與傳統(tǒng)汽車相比，電動(dòng)汽車中多了1個(gè)控制器叫TMS（Thermal Management System）熱管理系統(tǒng)，這個(gè)控制器聽起來有點(diǎn)陌生，其實(shí)我們?cè)趥鹘y(tǒng)車中一直在使用它包含的1個(gè)功能，那就是自動(dòng)空調(diào)HVAC。

自動(dòng)空調(diào)

為什么自動(dòng)空調(diào)到了電動(dòng)車中就變成了熱管理系統(tǒng)？這個(gè)就要從車輛的動(dòng)力系統(tǒng)說起。

1.動(dòng)力系統(tǒng)的區(qū)別

傳統(tǒng)車的動(dòng)力系統(tǒng)來自發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳工作溫度在85-105℃，溫度太低時(shí)性能不好，需要預(yù)熱；溫度太高時(shí)會(huì)引起零部件的損壞，需要散熱。

汽油車低溫預(yù)熱通常只需要發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)一會(huì)，利用自身的發(fā)熱升溫就行了，不需要額外處理；高溫散熱就需要打開冷卻風(fēng)扇，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液進(jìn)行散熱?？傊?，發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是熱量大，溫度高，溫度控制需求主要是降溫，相對(duì)簡單。

所以傳統(tǒng)車中與熱相關(guān)的系統(tǒng)主要是空調(diào)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)，空調(diào)在制熱時(shí)會(huì)利用發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的高溫余熱，但是空調(diào)與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)是相互獨(dú)立的兩個(gè)控制器。

傳統(tǒng)燃油車空調(diào)系統(tǒng)

電動(dòng)車的動(dòng)力系統(tǒng)來自電機(jī)，而動(dòng)力源來自動(dòng)力電池，電機(jī)的特點(diǎn)與發(fā)動(dòng)機(jī)類似，工作時(shí)會(huì)發(fā)熱，需要進(jìn)行冷卻處理。

而動(dòng)力電池就大不相同了，動(dòng)力電池的最佳工作溫度在20-40℃，溫度過低，電池容量會(huì)顯著下降，低溫充電時(shí)的電鍍現(xiàn)象還會(huì)對(duì)電池造成嚴(yán)重?fù)p傷。

溫度過高不僅會(huì)加速電池老化，還會(huì)導(dǎo)致電池膨脹、漏液、短路，甚至?xí)l(fā)生燃爆。所以相對(duì)于粗獷的傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，動(dòng)力電池就顯得那么的金貴，它的溫度控制要非常精準(zhǔn)細(xì)致！

動(dòng)力電池高溫報(bào)警

2. 一體化熱管理控制器ITM

由于動(dòng)力系統(tǒng)不同，電動(dòng)汽車的熱相關(guān)系統(tǒng)包括了空調(diào)系統(tǒng)、電池?zé)峁芾砗碗姍C(jī)冷卻系統(tǒng)。

單從數(shù)量上看，電動(dòng)汽車只是比傳統(tǒng)燃油車多了一個(gè)電池?zé)峁芾?，是不是只要增?個(gè)電池?zé)峁芾砜刂破骶托辛耍?

實(shí)際上電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的改變，導(dǎo)致了原本互相獨(dú)立的熱管理系統(tǒng)有了更緊密的關(guān)系！

比如空調(diào)系統(tǒng)，原來的制熱是靠發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱產(chǎn)生的，非常節(jié)能。而電動(dòng)車的制熱只能依靠空調(diào)的熱泵原理或PTC加熱原理。

熱泵原理需要壓縮機(jī)工作，PTC需要通電加熱，這兩種方式都要消耗電能，PTC消耗的更多。而電能來自于動(dòng)力電池，所以空調(diào)系統(tǒng)的工作狀態(tài)依賴于動(dòng)力電池的性能。

而前面提到過，動(dòng)力電池的最佳工作溫度范圍很窄，不能像傳統(tǒng)車那樣簡單的預(yù)熱和冷卻風(fēng)扇就能控制，必須要通過空調(diào)系統(tǒng)的制熱和冷卻才能保證溫度控制效果，因此動(dòng)力電池的性能又依賴于空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。

