電動(dòng)汽車熱管理已成為保障車輛寬溫域環(huán)境適應(yīng)能力、電池?zé)岚踩统藛T艙熱舒適性等方面的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)也對(duì)電動(dòng)汽車的能耗，特別是高低溫環(huán)境下的整車能耗有著顯著影響。隨著車輛電氣化和智能化的快速發(fā)展，與傳統(tǒng)汽車相比，電動(dòng)汽車熱管理技術(shù)和發(fā)展路線在動(dòng)力系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等子熱力系統(tǒng)和整車層面都呈現(xiàn)出了明顯的差異和巨大的進(jìn)步。綜述了國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車熱管理技術(shù)領(lǐng)域重要的研究進(jìn)展，闡述了電池、電機(jī)、熱泵空調(diào)等子系統(tǒng)和整車集成熱管理系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步，總結(jié)了當(dāng)前電動(dòng)汽車熱管理亟待突破的技術(shù)重點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

目前，化石燃料提供了世界能源近80%的需求，但是大部分化石燃料的使用都會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染， 并且都是不可再生資源。2020年9月22日，中國(guó) 政府在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)上提出中國(guó)將力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到碳排放峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中 和的目標(biāo)愿景 。可見(jiàn)“雙碳”目標(biāo)時(shí)間緊、任務(wù)重，迫切需要大力發(fā)展低碳節(jié)能的電動(dòng)汽車來(lái)替代 傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，而車輛的電氣化和智能化趨勢(shì)也 引發(fā)了交通領(lǐng)域及核心技術(shù)的巨大變革。與傳統(tǒng)汽車不同，動(dòng)力電池、電機(jī)以及電控單 元是電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的核心部件。其中，電池在 充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的化學(xué)反應(yīng)熱和焦耳熱， 因此其溫度特性主要由電池的電化學(xué)反應(yīng)決定，同 時(shí)又和電池的種類、工作條件、熱管理方式以及電 池間連接方法等密切相關(guān)，更受到外界氣候環(huán)境作 用共同影響電池溫度的變化，溫度過(guò)高和過(guò)低都會(huì) 影響電池的有效容量并導(dǎo)致輸出功率的衰減，長(zhǎng)期 高溫甚至有引發(fā)電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，電機(jī)以 及電控單元的工作性能和安全性也與溫度聯(lián)系密 切。因此，針對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的高效熱管理技術(shù)在車輛 電氣化的背景和趨勢(shì)下顯得尤其重要 。本文綜述了國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車熱管理技術(shù)領(lǐng)域的 重要研究進(jìn)展，分析了電池、熱泵空調(diào)、電機(jī)、功 率型電子器件等子系統(tǒng)和整車集成熱管理系統(tǒng)的技 術(shù)進(jìn)步，總結(jié)并展望了電動(dòng)汽車熱管理亟待突破的 技術(shù)重點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1動(dòng)力電池?zé)峁芾?

1.1 電池高溫冷卻動(dòng)力電池組是由較多數(shù)量的單體電池串并聯(lián)組成，在高度互連的電池組中，電池間排列緊密，交互熱影響顯著，容易產(chǎn)生熱量聚積，影響電池組的 工作性能和使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致熱失控安 全事故。

整車上采用何種電池包冷卻方式，取決于動(dòng)力電池電量、產(chǎn)熱量、數(shù)量、形狀、布置方式、系統(tǒng)成本等因素，同時(shí)也要考慮與電池加熱功能的集成 性設(shè)計(jì)。 

空氣冷卻具有成本低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。早期日產(chǎn) Leaf、豐田 Prius、比亞迪 E6 等車型電池組均采用空氣冷卻形式，典型的冷卻形式如圖1所示。但空氣冷卻也存在散熱能力低，集成性差，不能實(shí) 現(xiàn)電池包預(yù)熱的劣勢(shì)。隨著電池容量和能量密度的提高，產(chǎn)熱量也逐漸增加，空氣冷卻方式已基本無(wú) 法滿足散熱需求。

