(yè)的廣泛關(guān)注。行駛的機動性使汽車面臨的環(huán)境氣候條件復雜多變，對于純電動汽車而言，沒有了傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)動機熱系統(tǒng)，汽車熱系統(tǒng)在滿足車室環(huán)境控制的同時，還需要滿足電池/電機/電控溫度控制、換熱器除霜、車窗玻璃除霧等需求，熱管理技術(shù)是汽車駕乘安全與舒適的重要保證，已成為電動汽車發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)。

1 電動汽車熱管理需求

乘員艙是汽車行駛過程駕駛?cè)藛T所處的環(huán)境空間，為保證駕駛?cè)藛T舒適的駕駛環(huán)境，乘員艙熱管理需要控制車室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、送風溫度等。乘員艙在不同情況下的熱管理需求如表1所示。

表1 乘用車乘員艙空調(diào)需求[3]Tab. 1 Requirements for air conditions in car room[3]

動力電池溫控是保障電動汽車高效安全運行的重要前提，在溫度過高時將引發(fā)漏液、自燃等現(xiàn)象，影響駕駛安全；溫度過低時，電池充放電能力均會有一定的衰減。由于能量密度高、輕量化，鋰電池成為電動汽車應(yīng)用最廣泛的動力電池[4]。鋰電池溫控需求[5]以及根據(jù)文獻[6-8]所估算出的不同狀況下電池熱負荷如表2所示。隨著動力電池能量密度的逐步提升、工作環(huán)境溫區(qū)范圍的拓展以及快充速度的攀高，動力電池溫控在熱管理系統(tǒng)中的重要性也更加突出，不僅需要滿足不同路況、不同充放電模式等車輛使用工況下的溫控負荷變化，電池組間溫度場均勻性與熱失控防控，還需要滿足嚴寒、高熱高濕地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)等不同環(huán)境工況下的所有溫控需求。

表2 鋰電池溫控需求及熱負荷Tab. 2 Temperature requirements for lithium battery pack of electric vehicle

電機與電控是電動汽車關(guān)鍵的能量輸出環(huán)節(jié)，電機工作過程中由于線圈電阻發(fā)熱、機械摩擦生熱等原因會產(chǎn)生大量熱量，溫度過高導致電機內(nèi)部短路、磁體的不可逆退磁等問題[9]。根據(jù)當前電動汽車市場不同車型電機配置情況，乘用車電機與電控溫控需求以及考慮電機效率和電機功率情況下的電機發(fā)熱功率如表3所示。隨著電動汽車的普及以及應(yīng)用場景的增多，汽車動力需求不斷提升，電動汽車電機需要更高的功率、扭矩以及轉(zhuǎn)速，同時也意味著更高的發(fā)熱量，因此電機系統(tǒng)的熱管理需求逐漸提高。

表3 乘用車電機、電控溫控需求以及電機發(fā)熱功率Tab. 3 Temperature requirements for motor and electrical control system and motor heat generation of electric vehicle

2 電動汽車熱管理技術(shù)發(fā)展歷程

整車熱管理是電動汽車發(fā)展的核心技術(shù)之一，涉及乘員艙溫濕環(huán)境調(diào)控、動力系統(tǒng)溫控、玻璃防霧除霧等多目標管理。根據(jù)熱管理系統(tǒng)架構(gòu)與集成化程度，將電動汽車熱管理的發(fā)展歸納為三個階段，如圖1所示。從單冷配合電加熱到熱泵配合電輔熱再到寬溫區(qū)熱泵與整車熱管理逐步耦合，電動汽車整車熱管理技術(shù)逐漸朝著高度集成化、智能化的方向發(fā)展，并且在寬溫區(qū)、極端條件下的環(huán)境適應(yīng)性能力逐漸提升。

圖1 電動汽車熱管理構(gòu)型發(fā)展趨勢Fig. 1 Development of thermal management configuration for electric vehicle

