摘要

本文旨在探討熱泵型集成式熱管理在純電動商用車行業(yè)的應(yīng)用和性能表現(xiàn)。通過理論分析和試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)熱泵型集成式熱管理在純電動汽領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，包括提高能源利用效率、降低能耗、提升系統(tǒng)性能等。

關(guān)鍵詞

純電動商用車；熱泵技術(shù)；集成式熱管理系統(tǒng)；熱泵型集成式熱管理

主要內(nèi)容

0 前言

純電動商用車作為新能源汽車的一部分，近年來在國家政策的扶持下發(fā)展迅速。2023 年我國新能源汽 車產(chǎn)銷分別完成 958.7 萬輛和 949.5 萬輛，同比分別增長 35.8% 和 37.9%，市場占有率達到了 31.6%，其中新能源商用車產(chǎn)銷也已占到了商用車產(chǎn)銷量的 11.5% 和 11.1%（商用車年產(chǎn)銷量累計完成 403.7 萬輛和 403.1萬輛）。

對于純電動商用車來說，電池種類、工作條件、熱管理方式、電池間連接方法以及外界氣候環(huán)境等因素都會影響電池性能的變化，導(dǎo)致高速續(xù)航衰減、低溫續(xù)航衰減、電池安全和電池耐用性差等問題，其根本原因是動力系統(tǒng)的工作特性與溫度強相關(guān)，溫度對動力性能的影響最大。因此，對整車熱管理系統(tǒng)的研究與提升，將大大提升純電動商用車的使用性能，為客戶提供更滿意的駕駛體驗與最大化的經(jīng)濟效益。本文將對熱泵型集成式熱管理系統(tǒng)進行詳細的理論分析和試驗論證。我們相信，熱泵型集成式熱管理系統(tǒng)在未來的純電動商用車領(lǐng)域作為一種高效、環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)

純電動商用車在設(shè)計時針對主要的熱量來源而常用的熱管理系統(tǒng)包括動力電池系統(tǒng)熱管理（BTMS）、空調(diào)系統(tǒng)熱管理和電機電控系統(tǒng)熱管理。傳統(tǒng)的分散式熱管理系統(tǒng)是電池、空調(diào)及電機電控系統(tǒng)三條回路彼此獨立，各自有一套完整的溫控系統(tǒng)和管路系統(tǒng)，因此在汽車運行過程中存在著某一系統(tǒng)用電加熱系統(tǒng)制熱的同時，另 一部件或系統(tǒng)在對外散熱能量沒有得到充分利用，不但造成能量浪費，而且不利于節(jié)能環(huán)保。另一方面，由于整個熱管理系統(tǒng)集成度較低，導(dǎo)致管路復(fù)雜、零部件數(shù)量多成本高，整車質(zhì)量偏重，從而也加速了車輛在運行過程中電池電量的消耗速度，減少了車輛續(xù)駛里程，對整車的經(jīng)濟性產(chǎn)生了不小的影響。

2 集成式熱管理系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化

為了實現(xiàn)純電動汽車的高效節(jié)能，提升整車性能和續(xù)駛里程表現(xiàn)，尤其是低溫環(huán)境下的性能，整車熱管理系統(tǒng)正朝著系統(tǒng)集成式、智能化的方向發(fā)展。集成式熱管理利用多通道閥門或管路，將電池、空調(diào)和電機電控系統(tǒng)中某些或全部回路連通，形成一個大的、可控的循環(huán)回路，從而發(fā)揮出集成熱管理系統(tǒng)的優(yōu)勢。此外，電機余熱可以通過集成熱管理系統(tǒng)進行回收再利用，可以在冬季寒冷環(huán)境下為電動汽車統(tǒng)籌熱量管理，減少能量的浪費。不僅如此，集成式熱管理系統(tǒng)對電池、空調(diào)和電機電控系統(tǒng)三大熱管理系統(tǒng)集成度提高，控制邏輯增強，減少了零部件數(shù)量，降低整車質(zhì)量，改善制造成本，間接緩解了電量在行車過程中的消耗速度。

某純電動商用車采用了集成式熱管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)機組內(nèi)部集成了水泵、換熱器、膨脹閥和 PTC（正溫度系數(shù)熱敏電阻，選配）等部件，性能參數(shù)如表 1。