圖1 典型電池空氣冷卻形式

2013年，美國(guó)通用汽車研發(fā)人員開(kāi)發(fā)了片式電池液流冷卻疊層成組的T型電池包，并將其應(yīng) 用于雪佛蘭Volt增程型電動(dòng)汽車上。美國(guó)特斯拉汽 車研發(fā)人員針對(duì)柱狀形態(tài)鋰電池設(shè)計(jì)了一種薄 層扁管帶式液流換熱結(jié)構(gòu)，換熱流道為雙向逆流設(shè) 計(jì)，提升了電池溫度一致性，目前特斯拉系列車型 均采用液體冷卻方式，如圖2所示。

圖2 特斯拉電池組液冷換熱結(jié)構(gòu)

為了進(jìn)一步提高液冷系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境溫度的適應(yīng)性，目前電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)逐步與車載空調(diào)系統(tǒng)耦合 協(xié)同，采用Chiller換熱器，實(shí)現(xiàn)制冷劑與冷卻液換熱的雙回路并聯(lián)流程 。目前這一技術(shù)在特斯拉、 比亞迪、上汽、一汽等主流車企的車型中使用較為 廣泛。為了進(jìn)一步提高動(dòng)力電池組熱管理冷卻能 力，LG化學(xué)的研發(fā)人員在耦合空調(diào)直冷電池?zé)峁芾砩线M(jìn)行了探索，設(shè)計(jì)了一種微通道冷板作為制冷劑蒸發(fā)換熱板，與Chiller間冷形式相比，制冷劑直冷形式換熱效率得到提升。該項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于 制冷劑直接冷卻電池，冷卻能力更強(qiáng)，電池可獲得 更低的溫度，來(lái)應(yīng)對(duì)超大功率充電及動(dòng)力輸出。同時(shí)，該技術(shù)和熱泵空調(diào)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)電池加熱 與電池冷卻的一體化設(shè)計(jì)，與原來(lái)采用Chiller冷卻 液二次換熱相比，可去除加熱電池冷卻液用的 PTC，使系統(tǒng)組成更簡(jiǎn)單。該項(xiàng)技術(shù)也存在一定的挑戰(zhàn)，比如在同時(shí)響應(yīng)乘員艙和電池包加熱或冷卻 需求時(shí)，對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的最大加熱或制冷能力要求更 高，乘員艙與電池包之間的換熱量分配需要精細(xì)化 匹配以應(yīng)對(duì)多變的使用環(huán)境。如果更低的制冷劑溫 度與電芯溫度之間的溫差過(guò)大，容易引起電芯充放 電壽命的降低。成熟應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)的代表車型為比 亞迪海豚、寶馬 i3 和奔馳S400 HYBRID。國(guó)內(nèi)高 校在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域也同步開(kāi)展了自主研究。吉林大學(xué)熱管理研究團(tuán)隊(duì) 在基于Chiller 的耦合空調(diào)電池?zé)峁芾砹鞒躺辖⒘擞?jì)算模型，并對(duì)制冷劑和冷 卻液流量影響特性進(jìn)行了仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。同 時(shí)，為了進(jìn)一步提高動(dòng)力電池組熱管理冷卻和熱安 全保障能力，吉林大學(xué)熱管理研究團(tuán)隊(duì)還先 后開(kāi)展了耦合空調(diào)直冷式電池冷卻結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)與優(yōu)化，并基于熱力學(xué)理論進(jìn)行了能耗分析，開(kāi) 展了耦合車載空調(diào)的 R134a制冷劑噴射應(yīng)急電池冷 卻熱安全強(qiáng)化的相關(guān)研究，如圖3所示。

圖3 直冷式電池蒸發(fā)冷板和熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者也嘗試?yán)脽峁?、相變材?（PCM）、熱電制冷進(jìn)行電池?zé)峁芾?，目前上述幾種技術(shù)主要停留在實(shí)驗(yàn)室研究階段。

為實(shí)現(xiàn)各種冷卻方式的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，國(guó)內(nèi)外研究 機(jī)構(gòu)也在探索混合冷卻形式。相比于單一的風(fēng)冷、 液冷或直冷等冷卻形式，采用混合冷卻形式，如液 冷與 PCM 相結(jié)合、熱電制冷與 PCM 相結(jié)合或風(fēng)冷 與液冷相結(jié)合等，在進(jìn)一步提升電池冷卻效果和溫度一致性上展現(xiàn)出了巨大的潛力。ZHENG Yiran 等提出了一種液冷和PCM冷卻結(jié)合的快速充電 鋰離子電池組熱管理系統(tǒng)，如圖4所示。液冷與 PCM 結(jié)合使用，在提高冷卻效果的同時(shí)減小了泵的耗功。