2.1 第一階段 PTC供熱

在電動汽車產(chǎn)業(yè)化起步階段，基本是以電池、電機等動力系統(tǒng)的替代為核心技術(shù)發(fā)展起來的，車室空調(diào)、車窗除霧、動力部件溫控等輔助系統(tǒng)是在傳統(tǒng)燃油汽車熱管理技術(shù)基礎(chǔ)上逐步改進而來的。純電動汽車空調(diào)與燃油汽車空調(diào)都是通過蒸氣壓縮循環(huán)來實現(xiàn)制冷功能，兩者的區(qū)別是燃油汽車空調(diào)壓縮機由發(fā)動機通過皮帶間接驅(qū)動，而純電動車則直接使用電驅(qū)動壓縮機來驅(qū)動制冷循環(huán)。燃油汽車冬季制熱時直接利用發(fā)動機余熱對乘員艙進行供熱，不需要額外的熱源，而純電動車的電機余熱無法滿足冬季制熱的需求，因此冬季制熱是純電動汽車需要解決的問題。正溫度系數(shù)加熱器(positive temperature coefficient，PTC)由PTC陶瓷發(fā)熱元件與鋁管組成,具有熱阻小、傳熱效率高的優(yōu)點，并且在燃油汽車的車身基礎(chǔ)上改動較小，因此早期的電動汽車采用蒸氣壓縮制冷循環(huán)制冷加PTC制熱的方式來實現(xiàn)乘員艙的熱管理，例如圖2所示的早期三菱公司的i-MIEV電動汽車[10]。與燃油汽車由燃料提供能量不同，電動汽車由動力電池提供能量。電動汽車正常運行時，動力電池放電產(chǎn)熱，溫度升高，需要對電池進行降溫。電池冷卻的方法主要有空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻、熱管冷卻[11]，由于空氣冷卻結(jié)構(gòu)簡單、成本低、便于維護，在早期的電動車上得到廣泛應(yīng)用。這一階段的熱管理主要形式是各個獨立的子系統(tǒng)分別滿足熱管理的需求。

圖2 早期電動汽車熱管理系統(tǒng)Fig. 2 Thermal management system of electric vehicle at early stage

2.2 第二階段 熱泵技術(shù)應(yīng)用

在實際使用過程中電動汽車冬季供熱能耗需求較高，從熱力學角度來說PTC制熱的COP始終小于1，使得PTC供熱耗電量較高，能源利用率低，嚴重制約了電動汽車的行駛里程[12]。而熱泵技術(shù)利用蒸氣壓縮循環(huán)將環(huán)境中的低品位熱量進行利用，制熱時的理論COP大于1，因此使用熱泵系統(tǒng)代替PTC可以增加電動汽車制熱工況下的續(xù)航里程[13]。圖3所示為寶馬i3車型采用熱泵系統(tǒng)來實現(xiàn)冬季制熱。此外，一汽奔騰與紅旗、上汽榮威等也在部分車型上采用了熱泵系統(tǒng)。然而在低溫環(huán)境下，傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)制熱量衰減嚴重，無法滿足電動汽車低溫環(huán)境制熱需求，需要額外的加熱器輔助加熱[14]，因此熱泵加PTC輔熱的制熱方式成為電動汽車冬季低溫環(huán)境下乘員艙制熱的主要方式。隨著動力電池容量與功率的進一步提升，動力電池運行過程的熱負荷也逐漸增大，傳統(tǒng)的空冷結(jié)構(gòu)無法滿足動力電池的溫控需求，因此液冷成為當前電池溫控的主要方式。并且，由于人體所需的舒適溫度和動力電池正常工作所處的溫度相近，可以通過在乘員艙熱泵系統(tǒng)中并聯(lián)換熱器的方式來分別滿足乘員艙與動力電池制冷的需求。通過換熱器以及二次冷卻間接帶走動力電池的熱量，電動汽車整車熱管理系統(tǒng)集成化程度有所提高。雖然集成化程度有所提升，但這一階段的熱管理系統(tǒng)只對電池制冷與乘員艙制冷進行了簡單整合，電池、電機余熱未得到有效利用。

