作者：詹振飛 毛青 孫博文

單位：重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院

01、新能源汽車與熱管理

自從《<蒙特利爾議定書>基加利修正案》簽訂并實施以來，削減當(dāng)量碳排放，有效延緩全球變暖成為各個行業(yè)的熱門話題[1]。新能源汽車的快速發(fā)展也標(biāo)志著交通領(lǐng)域的能源結(jié)構(gòu)變革。不過，新能源車目前仍存在里程焦慮、熱管理工質(zhì)、溫室效應(yīng)等瓶頸問題，這也從節(jié)能與環(huán)保兩個方面對汽車熱管理行業(yè)提出了更高級，更精準(zhǔn)的要求。發(fā)展新能源汽車是應(yīng)對氣候變化、推動綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措[2]。同時也是我國從汽車大國邁向汽車強(qiáng)國的必由之路，我國的新能源汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)過20多年的發(fā)展，目前已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平，國家發(fā)展規(guī)劃指出，預(yù)計在2030年新能源汽車的保有量從500萬輛增長到8000萬輛[3]。結(jié)合目前我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)，必須把電力開發(fā)納入到中國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要地位。因此，在新能源汽車的發(fā)展過程中，熱管理技術(shù)的研究占據(jù)了舉足輕重的地位。

汽車的熱管理就是對汽車進(jìn)行溫控和冷卻，用來保證汽車各零部件以及駕駛艙內(nèi)處于合理溫度范圍，從而達(dá)到節(jié)能、舒適、提升續(xù)航里程等目的的系統(tǒng)，電動汽車熱管理系統(tǒng)主要包括電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、電機(jī)及其控制器熱管理系統(tǒng)、熱泵空調(diào)系統(tǒng)。對純電動汽車來說，電池?zé)峁芾淼闹饕蝿?wù)是使電池組的每一顆電池都處于合適的溫度范圍內(nèi)，并保持溫度的均勻性[4]；電機(jī)及其控制器熱管理系統(tǒng)保證車輛大功率電器件如電機(jī)、電機(jī)控制器等處于安全工作的溫度范圍；而熱泵空調(diào)系統(tǒng)則通過控制車內(nèi)冷熱環(huán)境，實現(xiàn)了對乘員乘坐舒適性的保障。

眾所周知，動力電池技術(shù)是目前制約電動車輛發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸技術(shù)，其直接造成公眾對電動車輛續(xù)駛里程、充電、安全性等問題的顧慮。為了確保動力電池在復(fù)雜車輛環(huán)境下安全、可靠和高效運(yùn)行，從而減緩公眾顧慮，有效的電池管理系統(tǒng)至關(guān)重要[5]。因此在上述三大系統(tǒng)之中，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)占主要地位，其也是各廠商、研究院以及高校的重要研究方向。

02、熱管理系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

由于汽車熱管理系統(tǒng)集合了熱學(xué)、流體力學(xué)、空氣動力學(xué)、電氣及軟件等多學(xué)科的知識積淀，生產(chǎn)過程包含鍛造、沖壓、精密加工、釬焊、裝配、氦檢等多種工藝，行業(yè)技術(shù)壁壘高。國外企業(yè)因較早進(jìn)入汽車熱管理系統(tǒng)市場，儲備的技術(shù)和經(jīng)驗更加充足，因此，全球市場份額集中，形成多頭競爭的局面，且多以外資品牌為主，其中國際龍頭日本電裝、韓國翰昂、德國馬勒、法國法雷奧合計占據(jù)全球汽車熱管理系統(tǒng)市場超過50%的份額[6]。國際龍頭企業(yè)由于掌握了關(guān)鍵核心零部件，具備強(qiáng)大的熱管理系統(tǒng)設(shè)計和研發(fā)能力，系統(tǒng)配套能力強(qiáng)，基本在汽車熱管理系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)都有涵蓋；而國內(nèi)廠商能單獨(dú)提供某個環(huán)節(jié)集成系統(tǒng)的能力較弱，主要提供的是壓縮機(jī)、閥類、泵類等熱管理系統(tǒng)零部件，雖然在各個細(xì)分領(lǐng)域掌握了核心技術(shù)，但是缺少系統(tǒng)開發(fā)和配套能力，因此整體市場份額與國際廠商相比仍有一定差距。