我們對這款純電動商用車的集成式熱管理系統(tǒng)進行了仿真測試。測試要求電池入水口溫度為 15℃，電池的允許溫升小于 2 ℃。測試之后對集成方案與獨立方案的成本進行比對見表 2，可以看出，集成方案在外形尺寸、質(zhì)量和成本方面的優(yōu)勢都非常明顯，能帶來各方面效益的增加。不僅如此，從可擴展性分析，獨立機組的外形尺寸與一個標準 C 箱電池相同，為了保證模塊化，單機組散熱功率已不可擴展，僅能通過增加機組數(shù)量滿足電池?zé)峁芾硇枨螅蓹C組可通過提高壓縮機功率，增大冷凝器面積，并聯(lián)兩個換熱器，可將散熱功率擴展到 12 kW，實現(xiàn)能量的高效利用，降低車輛的能耗。

3 熱泵型集成式熱管理系統(tǒng)

3.1 熱泵型集成式熱管理原理 

在集成式熱管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為了更好地滿足電池的高溫度敏感性，純電動商用車的熱管理復(fù)雜層級和精細化程度都在持續(xù)提高，還有一些創(chuàng)新應(yīng)用正在加入其中，熱泵技術(shù)就是其中之一。熱泵本身并不生產(chǎn)熱，只是熱的搬運工，基于逆卡諾循環(huán)原理（圖 1），用少量電能驅(qū)動機組，將工作介質(zhì)進行變相循環(huán)，把低品位熱能吸收壓縮升溫后加以利用。熱泵的主要構(gòu)件包括制冷劑、壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器等。它是一個封閉循環(huán)的回路，其中的介質(zhì)即冷媒/制冷劑，在此循環(huán)回路中被連續(xù)地壓縮和膨脹。在每次被壓縮和膨脹時（即每一輪工作狀態(tài)），制冷劑將熱量從低溫環(huán)境中“抽取” 并傳送到高溫環(huán)境中?？諝獠⑽醋鳛槔涿绞褂茫M管它不會造成污染且無成本，因為其每輪工作狀態(tài)的熱效率相當(dāng)?shù)停瑢嶋H使用的冷媒是能夠在吸收熱量時蒸發(fā)，散發(fā)熱量時冷凝的液體。液體形態(tài)的改變過程能夠在每一輪工作循環(huán)中極大地提高熱效率。熱泵系統(tǒng)具有制冷、制熱兩種工況。將熱泵技術(shù)與集成式熱管理系統(tǒng)相融合，可以開發(fā)出新的熱泵型集成式熱管理系統(tǒng)。利用該技術(shù)的熱泵空調(diào)系統(tǒng)以電動空調(diào)壓縮機，利用制冷循環(huán)可逆轉(zhuǎn)的特點，集制冷與制熱為一體，具有通用性好、結(jié)構(gòu)緊湊、高效節(jié)能和環(huán)保等優(yōu)點，已成為車載空調(diào)的新趨勢。在冬季制熱工況下 COP（制冷性能系數(shù)）可達 2～ 4，能效多倍于目前純電動汽車領(lǐng)域普遍使用的 PTC 加熱系統(tǒng)，可以有效延長 20% 以上的續(xù)駛里程。當(dāng)前熱泵系統(tǒng)的類型主要有直接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)、間接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)和補氣增焓直接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)，如圖 2 所示，可制熱、可制冷。通俗一點講，就是在熱泵系統(tǒng)中使用四通換向閥可以使熱泵空調(diào)的蒸發(fā)器和冷凝器功能互相對換，改變熱量轉(zhuǎn)移方向，從而達到夏天制冷、冬天制熱的效果。

3.2 熱泵型集成式熱管理的試驗驗證

目前熱泵型集成式熱管理系統(tǒng)在純電動商用車上應(yīng)用還較少，乘用車上已有一些應(yīng)用。熱泵系統(tǒng)通過制冷劑的氣液轉(zhuǎn)換，將空氣中的熱量轉(zhuǎn)化為自身的內(nèi)能，COP 值比 PTC 加熱系統(tǒng)高出 2 ～ 3 倍，可有效延長 20% 以上的續(xù)駛里程，即使在極低溫度下，仍可保證 COP 大于等于 1，而 PTC 能效系數(shù)則一般小于 1。而在制熱環(huán)節(jié)，依靠系統(tǒng)的反向循環(huán)，將外界空氣的熱能強制轉(zhuǎn)移到乘客艙的空調(diào)系統(tǒng)，因此熱泵空調(diào)的能效系數(shù)比 PTC 加熱高出 2～ 3倍，特斯拉 Model Y 的熱泵能耗系數(shù)如圖 3 所示。

根據(jù)環(huán)境溫度和電池溫度的關(guān)系，以 COP 值來劃分熱泵系統(tǒng)參與加熱程度，特斯拉有 9 種加熱模式、3 種冷卻模式，以及除濕、除霜及除霧模式，其 COP值如表 3 所示。不僅如此，熱泵系統(tǒng)的成本初步估算為16800元，較電池獨立冷卻方案低 2300元，較電池集成冷卻方案高1200 元，約 1 年可收回高出的成本。