圖3 寶馬i3電動汽車熱泵系統(tǒng)Fig. 3 Heat pump of BMW-i3

2.3 第三階段 寬溫區(qū)熱泵及整車熱管理集成一體化技術(shù)發(fā)展

傳統(tǒng)熱泵空調(diào)在高寒環(huán)境下制熱效率低、制熱量不足，制約了電動汽車的應(yīng)用場景。因此，一系列提升熱泵空調(diào)低溫工況下性能的方法得以開發(fā)應(yīng)用。通過合理增加二次換熱回路，在對動力電池與電機系統(tǒng)進行冷卻的同時，對其余熱進行回收利用，以提高電動汽車在低溫工況下的制熱量。實驗結(jié)果表明，余熱回收式熱泵空調(diào)與傳統(tǒng)熱泵空調(diào)相比，制熱量顯著提升[15]。各熱管理子系統(tǒng)耦合程度更深的余熱回收式熱泵以及集成化程度更高的整車熱管理系統(tǒng)在特斯拉Model Y、大眾ID4.CROZZ等車型上已得以應(yīng)用(圖4)。但當環(huán)境溫度更低，且余熱回收量更少時，僅通過余熱回收依然無法滿足低溫環(huán)境下的制熱量需求[16]，仍需使用PTC加熱器來彌補上述情況下制熱量的不足[17]。但隨著電車整車熱管理集成程度的逐漸提升，可以通過合理的增大電機發(fā)熱量的方式來增加余熱的回收量[18]，從而提高熱泵系統(tǒng)的制熱量與COP，避免了PTC加熱器的使用，在進一步降低熱管理系統(tǒng)空間占用率的同時滿足電動汽車在低溫環(huán)境下的制熱需求。除電池、電機系統(tǒng)余熱回收利用外，回風利用也是降低低溫工況下熱管理系統(tǒng)能耗的方式。研究結(jié)果表明，低溫環(huán)境下，合理的回風利用措施能夠在避免車窗起霧、結(jié)霜的同時使電動汽車所需制熱量下降46%～62%，最大能夠降低約40%的制熱能耗[19]。日本電裝也開發(fā)了相應(yīng)的雙層回風/新風結(jié)構(gòu)，能夠在防起霧的同時降低30%由通風引起的熱損失。這一階段電動汽車熱管理在極端條件下的環(huán)境適應(yīng)能力逐漸提升，并朝著集成化、綠色化的方向發(fā)展。

圖4 集成熱管理系統(tǒng)Fig. 4 Integrated thermal management system

為進一步提高電池高功率情況下的熱管理效率，降低熱管理復雜程度，將制冷劑直接送入電池組內(nèi)部進行換熱的直冷直熱式電池溫控方式也是目前的一個技術(shù)方案，一種電池包與制冷劑直接換熱的熱管理構(gòu)型如圖5所示。直冷技術(shù)能夠提高換熱效率與換熱量，使電池內(nèi)部獲得更均勻的溫度分布，減少二次回路的同時增大系統(tǒng)余熱回收量，進而提高電池溫控性能。但由于電池與制冷劑直接換熱技術(shù)需要通過熱泵系統(tǒng)的工作提高冷熱量，一方面電池溫控受限于熱泵空調(diào)系統(tǒng)的啟停，并對制冷劑環(huán)路的性能有一定影響，另一方面也限制了過渡季節(jié)的自然冷源利用，因此該技術(shù)仍需通進一步的研究改進與應(yīng)用評估。

圖5 電池與制冷劑直接換熱的系統(tǒng)原理Fig. 5 Principle of direct heat exchange system between battery and refrigerant

3 關(guān)鍵部件研究進展

電動汽車熱管理系統(tǒng)由多個部件組成，主要包括電動壓縮機、電子閥、換熱器、各種管路以及儲液器等主要部件。其中，壓縮機、電子閥和換熱器是熱泵系統(tǒng)最核心的部件。隨著電動汽車輕量化的需求不斷提升，系統(tǒng)集成化程度不斷深入，電動汽車熱管理部件也在向輕量化、集成化、模塊化的方向不斷發(fā)展。為提高電動汽車在極端條件下的適用性，能夠在極端條件下正常工作并滿足汽車熱管理性能需求的部件也在相應(yīng)的開發(fā)應(yīng)用。

