車輛動力系統(tǒng)熱管理技術的創(chuàng)新與應用

摘要：基于電池組、電機及控制系統(tǒng)中存在的散熱問題，詳細探究了車輛動力系統(tǒng)中熱管理技術的最新研究動態(tài)及其在實際工程中的應用情況。通過數(shù)值模擬與實驗驗證，分析了相變材料、熱電冷卻技術，以及納米流體等新熱管理技術在車載動力系統(tǒng)中的應用情況。結果表明，這些技術有效提升了動力系統(tǒng)在溫度均衡性、運行穩(wěn)定度及系統(tǒng)使用壽命等方面的性能，也增強了電動汽車的整體效能，為車輛動力系統(tǒng)熱管理技術的開發(fā)及應用提供了參考。

關鍵詞：車輛動力系統(tǒng)；熱管理；相變材料；熱電制冷；納米流體

0 前言

近年來，隨著電動汽車的快速發(fā)展，車輛動力系統(tǒng)的熱管理問題日益突出。動力電池、驅動電機和控制器等關鍵部件在高功率工況下會產(chǎn)生大量熱量，傳統(tǒng)的熱管理方式難以滿足日益增加的散熱需求。為了突破瓶頸，眾多研究者開始探索新型熱管理技術，并取得了一系列研究成果。本文重點分析相變材料（PCM）、熱電制冷，以及納米流體等新興熱管理技術的基本原理、優(yōu)勢特點及其在車載動力系統(tǒng)中的應用情況，以期為相關領域的技術進步提供參考。

1 車輛動力系統(tǒng)熱管理技術

1. 1 動力電池熱管理技術

作為電動汽車的“心臟”，動力電池的性能直接影響著整車的續(xù)航里程和使用壽命，動力電池熱管理示意圖如圖1所示。電池在充放電過程中會釋放出大量的熱量，如果不能及時有效地將熱量耗散，電池的工作溫度就會持續(xù)升高，這加快了電池容量的衰減，甚至可能誘發(fā)安全隱患。傳統(tǒng)的電池熱管理方式，如風冷和液冷，雖然能夠起到一定的散熱作用，但仍存在熱量耗散不均勻、能源消耗較高等問題。為了克服這些不足，研究人員開始積極探索新型熱管理技術在動力電池領域的應用。其中，PCM、熱管和熱電制冷等技術憑借其獨特的優(yōu)勢脫穎而出[1]。借助這些創(chuàng)新技術，希望能實現(xiàn)對動力電池溫度更加精準的調(diào)控，提高電池熱管理的效率和可靠性。

1. 2 電機熱管理技術

車用電機大多采用永磁同步電機，其損耗主要來自銅損和鐵損，損耗功率可達額定功率的5%以上。長時間高溫工作會導致電機絕緣老化、永磁體退磁等故障。傳統(tǒng)的電機冷卻多采用自然對流或風冷方式，散熱能力有限。為突破此瓶頸，一些學者提出利用強化換熱技術來改善電機的冷卻性能，如在定子繞組和轉子上開設冷卻流道，采用液冷方式強制換熱；在端部裝設熱管或熱泵，主動抽取電機內(nèi)部熱量；優(yōu)化外殼翅片結構，最大限度地增加對流換熱面積等。這些方法有望顯著提升電機熱管理水平[2]。

1. 3 控制器熱管理技術

電機控制器是車輛動力系統(tǒng)的“大腦”，內(nèi)含大量電力電子元件，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、電容等。這些元件在高頻工作時會產(chǎn)生較多的熱損耗，使控制器溫度上升。據(jù)統(tǒng)計，控制器80%以上的故障與溫度有關。目前，控制器散熱主要是在器件上涂覆導熱硅脂，通過熱傳導將內(nèi)部熱量傳遞至外殼表面，再利用自然對流散熱。這種冷卻方式熱阻較大，散熱效果差。隨著控制器功率密度的不斷提高，亟需開發(fā)新的熱管理技術[3]。例如，采用微通道液冷冷板吸熱、熱管熱散等方案，從而實現(xiàn)控制器的高效冷卻。