SONG Wenji 等針對(duì)80Ah電池組開(kāi)展了混合冷卻仿真研究。熱電制冷與 PCM 相結(jié)合的混合冷卻系統(tǒng)可以有效地將電池組溫度控制在最佳溫度范圍內(nèi)，并保障了電池組的溫均性。 

整體來(lái)說(shuō)，電池包高溫冷卻的未來(lái)發(fā)展方向是與乘員艙制冷、電池包加熱等功能集成化，使系統(tǒng) 復(fù)雜度、綜合成本、能耗等更低，同時(shí)滿足更寬溫域的使用環(huán)境。

圖4 液冷和PCM結(jié)合冷卻系統(tǒng)

1.2 電池低溫加熱

低溫環(huán)境下，電池電化學(xué)反應(yīng)速率降低，直流 內(nèi)阻迅速增大，充放電容量快速減少，嚴(yán)重影響動(dòng) 力電池的性能和壽命。同時(shí)，低溫環(huán)境下充放電也 會(huì)給電池造成一定的不可逆?zhèn)ΑＲ虼?，電池在?溫條件下工作時(shí)，需要高效的加熱技術(shù)進(jìn)行溫度保 障。電池溫升速度、綜合能耗和系統(tǒng)最低許用溫度 是評(píng)價(jià)電池低溫加熱性能的重要指標(biāo)。

電池加熱方式分為外部加熱和內(nèi)部加熱。其中，外部加熱包括PTC加熱、膜加熱、電機(jī)加熱和 熱泵加熱等，內(nèi)部加熱如電池脈沖自放電加熱 。通常參考電池低溫加熱的考核指標(biāo)，并考慮系統(tǒng)成本，開(kāi)展采用單一或組合預(yù)熱形式的方案設(shè)計(jì)。

比亞迪在電池低溫加熱時(shí)采用 PTC、膜加熱、 熱泵空調(diào)的制冷劑直接加熱電池等技術(shù)。2020年發(fā) 布的 DM-i 刀片電池內(nèi)嵌了加熱膜，并且在加熱膜 表面采用導(dǎo)熱凝膠降低熱阻。比亞迪基于e3.0平臺(tái)開(kāi)發(fā)海豚車型，采用熱泵空調(diào)對(duì)電池進(jìn)行直冷直熱 從而降低了低溫環(huán)境下電池加熱的能耗，同時(shí)采用 電池脈沖自放電加熱技術(shù)，儲(chǔ)能模塊與電池包通過(guò) 加熱電路進(jìn)行循環(huán)往復(fù)的相互充放電，產(chǎn)生的交流電流實(shí)現(xiàn)了電池包快速的自加熱，縮短了寒冷環(huán)境下的電池升溫時(shí)間，使電池可以在較短時(shí)間內(nèi)快速恢復(fù)充電能力。

蔚來(lái)采用了電機(jī)加熱電池技術(shù)，將電機(jī)轉(zhuǎn)子固定，電源的電壓全部加載在繞組上，使電能全部轉(zhuǎn) 變?yōu)闊崮埽ㄟ^(guò)液冷管路將電機(jī)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至電池包內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池包的加熱。該項(xiàng)技術(shù)在特斯拉Model 3上也有應(yīng)用。