3.1 電動壓縮機

壓縮機是空調(diào)系統(tǒng)的心臟，與燃油車不同，電動汽車空調(diào)系統(tǒng)由獨立的電動壓縮機直接驅(qū)動，為滿足應(yīng)用場景的需要，電動汽車壓縮機還必須滿足輕量化、高效化和可靠性高的需求。渦旋式壓縮機體積小、重量輕、效率高，因此成為目前車用電動壓縮機的主要形式。在低溫環(huán)境下，壓縮機吸氣壓力較低，使吸氣密度與質(zhì)量流量較低，同時還使壓縮機運行壓力比增大，等熵效率降低，造成冬季制熱效率低、制熱量不足的問題[21]。此外，壓比過大還會造成壓縮機排氣溫度過高，導致潤滑油碳化失效，嚴重影響壓縮機運行的安全[22]。因此需要增強壓縮機在低溫環(huán)境下的制熱能力，同時降低壓縮機排溫。渦旋壓縮機補氣結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)原理如圖6所示，中間補氣能夠引入額外的中間壓力的低溫制冷劑進入壓縮機，降低壓縮機的排氣溫度和比功[23]。因此適用于電動汽車的中間補氣式壓縮機成為提升電動壓縮機低溫工況下性能的重要技術(shù)方案。補氣式壓縮機設(shè)計的研究內(nèi)容主要集中在補氣口開口位置、數(shù)量、幾何結(jié)構(gòu)等方向上[24]，相關(guān)研究內(nèi)容如表4所示。Han Xinxin等[25]研制了一種適用于電動客車的噴射補氣式熱泵系統(tǒng)，測試結(jié)果表明，在-20 ℃/20 ℃測試工況下，噴射補氣式熱泵系統(tǒng)的COP為1.60，比無噴射補氣熱泵系統(tǒng)的COP提高14.5%。除研究工作外，純電動客車大溫差高能效熱泵空調(diào)已在實車上得以驗證，上海松芝、湖南華強等電動客車空調(diào)企業(yè)均推出了噴射補氣準二級壓縮的低環(huán)溫熱泵空調(diào)系統(tǒng)[26]。

圖6 渦旋壓縮機補氣結(jié)構(gòu)及補氣系統(tǒng)原理Fig. 6 Structure of vapor injection for scroll compressor and schematic diagram of vapor injection system

表4 補氣壓縮機性能研究Tab. 4 Study on performance of vapor injection scroll compressor

油循環(huán)率對電動壓縮機性能的影響也十分顯著[32]，系統(tǒng)的油循環(huán)率是通過壓縮機內(nèi)置的油分離器來控制實現(xiàn)的。油循環(huán)率在約5%時，系統(tǒng)能夠達到最佳性能[33]，不同進油口結(jié)構(gòu)對油分離效率影響較大，并且當壓縮機轉(zhuǎn)速在某個區(qū)間范圍內(nèi)時，油分離效率將達到最佳[34]。因此，在對電動壓縮機進行設(shè)計時需要考慮油分離器與電動壓縮機的適配性。

3.2 換熱器

換熱器是汽車熱管理系統(tǒng)重要部件，換熱能力對系統(tǒng)整體效率影響較大，并且換熱器空間占用率較高，因此電動汽車換熱器朝著高效化、結(jié)構(gòu)緊湊化發(fā)展。結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高的微通道換熱器成為電動汽車換熱器的首選，并廣泛應(yīng)用于電動汽車熱管理系統(tǒng)[35]。微通道換熱器存在流量分配不均導致?lián)Q熱器表面溫度分布不均以及由于結(jié)霜引起換熱能力下降的問題[36]。提升微通道換熱器性能的關(guān)鍵在于合理的流量分配方式與除霜技術(shù)。關(guān)于流量分配的相關(guān)研究如表5所示。較低的溫度、較小的風量以及較大的濕度是引起換熱器結(jié)霜的主要因素[42]。A.J. Mahvi等[43]的研究結(jié)果表明，提高換熱器表面的疏水性能夠延遲結(jié)霜，保持較高的傳熱效率。除了對換熱器表面進行處理以防止換熱器結(jié)霜之外，合理的除霜策略也必不可少。換熱器除霜策略主要包括熱氣旁通除霜、逆循環(huán)除霜[44]等。熱氣旁通除霜會導致車輛冬季制熱性能不足，除霜速度緩慢。逆循環(huán)除霜的方式無法保證乘員艙內(nèi)溫度的穩(wěn)定[45-47]。有學者提出將逆循環(huán)除霜與熱氣旁通除霜相結(jié)合的復合除霜方式[48]，能夠在有效降低能耗的同時，保證乘員艙溫度的穩(wěn)定性。

表5 微通道換熱器換熱性能研究Tab. 5 Study on heat transfer performance of microchannel heat exchanger