這兩者是互相依賴的關(guān)系！

動(dòng)力電池和空調(diào)原本互不相干，現(xiàn)在要互相取暖

同樣的道理，空調(diào)可以給電機(jī)降溫，電機(jī)的熱量也可以給動(dòng)力電池和空調(diào)使用，所以這三者的關(guān)系愈發(fā)緊密。

空調(diào)、電池和電機(jī)三者之間的關(guān)系變得更加緊密

電池的溫度過高或過低都會(huì)影響車輛的續(xù)航里程和空調(diào)舒適性。而電機(jī)和電控的溫度過高也會(huì)影響整車的驅(qū)動(dòng)能力，這些特點(diǎn)對(duì)熱管理提出了更高的要求。

電動(dòng)車對(duì)熱管理更高的要求以及空調(diào)、電池和電機(jī)三者的緊密關(guān)系使得原來的獨(dú)立式熱管理向電池、電機(jī)和乘客艙空調(diào)統(tǒng)一的整車一體化熱管理系統(tǒng)方向發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)集成、功能耦合的方式更容易實(shí)現(xiàn)整車能耗最優(yōu)和成本最優(yōu)。

3. 系統(tǒng)架構(gòu)

熱管理系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和功能上把電機(jī)熱管理系統(tǒng)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)做了整合，結(jié)構(gòu)上可以減少管路和零部件的使用。

整個(gè)系統(tǒng)常用的零件包括散熱器、冷卻風(fēng)扇、水箱、冷卻液泵、chiller冷卻器、電子膨脹閥、油冷器、連通閥、電動(dòng)壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、儲(chǔ)液罐、電磁閥、電子膨脹閥、鼓風(fēng)機(jī)，PTC加熱器等。

常用零部件示意圖

整個(gè)系統(tǒng)的基本工作原理是控制器接收各類傳感器信號(hào)，各種信號(hào)在控制器內(nèi)部進(jìn)行綜合運(yùn)算，再對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行輸出控制。

內(nèi)部運(yùn)算主要分為三個(gè)模塊，空調(diào)模塊、電池模塊和電機(jī)模塊，空調(diào)模塊會(huì)根據(jù)外部設(shè)置溫度，結(jié)合當(dāng)前環(huán)境溫度和車內(nèi)溫度計(jì)算出目標(biāo)溫度，根據(jù)目標(biāo)溫度控制壓縮機(jī)的運(yùn)行。

電池模塊首先通過CAN接收電池單元的溫度，根據(jù)電池溫度的高低，計(jì)算出目標(biāo)溫度，再根據(jù)車內(nèi)外的環(huán)境溫度和制冷劑回路的溫度，決定熱管理的工作模式，比如是降溫、升溫還是熱平衡。

電機(jī)模塊主要是過熱時(shí)打開水泵，通過冷卻液、冷卻水等降溫。

系統(tǒng)框圖

實(shí)際的處理過程和算法比較復(fù)雜，三者的溫度目標(biāo)針對(duì)不同的場景會(huì)有不同的優(yōu)先級(jí)和處理方法。另外對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和對(duì)電子膨脹閥開度調(diào)節(jié)都要求精準(zhǔn)控制，常用PID算法進(jìn)行控制。

PID控制原理圖

4. 空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)車相比，電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)中的空調(diào)控制原理也有很大的不同。

首先在制熱上，傳統(tǒng)車通過引入發(fā)動(dòng)機(jī)工作余熱的熱風(fēng)來升高車內(nèi)的溫度，空調(diào)中的壓縮機(jī)等部件不需要工作，這種方案即可以廢熱利用，又不消耗額外的功率，非常的節(jié)能。

電動(dòng)車的空調(diào)系統(tǒng)需要用熱泵的原理來制熱，基本原理跟家用空調(diào)是一樣的，通過壓縮機(jī)和電子膨脹閥控制制冷劑的循環(huán)流動(dòng)，讓制冷劑在車外吸熱，在車內(nèi)放熱；或者吸收電池和電機(jī)的熱量再放到乘員艙。

熱泵的原理相對(duì)比較節(jié)能，但是與熱源有關(guān)，冬天氣溫低時(shí)熱量少，可能需要通過PTC加熱。

其次在壓縮機(jī)的控制上，傳統(tǒng)車的壓縮機(jī)是靠發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)的，所以它的動(dòng)力來自發(fā)動(dòng)機(jī)，這種方案因?yàn)槔昧税l(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此比較節(jié)能，缺點(diǎn)是只能控制壓縮機(jī)的通斷，不能精確控制速度，因?yàn)閴嚎s機(jī)的速度主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