高校和研究機(jī)構(gòu)在電池低溫加熱領(lǐng)域也開(kāi)展了 相關(guān)的研究。劉陽(yáng)坤采用石墨納米片聚和氨酯 混合漿料，通過(guò)成膜法制備復(fù)合發(fā)熱膜，通過(guò)發(fā)熱 膜預(yù)熱動(dòng)力電池，當(dāng)發(fā)熱膜功率密度為2000 W/m2 時(shí)，可在 0.11 h 內(nèi)將單體電池溫度由－10℃加熱 至 20 ℃。如果采用功率密度為 5 000 W/m2 的發(fā)熱 膜對(duì)電池模組進(jìn)行加熱，可在 0.24 h內(nèi)將電池模組由－10 ℃加熱至 0 ℃，且模組具有較好的溫均性。馬堡釗提出了全周期 Buck-Boost 相互加熱拓?fù)?和 LC 全橋諧振式自加熱拓?fù)鋬煞N不借助外部電源 的加熱拓?fù)洹Ｍㄟ^(guò)溫度耦合PNGV模型建模，設(shè)計(jì) 了最佳頻率的交流內(nèi)部加熱策略，這兩種加熱結(jié)構(gòu) 將電池－15 ℃加熱到 5 ℃分別用了 531 s和 537 s， 同時(shí)沒(méi)有對(duì)電池性能造成損傷。何錫添等基于熱電耦合設(shè)計(jì)了一種變頻變幅交流自加熱策略，通 過(guò)研究發(fā)現(xiàn) 1 700 Hz、3 500 Hz 恒頻和變頻變幅 3 種加熱策略在 700 s 內(nèi)分別實(shí)現(xiàn) 40.83 ℃、44.01 ℃ 和 47.67 ℃的溫升，驗(yàn)證了變頻變幅自加熱策略的 有效性。針對(duì)在高寒環(huán)境下加熱電池時(shí)易形成大溫 差換熱，導(dǎo)致電池組內(nèi)溫度一致性迅速變差的問(wèn) 題，吉林大學(xué)熱管理研究團(tuán)隊(duì)提出變溫梯級(jí)加 熱方法，針對(duì)性地梯級(jí)調(diào)節(jié)加熱溫差和加熱時(shí)間， 極大地降低了電池模組內(nèi)的溫度波動(dòng)，同時(shí)，利用 高導(dǎo)熱石墨材料進(jìn)行了電池傳熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化研 究，提高了電池?zé)峁芾磉^(guò)程的熱傳遞速率和單體電 池溫均性。

2 熱泵空調(diào)系統(tǒng)

對(duì)比內(nèi)燃機(jī)車輛，電動(dòng)汽車無(wú)法利用內(nèi)燃機(jī)余 熱進(jìn)行乘員艙的加熱，主要依靠高壓 PTC 進(jìn)行供 暖，在冬季環(huán)境中，會(huì)大量消耗電池電量，縮短續(xù)駛里程，因此，乘員艙熱管理技術(shù)是電動(dòng)汽車未來(lái)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)。

為解決上述問(wèn)題，基于熱泵空調(diào)的工作原理， 很多電動(dòng)汽車開(kāi)始搭載熱泵空調(diào)系統(tǒng)。目前主要分 為直接熱泵系統(tǒng)、間接熱泵系統(tǒng)、帶余熱回收的熱 泵系統(tǒng)和補(bǔ)氣增焓熱泵系統(tǒng)。直接式熱泵空調(diào)系統(tǒng) 多采用三換熱器形式，制熱時(shí)由室內(nèi)冷凝器散熱， 優(yōu)點(diǎn)是成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但低溫環(huán)境下系統(tǒng)會(huì)出 現(xiàn)工作效率快速降低、啟動(dòng)困難等情況。間接式熱泵空調(diào)系統(tǒng)的零部件可以與傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)的零 部件通用，空調(diào)箱無(wú)需重新設(shè)計(jì)，并且出風(fēng)口溫度均勻，舒適性好。與直接熱泵系統(tǒng)相比，間接熱泵下壓縮機(jī)的冷凝壓力會(huì)長(zhǎng)期維持在一個(gè)更高的壓力下 ， 導(dǎo)致其COP較低 ， 系統(tǒng)容易產(chǎn)生機(jī)械損傷 。補(bǔ)氣增焓技術(shù)能夠顯著提升空調(diào)系統(tǒng)在寒 冷條件下的適應(yīng)性。劉明康等研究了電動(dòng)汽車補(bǔ)氣增焓熱泵空調(diào)在－20 ℃環(huán)境溫度下的制熱性能，相對(duì)傳統(tǒng)熱泵空調(diào)，開(kāi)啟補(bǔ)氣增焓系統(tǒng)后， 系統(tǒng)制熱量和COP均有較大的提升。豐田和福特?zé)岜每照{(diào)系統(tǒng)采用了補(bǔ)氣增焓技術(shù)。