隨著電動汽車熱管理各子系統(tǒng)之間的耦合程度逐漸加深，需要結(jié)構(gòu)更加緊湊、換熱能力更強的換熱器來完成子系統(tǒng)之間的熱量傳遞，因此板式換熱器成為例如電子冷卻器等換熱器的形式首選。板式換熱器由帶有波紋的板片疊加而成，常見的波紋形式有人字波紋、球形波紋、平直波紋等，如圖7所示。為滿足更高的換熱量需求，提高電池冷卻器傳熱效率，可以通過合理設(shè)計換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加入口效應(yīng)，提高湍流度等方式使其達到更高的傳熱系數(shù)[49]。

圖7 板式換熱器板片結(jié)構(gòu)Fig. 7 Structure of plate heat exchanger

回熱器的使用能夠提高制冷劑在膨脹閥進口的過冷度，是提升汽車空調(diào)性能的一種優(yōu)化方案。套管式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、壓降小的特點，能夠滿足汽車空調(diào)回熱器的需求。應(yīng)用于汽車空調(diào)的回熱器主要是同軸套管式回熱器，為增強換熱能力，通常會在換熱器內(nèi)部增加肋片，不同肋片的同軸套管式回熱器結(jié)構(gòu)如圖8所示。受制于車身空間限制，直管式套管換熱器長度會受到限制，導致回熱量不足。如圖9所示的螺旋管套管式回熱器能夠增大回熱量，但會使制冷劑壓降有所上升。隨著系統(tǒng)集成程度的提高，回熱器通常會集成到管路之中，或是內(nèi)置于氣液分離器之中，降低空間占用率的同時減少有害過熱。

圖8 同軸套管式回熱器Fig. 8 Structure of coaxial internal heat exchanger

圖9 螺旋管套管式回熱器Fig. 9 Structure of helical coil internal heat exchanger

3.3 集成化部件

熱管理系統(tǒng)耦合程度的加深提高了熱管理的效率，但新增的閥件與管路使系統(tǒng)更為復雜。為簡化管路流程，降低熱管理系統(tǒng)空間占用率，熱管理系統(tǒng)部件在朝著集成化的方向發(fā)展。電動汽車熱管理系統(tǒng)包括多個載冷劑回路，這些回路又各自包括膨脹水壺、電磁閥等部件，這些部件通過管道連接，結(jié)構(gòu)復雜，并且占用大量的空間。為降低熱管理系統(tǒng)載冷劑回路的復雜程度，特斯拉在Model Y 車型上首次采用了八通閥[50]，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)中的冗余管路和閥件，如圖10所示，這是一個擁有8個進出口通路的閥組，可以通過切換來實現(xiàn)不同管路組合的聯(lián)通，大幅降低系統(tǒng)管路復雜程度的同時滿足熱管理系統(tǒng)多種工作模式的切換。小鵬汽車[51]通過如圖11所示的集成式水壺結(jié)構(gòu)，將原本多個回路的水壺以及相應(yīng)的閥件、水泵集成到一個水壺之上，大幅降低載冷劑回路的復雜程度，降低空間占用率，同時降低管路中的壓降與熱損失，提高系統(tǒng)的綜合效率。

圖10 特斯拉八通閥[50]Fig. 10 Structure of octovalve of Tesla[50]

圖11 集成膨脹水壺及其熱管理系統(tǒng)[51]Fig. 11 Integrated expansion tank and thermal management of electric vehicle[51]

除載冷劑回路外，制冷劑回路集成化程度的提高也能夠降低熱管理系統(tǒng)的復雜程度，比亞迪[52]提出一種閥組集成模塊如圖12所示，包括多個電磁膨脹閥與通斷閥，并將板式換熱器集成到閥組之上，能夠完成熱管理系統(tǒng)多種運行模式的切換，降低管路數(shù)量的同時減少制冷劑充注量。

圖12 比亞迪集成閥組[52]Fig. 12 Integrated valve proposed by Bydauto[52]

為進一步降低熱管理系統(tǒng)空間占用率，提高系統(tǒng)的集成程度，進一步將控制器、板式換熱器、壓縮機等主要部件集成為一體，同時將原本熱管理系統(tǒng)眾多的管路功能通過基板來實現(xiàn)的理念也在電動汽車熱管理行業(yè)開始逐步發(fā)展，這樣的高度集成可以使管路的數(shù)量大幅降低有利于熱管理系統(tǒng)的智能化控制與輕量化的發(fā)展。當然，對于系統(tǒng)的維護而言，集成式系統(tǒng)也帶來了維護與檢測成本提高的問題，需要同時解決集成件中零部件的標準化和可替換問題。