而電動(dòng)車壓縮機(jī)是靠電力來控制旋轉(zhuǎn)的，動(dòng)力來自于電池，這種方案的優(yōu)點(diǎn)是壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速可以根據(jù)需要精確控制，溫度控制精度高；缺點(diǎn)就是工作時(shí)要一直使用動(dòng)力電池的高壓電，所以相對(duì)傳統(tǒng)車會(huì)更耗電。

此外，電動(dòng)車的空調(diào)系統(tǒng)不僅可以給車內(nèi)的人員調(diào)節(jié)溫度，還可以通過與chiller冷卻器的連接，給電池和電機(jī)調(diào)溫，滿足車輛在行駛和充電時(shí)的溫度要求。

5. 電機(jī)堵轉(zhuǎn)

電動(dòng)車在制熱時(shí)如果外部環(huán)境溫度低、電池和電機(jī)也沒有余熱、車輛沒有PTC，或者只有低壓PTC，沒有高壓PTC，無法提供足夠的熱源時(shí)怎么辦呢？

熱管理可以在驅(qū)動(dòng)電機(jī)不旋轉(zhuǎn)時(shí)，使用電機(jī)堵轉(zhuǎn)技術(shù)產(chǎn)生熱能，當(dāng)作熱源使用。

當(dāng)然這個(gè)過程是根據(jù)車輛不同工作模式，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)是否輸出電磁轉(zhuǎn)矩。在不產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)就相當(dāng)于一個(gè)加熱繞組。

通過電機(jī)堵轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱量可以為電池加熱，也可以為乘員艙采暖，電機(jī)堵轉(zhuǎn)功率的大小根據(jù)電池包需要的溫度調(diào)節(jié)，電機(jī)此時(shí)的角色由驅(qū)動(dòng)車輛變成了加熱裝置。

當(dāng)然，電機(jī)堵轉(zhuǎn)加熱的方式也要控制好時(shí)間，因?yàn)殡姍C(jī)長時(shí)間處于高溫狀態(tài)下，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)部件的老化，加速電機(jī)的損壞，縮短了電機(jī)的使用壽命。

6. 廢熱回收 

電機(jī)和電機(jī)控制器在工作過程中，溫度會(huì)逐漸升高，溫度過高會(huì)影響電機(jī)和電機(jī)控制器的性能，如果將這部分余熱散發(fā)到車外又是一種浪費(fèi)。

此時(shí)如果車內(nèi)人員需要升溫，就可以通過空調(diào)的熱泵原理把電機(jī)的余熱釋放到乘員艙中。

此時(shí)如果電池溫度偏低，需要加熱，就可以把電池和電機(jī)循環(huán)系統(tǒng)串聯(lián)，把電機(jī)的余熱釋放給電池包。

如果乘員艙和電池同時(shí)需要加熱，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)優(yōu)先級(jí)和需求熱量的大小，按比例的分配給電池和乘員艙，實(shí)現(xiàn)精確控制。

同樣的道理，如果電池有余熱，此時(shí)乘員艙需要升溫，也可以進(jìn)行類似控制。

另外，蒸發(fā)器在工作時(shí)由于蒸發(fā)吸熱的原理，蒸發(fā)器表面容易結(jié)冰，結(jié)冰后會(huì)嚴(yán)重影響蒸發(fā)器的工作，此時(shí)可以用余熱為蒸發(fā)器除霜化冰。

7. 小結(jié)

電動(dòng)車中動(dòng)力電池的溫度過高或過低會(huì)影響電量，進(jìn)而影響車輛的續(xù)航里程和空調(diào)舒適性；電機(jī)和電控的溫度過高會(huì)影響整車的驅(qū)動(dòng)能力；空調(diào)的制熱需要依賴電池電量，電池和電機(jī)也需要空調(diào)的制冷來降溫，這些系統(tǒng)的特點(diǎn)使得電動(dòng)車需要有一個(gè)結(jié)構(gòu)集成、功能耦合的熱管理控制器來統(tǒng)一協(xié)調(diào)和控制，在實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)的同時(shí)，盡可能達(dá)到整車能耗最優(yōu)！