純電動車電池熱管理系統(tǒng)[1-4]、電機和電機驅(qū)動熱管理系統(tǒng)[5]、空調(diào)熱管理系統(tǒng)[6-7]三大熱管理系統(tǒng)一度被孤立，在新一代純電動環(huán)保型汽車上， 各主機廠已將三大系統(tǒng)關聯(lián)起來，從整車熱管理系統(tǒng)的角度來設計開發(fā)，雖然目前上市車型中熱管理系統(tǒng)方案較多，各有優(yōu)劣，但其目的都是為了減少對電池能量的需求，在保證續(xù)航里程的前提下，努力提升整車舒適性和可靠性， 本文以部分主機廠三大熱管理系統(tǒng)為背景，對系統(tǒng)進行分析、歸納，最終提出一個典型的整車熱管理系統(tǒng)[8]設計架構(gòu)，以供參考。

1 三大熱管理系統(tǒng)

1.1 空調(diào)系統(tǒng)熱管理

汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)主要由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器、鼓風機等部件組成，常用冷媒為R134a?？照{(diào)制冷原理及示意圖如圖1 所示；加熱系統(tǒng)主要由PTC、鼓風機、風道等組成?？照{(diào)系統(tǒng)熱管理示意圖如圖2 所示。通常情況下， 其空調(diào)系統(tǒng)制冷量約5 kW 左右， 采暖量約6 kW，為EV 整車能量的10%左右。與汽油車相比，汽油車采用皮帶輪帶動壓縮機，EV 則采用逆變電路控制電機，電機來驅(qū)動電動壓縮機制冷；汽油車通過發(fā)動機冷卻液在加熱器中循環(huán)實現(xiàn)采暖，而EV 用高壓PTC 加熱技術(shù)，系統(tǒng)可通過CFD 分道和流場分析、溫度線性試驗、環(huán)境模擬試驗、溫度場等試驗來改進完善。




1.2 動力電池系統(tǒng)熱管理

電動汽車蓄電池主要有鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池。近年來鋰電池以其高能量密度、較高的單體電壓、較高的能量效率、放電易檢測電池荷電狀態(tài)等優(yōu)點，受到客戶的廣泛青睞。但鋰電池也有其弊端，如低溫情況下電池充放電性能差；深度放電或在高溫下，儲存和放電易造成容量不可逆損失。且單體蓄電池的電壓和容量都比較小，不能滿足車載需要，實際中多以多個電池串聯(lián)成電池組來用，各個電池充放電時溫度可能不一致。因此EV 上電池熱管理必不可少。電池熱源有反應熱Qr， 電池極化引起的能力損失Qp，電池內(nèi)電解液分解和自放電副反應引起的能力損失Qs，電池電阻產(chǎn)生的焦耳熱Qj。因此電池總熱量Qa 可用公式表示為：



以某一款鋰電池充放電的溫度參數(shù)為例， 如表1 所示，其控制策略框圖如圖3 所示。





從表1 中可以看出， 當電池溫度T 在-20~0 ℃ 需加熱，本文采用加熱膜技術(shù)；當T 在0~38 ℃時，不需要加熱也不需要冷卻；當T 在38~45 ℃時，主要靠電池散熱器散熱；當T≥45 ℃時，需電池包另一散熱器Chiller 輔助散熱，由空調(diào)系統(tǒng)的一之路提供冷源。Chiller 實質(zhì)上是新能源汽車上專用的緊湊型冷卻器裝置，類似于空調(diào)系統(tǒng)中雙蒸發(fā)器系統(tǒng)中的一個分支，Chiller 中蒸發(fā)器被流經(jīng)動力電池散熱板的冷卻液包裹，冷媒通過熱交換將冷卻液的熱量帶走，起到給電池降溫的作用，目前三電貝爾和法雷奧等廠家，均有部分成熟的產(chǎn)品。