4 電動汽車整車熱管理發(fā)展趨勢

雖然當下電動汽車熱管理系統(tǒng)與早期相比，在集成化與節(jié)能高效等方面已經(jīng)取得了較大發(fā)展，但在制冷劑替代、全氣候?qū)挏貐^(qū)熱泵系統(tǒng)開發(fā)、智能化控制等方面仍面臨較大挑戰(zhàn)。

4.1 環(huán)保制冷劑

2016年《基加利修正案》將氫氟碳化物納入管控范圍，車用空調(diào)制冷劑替代成為行業(yè)的共性痛點。關(guān)于潛在替代制冷劑的研究應(yīng)用主要集中于R1234yf、CO2與R290，上述制冷劑主要物理性質(zhì)如表6所示。R1234yf與傳統(tǒng)制冷劑R134a熱力學性能相近，容易實現(xiàn)制冷劑的替換，但價格相對較高。R290和CO2作為天然環(huán)保制冷劑，具有價格相對低廉的優(yōu)勢。CO2無毒、不可燃、具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，并且在超臨界狀態(tài)下放熱時具有較大的溫度滑移，因此具有優(yōu)異的制熱性能。R290熱泵系統(tǒng)具有優(yōu)異的制冷、制熱性能，但由于R290是易燃性制冷劑，解決R290可燃性帶來的安全隱患是實現(xiàn)R290熱泵系統(tǒng)在電動汽車上應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

表6 三種典型制冷劑的物理性質(zhì)Tab. 6 Properties of three typical environmental friendly refrigerants

4.2 基于環(huán)保制冷劑的熱管理系統(tǒng)

R1234yf與R134a制冷劑熱力性質(zhì)十分接近，可以在R134a熱管理系統(tǒng)上直接使用R1234yf進行替換，但系統(tǒng)性能會略有降低。C. Zilio等[53]的研究結(jié)果表明，諸如優(yōu)化膨脹閥和使用變排量壓縮機等較小的改進可以使R1234yf制冷劑系統(tǒng)獲得相似的系統(tǒng)性能。R1234yf具有弱可燃性，可以通過增加二次回路的方式來降低燃燒的風險。由于專利以及合成技術(shù)等原因，R1234yf較高的價格成為制約其推廣應(yīng)用的阻礙。

作為價格低廉、環(huán)境友好的自然制冷劑，目前CO2熱泵系統(tǒng)已開始在實車上應(yīng)用，但仍存在夏季制冷量不足、極寒條件下制熱效率低等問題，研究領(lǐng)域的工作目標主要是進一步提升CO2熱泵系統(tǒng)的性能，尤其是高溫環(huán)境下制冷性能的提升。王丹東等[54]開發(fā)的適用于低溫環(huán)境的CO2熱泵系統(tǒng)如圖13(a)所示，該CO2熱泵系統(tǒng)在膨脹閥與室內(nèi)換熱器之間增加了一個換熱器。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在低溫環(huán)境下啟動時制熱量可達3.6 kW，COP為3.15。中間冷卻式熱泵系統(tǒng)能夠顯著提升熱泵系統(tǒng)性能。Chen Yiyu等[55]開發(fā)的中間冷卻式跨臨界CO2熱泵如圖13(b)所示，制冷模式時，壓縮機中間冷卻熱量通過中間冷卻器排出車外；制熱模式時，中間冷卻的熱量通過室內(nèi)蒸發(fā)器得以回收利用，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在制冷、制熱工況下性能皆有所提升。Zou Huiming等[56]提出利用噴射器替代節(jié)流閥，其系統(tǒng)流程如圖13(c)所示，計算結(jié)果表明噴射器的使用能夠提高壓縮機的進口壓力，降低壓縮機的工作壓比，提高CO2熱泵系統(tǒng)綜合性能。雖然CO2熱泵系統(tǒng)的制熱性能優(yōu)異，但由于跨臨界CO2熱泵循環(huán)工作壓力較高，對系統(tǒng)的安全性與可靠性提出了更高的要求。