2 創(chuàng)新熱管理技術及其應用

2. 1 PCM技術

PCM是一種能夠在吸、放熱過程中發(fā)生固-液相變的功能材料，具有較大的潛熱容量。將PCM應用于車輛動力系統(tǒng)熱管理，可有效削峰填谷，調(diào)節(jié)部件溫度波動范圍，減小冷卻系統(tǒng)的功率需求。例如，在動力電池包周圍填充PCM，當電池溫度上升時，PCM吸熱熔化，抑制溫升；當電池溫度下降時，PCM放熱凝固，緩解溫降。這樣可以顯著改善電池溫度的均勻性，延長其使用壽命[4]。目前，針對車載應用已開發(fā)出水/鹽水、石蠟、脂肪酸等多種PCM材料，初步實現(xiàn)了在動力電池、電機等部件的熱管理應用。

PCM材料的選擇需要綜合考慮其熱物性參數(shù)、體積變化率、化學穩(wěn)定性和成本等因素。對于車載動力電池，PCM的熔點應與電池最佳工作溫度相匹配，相變潛熱要足夠大，以提供充足的熱容量。同時，PCM自身導熱系數(shù)要適中，以免影響電池內(nèi)部熱擴散。在PCM集成設計中，要注意相變體積膨脹問題，避免產(chǎn)生過大的膨脹應力。針對長期使用可能引起的PCM性能衰減，需采取隔離保護、復合改性等措施，確保其熱穩(wěn)定性。

2. 2 熱電制冷技術

熱電制冷是利用半導體的佩爾捷效應，在通電流時產(chǎn)生制冷量的一種技術。它具有體積小、無噪聲和可控性好等優(yōu)點，非常適合車載應用。將熱電制冷器集成在動力電池包內(nèi)，可實現(xiàn)對電芯溫度的精確調(diào)控，使其工作在最佳溫度區(qū)間內(nèi)，從而提高電池的能量利用效率和循環(huán)壽命[5]。研究表明，采用熱電制冷可將電池組溫差控制在5 K以內(nèi)，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的風冷、液冷方案。此外，熱電制冷器還可用于電機和控制器的局部熱點冷卻，能夠有效避免局部過熱引起的損壞。為了進一步提升熱電制冷系統(tǒng)性能，可從優(yōu)化制冷單元布局、采用高效熱端散熱和冷端強化傳熱、選用高性能熱電材料等多個方面入手。

2. 3 納米流體技術

納米流體技術作為車載熱管理系統(tǒng)的新興技術，因其獨特的熱傳導性能而逐漸成為研究熱點。該技術通過在標準冷卻劑中融入金屬氧化物等納米粒子，能有效增強流體的熱傳導能力，優(yōu)化其黏性，進而大大提升冷卻機制的對流傳熱效能。納米流體技術在電動車電池與電機等關鍵組件的熱管理方面展現(xiàn)出極大的應用價值，不僅能有效抑制組件的最高溫升，改善溫度分布的均衡性，還能縮減系統(tǒng)尺寸，增強散熱速率。

3 工程應用案例

3. 1 某電動客車動力電池熱管理系統(tǒng)設計

針對某電動客車的動力電池組，設計了一套基于PCM的熱管理系統(tǒng)。該電池組由120個方形磷酸鐵鋰電芯組成，額定容量為180 A·h，標稱電壓為576 V。電池箱長寬高尺寸分別為1 500 mm、800 mm、300 mm。在電池箱內(nèi)部，每2個電芯之間放置1塊PCM板，采用石蠟作為PCM，熔點為42 ℃，潛熱容量為180 kJ/kg。

通過搭建仿真模型，分析了不同工況下電池的溫度分布情況，并與未采用PCM時進行對比。結果表明，未采用PCM時，在常溫充電、常溫放電、高溫充電和高溫放電工況下，電池組的最高溫度分別為46.2 ℃、52.5 ℃、58.7 ℃和63.4 ℃；采用PCM后，電池組在上述4種工況下的最高溫度分別降低至42.2 ℃、45.0 ℃、49.1 ℃和51.8 ℃?？梢钥闯?，使用PCM后，電池組最高溫度顯著降低，溫差也大幅減小，溫度分布更加均勻。在高溫工況下，PCM的調(diào)溫效果尤為明顯。經(jīng)實車測試，該系統(tǒng)可將電池組溫升幅度控制在8 K以內(nèi)，溫差小于5 K，滿足電池安全使用需求。