圖1  混合動力汽車整車熱管理系統(tǒng)架構(gòu)[4]

電動汽車因為節(jié)能環(huán)保和能量轉(zhuǎn)化效率高等特性在近年來發(fā)展迅速。在低溫下，作為動力來源的鋰離子電池的放電功率和容量等性能嚴(yán)重衰減，影響著電動汽車在北方極寒地區(qū)的發(fā)展和普及[7]。因此，如何在低溫下對鋰離子電池進(jìn)行可靠、高效、安全地低溫加熱顯得尤為重要。筆者針對新能源汽車熱管理發(fā)展現(xiàn)狀，聚焦國內(nèi)高校，企業(yè)的研究成果，總結(jié)出以下幾點研究方向。近年來，對冷卻系統(tǒng)的研究主要是對風(fēng)冷系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，電池組布置方式和電池組熱模型的研究，目前往復(fù)式空冷系統(tǒng)可以較大地增加對流換熱系數(shù)[8]。至今研究最為廣泛且很可行的當(dāng)屬液體制冷劑冷卻[4]，有機(jī)流體對電池模塊進(jìn)行冷卻，即使在很高的放電倍率下，電池溫度也能控制在理想溫度，基于液體冷卻的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)很可能成為未來應(yīng)用最為廣泛的電池?zé)峁芾砑夹g(shù)。另外，此方法可以很好地聯(lián)系三電熱管理控制系統(tǒng)。最后，面對極度嚴(yán)寒的北方地區(qū)，運(yùn)用算法控制策略，同時結(jié)合汽車上的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，在汽車?yán)淦饎訒r給電池進(jìn)行升溫和保溫，實現(xiàn)高效率放電，增加電池壽命。

電機(jī)冷卻目前擁有空冷、液冷等冷卻方式，當(dāng)前液體冷卻方式因其優(yōu)異的換熱性能，而廣受關(guān)注。不過最優(yōu)的冷卻方式應(yīng)該是混合冷卻（液體冷卻和空氣冷卻混合），對于250VA的熱負(fù)荷，采用混合冷卻策略可節(jié)省33%的功耗[9]。

03、產(chǎn)業(yè)界熱管理系統(tǒng)研究進(jìn)展

談到各廠商的熱管理系統(tǒng)特點，問界M5 EV做到了很好的成功，前置是一臺最大輸出功率165千瓦的異步感應(yīng)電機(jī)，后置是一臺最大輸出功率200千瓦的永磁同步電機(jī)，采用全油的冷散熱系統(tǒng)。一般來說，很多電機(jī)內(nèi)部定子用液冷散熱，然后在電機(jī)外面串聯(lián)油液交換器，熱交換器又串聯(lián)專門的循環(huán)管路；問界M5 EV 四驅(qū)版采用內(nèi)外都是全油冷散熱技術(shù)，同時配合電機(jī)定子的設(shè)定，在高速旋轉(zhuǎn)時定子內(nèi)部漩渦狀態(tài)的油液非常均衡灑在定子內(nèi)部，提供更好的散熱效率。

比亞迪e3.0集成熱管理（冷媒介質(zhì)）技術(shù)以熱泵電動空調(diào)壓縮機(jī)為核心，以集成熱管理控制模塊為核心，對產(chǎn)生的“冷”或“熱”進(jìn)行再分配 到不同的需求單元（駕駛艙、刀片電池、電驅(qū)動）。在比亞迪e平臺3.0架構(gòu)下，一體化熱管理系統(tǒng)的低溫預(yù)熱和高溫散熱功能均以制冷劑R134a為介質(zhì)實現(xiàn)，而非傳統(tǒng)的乙二醇冷卻液。高溫散熱模式開啟后，熱泵電動空調(diào)壓縮機(jī)通過制冷劑輸出“冷量”，進(jìn)入刀片電池系統(tǒng)。