常規(guī)的熱泵空調(diào)在滿足乘員熱舒適性的條件下，最低允許工作溫度約在－10 ℃，采用補(bǔ)氣增 焓技術(shù)可下探至－15～－20 ℃的環(huán)境。但仍無(wú)法 滿足高寒市場(chǎng)的需求，其主要原因在于低溫下制冷劑的密度顯著下降，熱泵從低溫環(huán)境下吸熱量少， 從而系統(tǒng)制熱能力嚴(yán)重不足。為解決這一問(wèn)題，蔚來(lái)ES6熱管理系統(tǒng)中采用了電機(jī)余熱回收利用技術(shù)， 比亞迪海豚和特斯拉 Model 3 采用電機(jī)余熱回收及電機(jī)主動(dòng)發(fā)熱技術(shù)，為熱泵空調(diào)提供更多熱量。

R134a是目前汽車空調(diào)的主流制冷劑，但是由 于其對(duì)環(huán)境的破壞，未來(lái)將被全面禁用。汽車空調(diào) 的替代冷媒主要包括 R290、R125a、R1234yf、 碳?xì)渲评鋭┖?CO2 。CO2與傳統(tǒng)冷媒相比有 一定的優(yōu)勢(shì)，它是天然工質(zhì)，來(lái)源廣泛，價(jià)格便 宜，熱穩(wěn)定性好，對(duì)臭氧層無(wú)破壞，溫室效應(yīng)更 低。其分子量小，單位容積制冷能力強(qiáng)，黏度小， 在超低溫下 （比如－20 ℃以下） 的制熱量要明顯 優(yōu)于其他傳統(tǒng)制冷劑，整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)體積和質(zhì)量會(huì) 減小。但是由于其臨界壓力較高，約為傳統(tǒng)制冷劑 系統(tǒng)壓力的 6～8 倍，系統(tǒng)的可靠性、安全性和耐 久性降低，全套空調(diào)系統(tǒng)需重新開(kāi)發(fā)，會(huì)使成本增 加。WANG Dandong 等提出了一種新型 CO2熱 泵空調(diào)系統(tǒng)，如圖5所示，該系統(tǒng)采用串聯(lián)式氣體 冷卻器，與單一氣體冷卻器系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)將制熱能力和COP分別提高了33%和32%，此外，在室外－20 ℃的極低溫環(huán)境下，該系統(tǒng)依舊獲得5.6 kW 的最大制熱量和1.8的COP。目前熱泵技術(shù)已被眾多車企采用，如比亞迪的e3.0平臺(tái)全部采用了該項(xiàng)技術(shù)，蔚來(lái)、吉利、東風(fēng)也有部分車型搭載了熱泵系統(tǒng)，其中大眾的ID系列搭載了二氧化碳熱泵系統(tǒng)。

圖5 CO2熱泵空調(diào)系統(tǒng)

電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)不僅能夠完成乘員艙的制冷和制熱，還可以兼顧除霜、除濕和電池?zé)峁芾淼裙?能。任學(xué)銘等為解決電動(dòng)汽車乘員艙內(nèi)濕度過(guò) 高和前擋風(fēng)玻璃容易結(jié)霧的問(wèn)題，提出了一種雙蒸 發(fā)器除濕模式熱泵型汽車空調(diào)除濕系統(tǒng)，如圖 6所 示。其中，雙蒸發(fā)器系統(tǒng)較單蒸發(fā)系統(tǒng)在車外多了 一套換熱器，該系統(tǒng)可以將環(huán)境中的熱量利用熱泵 帶入乘員艙，能夠在低溫環(huán)境下提高能源利用率， 同時(shí)改善駕駛環(huán)境。同時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)外蒸發(fā)器的 流量分配，完成對(duì)乘員艙溫度和濕度的調(diào)節(jié)。

圖6 雙蒸發(fā)器除濕系統(tǒng)

THOMAS等也對(duì)多蒸發(fā)器電動(dòng)汽車空調(diào)系 統(tǒng)進(jìn)行了研究，多個(gè)蒸發(fā)器可以用來(lái)完成對(duì)乘員艙 和電池包的溫度控制，同時(shí)對(duì)不同的蒸發(fā)器進(jìn)行獨(dú) 立控制，以滿足不同工況的需求，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的 效果，如圖7所示。

圖7 多蒸發(fā)器空調(diào)系統(tǒng)