1.3 電機和驅(qū)動系統(tǒng)熱管理

以小型EV 電機和電機驅(qū)動器一體化系為例，由于電機和電機驅(qū)動只需考慮散熱即可， 假設電機和電機驅(qū)動器發(fā)熱需散熱功率為W1 kw，其冷卻系統(tǒng)多采用水路串聯(lián)連接方式，即冷卻水經(jīng)由冷卻系統(tǒng)后，先流經(jīng)電機驅(qū)動器，然后流入電機，最后返回冷卻系統(tǒng)，形成水循環(huán)系統(tǒng)，示意圖如圖3所示，綜合幾款EV 電機和電機驅(qū)動控制系統(tǒng)，控制策略簡述如下：

1）電機或電驅(qū)動控制器均小于45 ℃時，水泵和散熱器風扇都不工作，電驅(qū)動系統(tǒng)無需冷卻；

2）電機或電驅(qū)動控制器有一個溫度在45~65 ℃ 時，水泵工作，散熱器風扇不工作；

3）電機或電驅(qū)動控制器有一個大于65 ℃ 時，水泵、散熱器風扇同時工作。



2 系統(tǒng)集成與系統(tǒng)管理

上述分別解析了空調(diào)系統(tǒng)熱管理、動力電池系統(tǒng)熱管理、電機和驅(qū)動系統(tǒng)熱管理三大系統(tǒng)；熱管理系統(tǒng)可進一步細分為：電池散熱器冷卻回路、空調(diào)制冷回路、空調(diào)和Chiller冷卻電池回路、電驅(qū)動冷卻回路、電池充電加熱回路以及PTC 加熱回路。考慮三大熱管理系統(tǒng)的布置和控制方式，給出整車熱管理系統(tǒng)設計方案如圖5 所示。



首先，通常情況下，空調(diào)系統(tǒng)正常工作時，冷凝器表面溫度在60~65 ℃，而電池正常工作要求溫度控制在0~45 ℃，電機和電機驅(qū)動控制器最佳工作溫度不大于65 ℃。因此在散熱器布置上，電池散熱器和電機散熱器可上下布置，布置在空調(diào)系統(tǒng)冷凝器前方（即按整車坐標系下， X 軸正方向冷凝器前方），散熱器和冷凝器具體大小，根據(jù)各系統(tǒng)能力需求計算結(jié)果決定，同時還需要大量的CFD 仿真、溫度場等驗證試驗來完善。

其次，制冷方面：乘員艙單獨制冷時，閥1 打開，其他控制閥關閉；電池同時有制冷需求時，閥2 打開，空調(diào)的兩之路均工作，同時閥3、4 也同時工作；電機和電機驅(qū)動需要散熱時通過控制水泵1 來實現(xiàn)；加熱方面：動力電池加熱，目前市場上用的較多的方案是用加熱膜技術(shù)，加熱膜包裹在電池組中各電池表面，當電池溫度在-20~0 ℃ 時啟動加熱；環(huán)境倉采暖則直接用高壓PTC 加熱技術(shù)；除此之外，電池組與環(huán)境倉共用水暖PTC 加熱技術(shù)已在同步研究試驗階段，但高壓安全、管路布置、水閥控制以及系統(tǒng)匹配方面還有待完善。特別地，為了提高車內(nèi)環(huán)境舒適性，多采用預加熱和預降溫控制

技術(shù)，即在給整車充滿電后，定時啟動空調(diào)系統(tǒng)，此時空調(diào)系統(tǒng)通過充電機供電，不需電池組供電，給乘員艙加熱或降溫，因而在保證續(xù)航里程的同時， 保證車內(nèi)溫度控制在25 ℃左右較為舒適的環(huán)境溫度。

當今純電動車需求和使用范圍日益擴大，地球南北溫差和電池能耗將成為制約純電動車普及的重要因素，從設計的有效性和實用性來看， 解決上述問題主要有兩種途徑：1）采用新型材料，如電池材料、電池耐熱材料和導熱材料；2）部件的結(jié)構(gòu)、布置結(jié)構(gòu)以及控制策略的優(yōu)化， 改善EV 熱管理系統(tǒng)，合理的部件結(jié)構(gòu)和布局有利于熱傳遞和熱保護，完善溫度場和流場；同時使用高精度電控冷卻加熱方案實現(xiàn)精確控制，最大程度提高熱管理系統(tǒng)性能。智能化、模塊化和集成化的熱管理系統(tǒng)是未來EV 發(fā)展的重要目標之一， 具有廣泛的應用前景。