圖2  深藍(lán)SL03

長安深藍(lán)SL03 iBC數(shù)字電池管理系統(tǒng)：通過２類數(shù)字預(yù)控管理技術(shù)、７類數(shù)字溫控管理技術(shù)及高安全性的外部結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠確保電芯和電池總成熱失控的概率接近零，即使單個電芯已產(chǎn)生出熱失控表現(xiàn)，也能有效規(guī)避整包的熱失控。主動安全方面，優(yōu)選電芯+數(shù)字化過程控制和車+云BMS的雙重監(jiān)控組成了2類數(shù)字預(yù)控管理技術(shù)，同時在被動安全方面，醇冷散熱技術(shù)、瞬態(tài)泄壓技術(shù)、超壓密封控制以及全域防短路等７類數(shù)字溫控管理技術(shù)能進(jìn)一步防止危險的發(fā)生及擴(kuò)大。借用三通閥體，一路是給電驅(qū)動系統(tǒng)（高壓供電系統(tǒng)）進(jìn)行單獨(dú)分支，另外一個分支是整車的PTC系統(tǒng)，包括駕駛艙供暖服務(wù)和冬季預(yù)熱電池。大型蒸發(fā)器意味著擁有一個熱泵空調(diào)系統(tǒng)，同時配置一個體積較小的水冷版控制模組。這個模組和熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合起來主要就是給動力電池提供高溫散熱功能。冷卻液壺通過四通閥體，配合三通閥體，在整車?yán)鋮s液大循環(huán)中進(jìn)行一個精準(zhǔn)的切換，那么電驅(qū)動系統(tǒng)的熱量就導(dǎo)入到駕駛艙里面的空調(diào)制暖系統(tǒng)，還有一部分熱量就是導(dǎo)入電池低溫預(yù)熱系統(tǒng)，駕駛艙和電池的制冷系統(tǒng)就是由熱泵空調(diào)系統(tǒng)的水冷板控制模組來進(jìn)行完成。在不同的高溫散熱系統(tǒng)和低溫預(yù)熱系統(tǒng)中能量的補(bǔ)償或切換中，做了一個相對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時它又通過盡可能少的閥體平衡了可靠性。

圖3  熱失控電池包的氣體流道結(jié)構(gòu)專利圖

04、汽車熱管理系統(tǒng)理論研究進(jìn)展

首先針對鋰電池在低溫下放電功率和容量等性能嚴(yán)重衰減這一現(xiàn)象，重慶大學(xué)的李夔寧等以三元鋰方塊電池為研究對象，通過測試電池在不同工況下的低溫特性，得出了電池電特性和熱特性參數(shù)，同時建立電池模型，利用非支配排序遺傳算法-Ⅱ和優(yōu)劣解距離法得到單體電池平衡加熱策略，并且得到了電池不同初始狀態(tài)對優(yōu)化目標(biāo)的影響規(guī)律[8]。

其次為了實現(xiàn)現(xiàn)代電動汽車高效率，高速度的充電，研究了一種基于大平板熱管的高效高均溫性電池散熱模型，此模型能夠較好地解決當(dāng)電池以較高倍率進(jìn)行充放電時,熱量聚集使溫度迅速上升,影響電池性能的問題，提高汽車的換熱效率[11]。最后為了提高電池的熱效率，建立了相應(yīng)的基于模型預(yù)測控制,結(jié)合了車速預(yù)測模型和自適應(yīng)最優(yōu)電池溫度參考值模型的控制策略，車速預(yù)測模型減少車速變化所帶來的擾動，自適應(yīng)最優(yōu)電池溫度參考值模型隨著環(huán)境溫度變化的電池溫度參考值的邊界變化[12]。所以，在整個熱管理系統(tǒng)中，筆者認(rèn)為不僅要實現(xiàn)硬件上的改變和創(chuàng)新，更要對控制策略進(jìn)行很好的優(yōu)化。