3 電機(jī)及功率型電子器件冷卻

3.1 電機(jī)冷卻

電機(jī)作為電動(dòng)汽車的主要部件，承擔(dān)著為其提 供動(dòng)力的作用。搭載在汽車上的電機(jī)要求結(jié)構(gòu)緊 湊，功率密度盡可能提高，由于冷卻不足容易導(dǎo)致 溫度過(guò)高，導(dǎo)致峰值功率持續(xù)時(shí)間短，動(dòng)力輸出受 限，以及磁鋼退磁現(xiàn)象。與之配套的電子設(shè)備面臨 由于高電流密度和高開(kāi)關(guān)頻率等導(dǎo)致的生熱量大和 溫度高的問(wèn)題，影響其使用性能和壽命。因此，通 過(guò)對(duì)電機(jī)以及電子設(shè)備溫度場(chǎng)分布進(jìn)行分析計(jì)算， 合理設(shè)計(jì)冷卻結(jié)構(gòu)，對(duì)提高其工作的穩(wěn)定性、可靠性和安 全性能，延長(zhǎng)其工作壽命都起著重要作用。

目前電機(jī)的主要冷卻方式為風(fēng)冷、油冷和液 冷。風(fēng)冷形式簡(jiǎn)單，成本低，但散熱能力差，適用 于低功率電機(jī)的冷卻。驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)是高功 率和超高轉(zhuǎn)速 （18 000 r/min以上），以及結(jié)構(gòu)集成 化和體積小型化 （如驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器結(jié)構(gòu)集成 化，HEV上發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變速器的結(jié)構(gòu)集成 化等）。目前高功率電機(jī)主要采用油冷或液冷，液 冷電機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，在電機(jī)殼體內(nèi)有冷卻液流道進(jìn) 行冷卻，繞組和磁鋼與冷卻液不直接接觸，冷卻效 果差。油冷電機(jī)，將冷卻油直接噴淋到繞組和磁鋼 上，再將冷卻油泵出冷卻，冷卻能力更強(qiáng)，可以滿 足更大功率輸出和更快速功率響應(yīng)的電機(jī)冷卻需 求，同時(shí)電機(jī)油冷能夠與減速器油冷實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)集成更有優(yōu)勢(shì)。

HU Yusheng 等提出了一種改進(jìn)的軸向和徑 向一體化通風(fēng)系統(tǒng)。將定子上的輔助冷卻槽去掉， 采用混合通風(fēng)方式，利用渦流管將空氣調(diào)節(jié)到合適的溫度，得到了較好的冷卻效果，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如 圖8所示。KIM等設(shè)計(jì)了一種輪轂電機(jī)的水冷風(fēng)冷混合冷卻結(jié)構(gòu)，研究了應(yīng)用該冷卻結(jié)構(gòu)的輪轂 電機(jī)的溫度場(chǎng)分布，結(jié)果表明，應(yīng)用水冷-風(fēng)冷混 合形式的輪轂電機(jī)具有良好的冷卻效果。吉林大學(xué)熱管理研究團(tuán)隊(duì)也針對(duì)電機(jī)水冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了構(gòu) 型建模和多工況下的仿真分析。

圖8 輪轂電機(jī)水冷-風(fēng)冷混合冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

油冷不僅可以起到冷卻效果，還可以提供潤(rùn)滑 作用。HA等分析了發(fā)卡式繞組電機(jī)中的溫度分 布和冷卻油流場(chǎng)分布，認(rèn)為注入油的溫度對(duì)電機(jī)冷 卻的影響大于注入油流量的影響。ASSAAD等將一臺(tái)感應(yīng)電機(jī)的空冷回路替換為油冷回路，并將主軸替換為帶孔空心軸，通過(guò)增強(qiáng)的冷卻系統(tǒng)保持 較低的電機(jī)溫度，從而降低銅損耗，克服機(jī)械損耗 的增加，提高連續(xù)功率。LIM 等設(shè)計(jì)的冷卻系 統(tǒng)將油輸送至位于軸中空區(qū)域的流道，冷卻系統(tǒng)如 圖9所示。軸的空心流道有多個(gè)出口，以便通過(guò)噴 射和分配方法將冷卻油輸送至需要潤(rùn)滑和冷卻的電 機(jī)關(guān)鍵部件 （線圈、定子鐵芯、軸承和減速器）。噴射的冷卻油吸收電機(jī)的內(nèi)部熱量，然后通過(guò)殼體 和夾具流向油箱。