圖13 CO2熱泵系統(tǒng)原理Fig. 13 Principle of CO2 heat pump system

R290作為另一種潛在的可替代環(huán)保自然制冷劑，具有優(yōu)異的制冷、制熱性能。Liu Cichong等[57]對R290熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的制熱性能進行了研究，在-10 ℃工況下，與傳統(tǒng)的R134a制冷劑系統(tǒng)相比，R290熱泵的制熱量與COP分別提升55%和12.3%。為提高R290系統(tǒng)的安全性，黃廣燕等[58]搭建了R290熱泵系統(tǒng)及其二次換熱回路，如圖14所示，結(jié)果表明在-25 ℃的環(huán)境溫度下，R290系統(tǒng)的制熱COP能夠達到2.16，具有優(yōu)異的制熱性能。但R290的可燃性嚴重限制了其推廣應(yīng)用。奧特佳公司提出了以R290為制冷劑的二次回路電動汽車熱泵技術(shù)及其產(chǎn)品，如圖15所示，將可燃的R290回路置于前艙，通過不可燃的二次回路間接對車艙內(nèi)的環(huán)境進行控制，實現(xiàn)熱管理系統(tǒng)模塊化設(shè)計的同時，最大程度減少制冷劑的充注量。

圖14 負荷側(cè)采用二次換熱回路的R290熱泵系統(tǒng)Fig. 14 R290 heat pump system with a secondary loop

圖15 奧特佳R290二次回路熱泵系統(tǒng)Fig. 15 R290 secondary loop heat pump of Aotecar

另一方面，混合制冷劑可以克服純自然制冷劑自身物性的局限性，也是未來新型制冷劑熱泵系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。Yu Binbin等[59]對CO2/R41混合制冷劑應(yīng)用于汽車熱泵系統(tǒng)的性能進行了研究。測試結(jié)果表明，在最佳配比下，該混合制冷劑的系統(tǒng)性能與純CO2制冷劑相比有所提升。理化所團隊也對CO2/R290混合制冷劑進行了研究，初步研究結(jié)果表明，CO2/R290混合制冷劑的制冷制熱性能與混合比緊密相關(guān)，通過混合R290和CO2，有效降低了R290的可燃性和系統(tǒng)的運行壓力，關(guān)于該混合制冷劑的最佳混合比與系統(tǒng)特性還有待未來進行深入研究。

4.3 智能化控制與乘員艙舒適性提升

電動汽車熱管理系統(tǒng)的高效智能化與乘員艙熱舒適性成為提高出行品質(zhì)的關(guān)鍵保證。根據(jù)汽車本身行駛狀況的不同，電動汽車各系統(tǒng)的熱負荷會出現(xiàn)動態(tài)波動，并且電動汽車熱系統(tǒng)耦合程度不斷加深，對熱管理系統(tǒng)的控制提出了更高的要求。因此智能化、一體化、精細化的控制方式將會是降低整車能耗、提高舒適性的控制方式。

熱泵系統(tǒng)傳統(tǒng)的控制方式是通過開關(guān)控制、PID控制等方法分別對各個獨立的熱管理對象與熱管理執(zhí)行機構(gòu)進行控制，根據(jù)設(shè)定值與實際值的偏差，通過調(diào)節(jié)壓縮轉(zhuǎn)速、膨脹閥開度、電加熱器功率、循環(huán)泵功率、電子風扇風量等參數(shù)，使各控制參數(shù)維持在設(shè)定的范圍。但隨著熱管理一體化程度的加深，PID控制在處理復雜的動態(tài)控制過程中容易使系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)或是震蕩等問題，造成能耗升高的同時降低駕駛的舒適性。多支路耦合的復雜熱泵系統(tǒng)的控制方法是當前電動汽車熱管理系統(tǒng)控制技術(shù)的研究重點。對于結(jié)構(gòu)復雜的帶余熱回收的中間補氣熱泵系統(tǒng)，補氣支路流量與主路流量對系統(tǒng)性能有重要影響，韓欣欣[60]對中間補氣壓力等關(guān)鍵參數(shù)以及主路與支路流量分配特性及其控制開展了研究，得到流量分配比與壓力比的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)存在最佳流量配比使系統(tǒng)性能達到最優(yōu)。對于CO2熱泵氣冷器側(cè)溫度壓力多變的特點，Hu Bin等[61]成功將極值搜索控制方法(ESC控制方法)應(yīng)用于跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)最優(yōu)排氣壓力的控制上，增加擾動的梯度搜索尋優(yōu)控制方法可以實現(xiàn)復雜系統(tǒng)的精細化控制，通過對當前排氣壓力施加小幅度的擾動信號，同時監(jiān)測系統(tǒng)性能的波動情況，通過數(shù)學分析尋找系統(tǒng)性能最佳的狀態(tài)點，進而確定系統(tǒng)所需控制的最佳排氣壓力。除ESC控制方案外，基于模型預(yù)測的MPC控制方法無論是對局部系統(tǒng)還是全局系統(tǒng)的尋優(yōu)控制上也都能夠?qū)崿F(xiàn)快速穩(wěn)定的控制，MPC控制方法也在CO2熱泵系統(tǒng)控制上得以應(yīng)用，但MPC方法過于依賴模型，需要大量的仿真和實測數(shù)據(jù)對模型進行支持，隨著未來信息交互技術(shù)的發(fā)展與模型精確程度提高，MPC控制方法將達到更高的精確性。