05、結(jié)  語

動力電池是電動汽車的動力來源，由于電池的成本高昂，電池的能耗就成為車企和用戶關(guān)注的焦點。整車的熱管理系統(tǒng)，不論是為座艙調(diào)節(jié)溫度，還是給電池、電機(jī)、電控的保溫，都會對能耗以及續(xù)航產(chǎn)生直接影響。筆者認(rèn)為電動汽車的熱管理系統(tǒng)就是體現(xiàn)在一內(nèi)一外，內(nèi)部就是讓汽車溫度舒適，實現(xiàn)冬暖夏涼，比如給座椅和座艙加熱。外部就是確保動力電池等處于合適的工作溫度，因為溫度過高或過低都會對電池的能量釋放造成很大阻礙。在快速調(diào)節(jié)各 部件溫度的過程中，用多少時間達(dá)到指定的溫度，需要花費(fèi)多少的能量，如何平衡，是非常關(guān)鍵的問題。電動汽車的熱管理系統(tǒng)不僅僅是傳統(tǒng)燃油車上的空調(diào)系統(tǒng)，還需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行更深度的更新迭代，需要同電子電氣架構(gòu)結(jié)合，同時還需要圍繞熱耦合技術(shù)，即如何把能量耦合集成利用依舊是未來熱管理發(fā)展的方向。最后，為了減小里程焦慮問題，同時提升乘員艙熱管理控制的智能性與舒適性，需要認(rèn)真考慮智能化的電動汽車乘員艙溫度控制策略的優(yōu)化設(shè)計。

綜合看來，更精確電動汽車熱管理模型、更高效的熱交換器及熱泵系統(tǒng)、更節(jié)能環(huán)保的制冷劑，以及更加集成化的熱管理系統(tǒng)，將會是未來的主要研究方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王從飛,曹鋒,李明佳,殷翔,宋昱龍,何雅玲.碳中和背景下新能源汽車熱管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].科學(xué)通報,2021,66(32):4112-4128.

[2] 國務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》[J].汽車零部件,2020(12):33.

[3] 孫逢春.數(shù)據(jù)驅(qū)動的新能源汽車與碳交易[J].數(shù)字經(jīng)濟(jì),2021(Z2).

[4] 李夔寧,鄺錫金,榮正壁等.電動汽車熱管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及展望[J].制冷與空調(diào),2020.

[5] 胡曉松,唐小琳.電動車輛鋰離子動力電池建模方法綜述[J].機(jī)械工程學(xué)報.2017.

[6] 李棟軍.純電動汽車電驅(qū)電控?zé)峁芾硐到y(tǒng)及余熱回收系統(tǒng)研究[D].重慶大學(xué),2021.

[7]《中國汽車熱管理行業(yè)市場經(jīng)營風(fēng)險及投資戰(zhàn)略決策報告》.

[8] 李夔寧,王靖鴻,謝翌,劉彬,劉江巖,劉召婷.鋰離子電池低溫復(fù)合加熱策略及優(yōu)化[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2022,11(10):3191-3199.

[9]  HIRANO H，TAJIMA T，HASEGAWA T, et al. Boiling Liquid Battery Cooling for Electric Vehicle：Transportation  Electrication  Asia-pacific [ C ]. IEEE.

[10]  NAINI S S, HUANG J A, MILLER R, et al. An Innovative Electric Motor Cooling System for Hybrid Vehicle-Model and Test: SAE International [ C ].New York, 2019.

[11] 劉彬,胡子強(qiáng),李夔寧,謝翌,鄭錦濤.基于大平板熱管的電池?zé)峁芾韺嶒灱胺抡鎇J].儲能科學(xué)與技術(shù),2021,10(04):1364-1373.

[12] 王晨陽. 基于模型預(yù)測控制的電動汽車熱管理系統(tǒng)控制策略[D].重慶大學(xué),2021. 

（原載《西南汽車信息》2023年3期）