4 熱泵型集成式熱管理系統(tǒng)的優(yōu)劣勢

通過以上特斯拉的各項數(shù)據(jù)參數(shù)和性能，我們可以總結(jié)出熱泵型集成式熱管理的優(yōu)劣勢。

優(yōu)勢主要有：1）系統(tǒng)整合性強：將多個熱管理子系統(tǒng)整合到一個系統(tǒng)中，實現(xiàn)了統(tǒng)一的控制和優(yōu)化；這有助于減少系統(tǒng)復(fù)雜性，提高管理效率。2）能源效率通過精確控制各個部件的溫度和熱量流動，能夠更有效地利用能源，降低能耗。3）智能化管理：通常配備先進的傳感器和控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測和調(diào)整系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實現(xiàn)智能化管理。4）環(huán)境適應(yīng)性：可以根據(jù)環(huán)境條件自動調(diào)整運行策略，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。5）安裝與維護：集成式熱管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便。

劣勢主要表現(xiàn)為：1）技術(shù)難度高：需要整合多個子系統(tǒng)，技術(shù)難度相對較高，需要專業(yè)的技術(shù)支持。2）初期投資大：由于集成式熱管理需要整合多個子系統(tǒng)，因此初期投資相對較大。3）維護成本高：由于系統(tǒng)復(fù)雜度高，集成式熱管理的維護成本也相對較高。綜上所述，以整車綜合性能提升為目的、集成設(shè)計優(yōu)化為標準、多系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制與統(tǒng)籌管理為手段的熱泵型集成式熱管理在能源利用效率、智能化管理、環(huán)境適應(yīng)性及長壽命等方面具有顯著優(yōu)勢，而這些優(yōu)勢正是未來整車熱管理發(fā)展的大趨勢。

5 結(jié)論

隨著能源危機的加速、排放法規(guī)的日益嚴格，以及人們對駕駛環(huán)境舒適性的追求日益提高，控制和優(yōu)化汽車的熱量傳遞過程，保證重要部件和系統(tǒng)安全高效地運行，合理利用熱能，降低廢熱排放，提高能源利用效率，減少環(huán)境污染等，必然會是未來純電動商用車整車熱管理系統(tǒng)的發(fā)展方向。

熱泵型集成式熱管理系統(tǒng)將熱泵技術(shù)和集成式熱管理理念相結(jié)合，其概念內(nèi)涵已從傳統(tǒng)發(fā)動機冷卻擴展為涵蓋動力電池加熱冷卻、機油冷卻、空調(diào)制冷、暖通供熱、增壓中冷、低周熱疲勞、熱傷害、動力艙與乘員艙等多內(nèi)容的綜合熱管理，為純電動商用車提供高效、智能和可靠的熱量管理。在電池技術(shù)沒有突破性進展的前提下，熱泵空調(diào)系統(tǒng)是當(dāng)前降低續(xù)駛里程損耗的最佳解決方案之一。它將實現(xiàn)整車更高的能源利用效率和使用性能，為客戶帶來更加舒適的駕駛體驗與最大化的經(jīng)濟效益——在低溫 -10 ℃時，傳統(tǒng)的 PTC 采暖使電動汽車的續(xù)駛里程下降50% 以上，而利用熱泵空調(diào)系統(tǒng)采暖可以使續(xù)駛里程改善35% 以上。 

據(jù)不完全統(tǒng)計，熱泵空調(diào)在乘用車領(lǐng)域搭載車型逐步增多，國外搭載技術(shù)已經(jīng)過 5 年驗證，日產(chǎn) Leaf、豐田 Prius 等銷量極佳，捷豹 I-PACE 也規(guī)劃了搭載熱泵空調(diào)。國產(chǎn)電動汽車也完成了熱泵裝載從 0到 1的突破，如榮威 Ei5、榮威 MARVEL X、長安 CS75 PHEV 等車型都已經(jīng)采用了熱泵空調(diào)。根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜翌A(yù)測，到 2025 年，熱泵空調(diào)在新能源汽車的市場滲透率將達到 30%。純電動商用車領(lǐng)域?qū)τ跓岜眯图墒綗峁芾硐到y(tǒng)的研究和應(yīng)用都有著劃時代的重要意義，它推動了技術(shù)創(chuàng)新和市場拓展，同時也帶來了更大的挑戰(zhàn)，我們也將持續(xù)關(guān)注熱泵型集成式熱管理系統(tǒng)的未來發(fā)展，做好純電動商用車熱管理系統(tǒng)的技術(shù)儲備。