為保證駕駛?cè)藛T的熱舒適性，需要將乘員艙溫濕度控制在合理的波動范圍以內(nèi)。對于車內(nèi)熱濕環(huán)境控制，常規(guī)的控制方式是在前擋風玻璃防霧、保證車輛運行安全的前提下，針對車內(nèi)的溫濕度控制需求，通過調(diào)節(jié)送風量以及送風溫度來對車內(nèi)環(huán)境進行控制。張桂英[62]基于對雙蒸發(fā)器的電動汽車熱泵系統(tǒng)的研究，提出了基于不同支路膨脹閥動態(tài)調(diào)節(jié)特性的雙蒸發(fā)器控制思路，并利用比例回風形成連續(xù)風幕來防止車窗玻璃結(jié)霧。針對常規(guī)熱泵空調(diào)低溫環(huán)境下乘員艙供熱不足的問題，劉稷軒[63]通過玻璃表面結(jié)霧特性研究，以最大回風比為目標，通過電動風閥的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)最大回風利用的控制，從而降低電動汽車熱泵系統(tǒng)的整體能耗。進一步，為更好地對車內(nèi)熱濕環(huán)境進行調(diào)控并降低熱泵系統(tǒng)能耗，理化所團隊還提出了利用側(cè)玻璃強化凝結(jié)調(diào)控車內(nèi)濕度從而降低前擋玻璃除霧能耗的節(jié)能思路，并對不同涂層處理的側(cè)玻璃凝結(jié)特性開展了理論與實驗研究，研究表明，側(cè)玻璃凝結(jié)具有一定的除濕潛力，但在涂層的覆蓋形式與耐久性方面還需進一步開展研究。

在整車熱管理層面，乘員艙熱管理不僅包括空調(diào)送風這一傳統(tǒng)方式，座椅加熱等新型方式也得到了研究和推廣應(yīng)用。除了熱管理主動調(diào)節(jié)方法以外，合理的車身保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料選擇也能降低車內(nèi)環(huán)境的波動性，提高熱舒適性。此外，長時間舒適的駕駛環(huán)境容易令駕駛?cè)藛T產(chǎn)生疲乏，影響駕駛的安全性，智能控制系統(tǒng)通過吹風或其他刺激手段提高駕駛?cè)藛T精神集中度的相關(guān)研究也在進行中。

5 總結(jié)與展望

電動汽車熱管理系統(tǒng)從傳統(tǒng)的燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)改進而來，并逐漸過渡到適用于電動汽車的熱泵系統(tǒng)。與燃油汽車不同的是，電動汽車熱管理對象還包括電池系統(tǒng)與電機系統(tǒng)。通過三電耦合，電動汽車整車熱管理系統(tǒng)的耦合程度以及部件的集成化程度不斷提升。

為提高電動汽車在多環(huán)境下的適用性，進一步提高電動汽車的續(xù)航里程，需要開發(fā)適應(yīng)寬溫區(qū)、極端條件下的熱泵系統(tǒng)。

隨著出行品質(zhì)的需求日益提升，需要提高熱管理對人體熱舒適性的關(guān)注度，執(zhí)行以人為本的、智能化的汽車熱管理技術(shù)和控制策略。

面對更加嚴苛的環(huán)境保護需求，應(yīng)該著重關(guān)注環(huán)保制冷劑的替代性研究，并通過余熱回收、噴射補氣等技術(shù)開發(fā)來完成綠色節(jié)能高效的整車熱管理系統(tǒng)的構(gòu)建。