3. 2 某混合動力汽車電機熱管理系統(tǒng)設計

以某插電式混合動力汽車為研究對象，設計了驅動電機的熱管理系統(tǒng)。該車采用1臺50 kW永磁同步電機作為主驅動力，電機直徑為250 mm，長度為180 mm。在電機外殼上開設螺旋狀冷卻流道，并在定子鐵芯和繞組上設置軸向冷卻孔，冷卻液通過水泵實現(xiàn)強制循環(huán)。同時，在電機端部裝有4根熱管，利用熱管的相變傳熱原理，快速抽取電機內(nèi)部熱量并傳遞至冷卻液中。本研究搭建了電機三維傳熱模型模擬不同工況下的溫度場分布，并與傳統(tǒng)水冷方案進行對比。結果表明，傳統(tǒng)水冷方案下，電機在額定工況時繞組和鐵芯的最高溫度分別達到156 ℃和142 ℃；高負荷工況時，兩者溫度高達182 ℃和167 ℃；在水冷系統(tǒng)中加裝熱管后，在額定工況下繞組和鐵芯的最高溫度大幅降低至130 ℃和123 ℃，高負荷工況時僅為138 ℃和131 ℃?？梢姡捎脽峁芎?，電機繞組和鐵芯的最高溫度分別降低了26 K和19 K，電機溫升問題得到明顯改善。

3. 3 某電動汽車控制器液冷系統(tǒng)設計

針對某電動汽車的電機控制器，開發(fā)了一套液冷散熱系統(tǒng)。該控制器的額定功率為100 kW，控制器的長寬高分別為360 mm、280 mm、80 mm，內(nèi)部共有6個IGBT功率模塊和12個電解電容。在每個IGBT模塊底部設置1個微通道冷板，利用冷板內(nèi)部的納米流體（SiC/水）吸收IGBT產(chǎn)生的熱量。所有冷板并聯(lián)后，與1個板翅式換熱器相連，冷卻液在換熱器中冷卻后再由隔膜泵壓入冷板，實現(xiàn)閉路循環(huán)。根據(jù)控制器的功率循環(huán)工況，對冷板進行了流道布置和尺寸優(yōu)化，并確定了冷卻系統(tǒng)的主要參數(shù)。通過仿真計算分析了IGBT結溫的瞬態(tài)變化情況，同時與風冷方案進行了對比。結果表明，使用風冷散熱時，IGBT結溫在城市工況和高速公路工況下的峰值分別高達145 ℃和172 ℃，溫度波動幅度分別達到35 K和48 K。采用納米流體液冷系統(tǒng)后，城市工況下IGBT結溫峰值降至103 ℃，波動幅度減小到15 K；高速公路工況時結溫峰值為116 ℃，波動幅度減小到22 K。因此，采用液冷可顯著降低IGBT在各工況下的最高結溫，且溫度波動幅度減小一半以上，大大改善了控制器的散熱條件。

4 結語

在全球能源轉型的背景下，電動汽車的發(fā)展速度正經(jīng)歷前所未有的增長，其伴隨而來的熱管理難題使得傳統(tǒng)車載熱管理系統(tǒng)面臨嚴峻的考驗。因此，開發(fā)新的熱管理技術顯得尤為重要。PCM、熱電制冷技術及納米流體等前沿科技，憑借其獨特的運行機理與卓越的熱傳導性能，在電動車電池包、驅動電機及電子控制單元等核心組件的熱控領域得到了應用。通過仿真與試驗驗證，本文所述的熱管理系統(tǒng)能夠有效提升動力系統(tǒng)在溫度均衡性、運行穩(wěn)定度及使用壽命等方面的性能，同時也提高了電動汽車的整體效能。

參 考 文 獻

[1] 叢昊天，秦妍，陳聰，等.電動汽車動力電池熱管理系統(tǒng)設計[J].制冷與空調(diào)，2024（6）：1-9.

[2] 習璐.基于目標探測的車載燃料電池熱管理系統(tǒng)集成化設計[J].環(huán)境技術，2023，41（11）：121-126.

[3] 邱潔玉，賈照麗，黃愛娣.電動汽車動力電池熱管理系統(tǒng)性能研究與實驗測試[J].汽車實用技術，2023，48（14）：1-6.

[4] 柯巧敏，郭劍，王亦偉，等.車用鋰離子電池液冷式熱管理系統(tǒng)實驗研究[J].新能源進展， 2021，9（6）：479-488.

[5] 劉文濤.電動汽車動力鋰電池BMS管理系統(tǒng)綜述[J].摩托車技術，2020（8）：36-38.