圖9 油冷冷卻系統(tǒng)的流動(dòng)回路

PARK 等和 LIM 等分別優(yōu)化了 35 kW 輪 轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的冷卻結(jié)構(gòu)，通過(guò)試驗(yàn)和仿真驗(yàn)證了噴 油冷卻裝置的冷卻效果，研究了輪轂驅(qū)動(dòng)電機(jī)的冷 卻油流量特性，保障了線圈和定子鐵芯的工作溫度。

對(duì)于電動(dòng)客車來(lái)說(shuō)，大多數(shù)采用的是牽引電 機(jī)，LINDH等將液體冷卻技術(shù)應(yīng)用到客車上， 結(jié)果表明，其具有可靠的冷卻性能。此外，該團(tuán) 隊(duì)還提出了一種針對(duì)永磁電機(jī)的液體冷卻方法，為了證明該冷卻方法的可行性，針對(duì)試制的一臺(tái) 額定輸出為 205 kW 的電機(jī)進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)。FASQUELLEA等研究了一種應(yīng)用于永磁同步電 機(jī)的水冷系統(tǒng)，分析了周圍環(huán)境、冷板間距、流量 等一系列因素對(duì)冷卻結(jié)果的影響，為永磁同步電機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了參考。

在蘋(píng)果電動(dòng)汽車熱管理專利中，其電機(jī)冷卻分為3種方式，自循環(huán)模式、散熱器冷卻模式和熱泵 吸熱模式，其中自循環(huán)模式和熱泵吸熱模式主要在 環(huán)境溫度較低時(shí)啟動(dòng)，前者的冷卻液不經(jīng)過(guò)散熱 器，可以使電機(jī)溫度快速升溫至工作溫度，后者熱 泵可吸收電機(jī)工作產(chǎn)生的余熱，對(duì)乘員艙或電池回 路進(jìn)行放熱。當(dāng)溫度較高時(shí)，使用散熱器冷卻模 式，電機(jī)回路通過(guò)調(diào)節(jié)四通閥的開(kāi)啟狀態(tài)，控制冷 卻液流經(jīng)低溫散熱器，對(duì)電機(jī)回路進(jìn)行冷卻。

3.2 功率型電子器件冷卻

車載電子器件中大部分低功率電子部件沒(méi)有太 高的散熱需求，熱管理需關(guān)注的主要是功率型電子 器件，如 IGBT、SiC 芯片、IPM、DC-DC、OBC 等。功率型電子器件的主要冷卻方式如圖10所示。

圖10 功率型電子器件的冷卻方式

功率型電子器件冷卻技術(shù)典型的應(yīng)用方案主要 包括單面間接水冷、單面直接水冷、雙面間接水冷 和雙面直接水冷。單面間接水冷技術(shù)主要應(yīng)用于 A00 和物流車等車型中，代表廠商為比亞迪、斯 達(dá)、宏微。單面直接水冷技術(shù)主要用在A00和A級(jí) 車以上，代表廠商為比亞迪、斯達(dá)、中車。雙面間 接水冷技術(shù)代表廠商為電裝、安森美、英飛凌、比 亞迪。雙面直接水冷技術(shù)代表廠商為日立，目前在奧迪etron、雷克薩斯等車型上得到應(yīng)用。

KEMPITIYA 等對(duì)英飛凌的三相逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，并且提出了一種開(kāi)關(guān)損耗模型， 闡明了電熱聯(lián)合模擬的優(yōu)點(diǎn)和必要性，給大功率 IGBT功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)提供了思路。

4 一體化集成式熱管理

電動(dòng)汽車熱管理子系統(tǒng)主要包括電池?zé)峁芾硐?統(tǒng)、電機(jī)熱管理系統(tǒng)和熱泵空調(diào)系統(tǒng) 3個(gè)部分，以 及冷卻和加熱兩種功能。在電動(dòng)汽車發(fā)展的初期， 各系統(tǒng)的熱管理功能獨(dú)立。乘員艙制冷采用傳統(tǒng)空 調(diào)制冷系統(tǒng)，而采暖則采用高壓PTC。電池包冷卻 采用空調(diào)制冷系統(tǒng)對(duì)電池內(nèi)的冷卻液二次換熱再冷 卻，電池包加熱則采用高壓PTC。電機(jī)冷卻多采用 前端散熱器冷卻。這樣的分散式熱管理系統(tǒng)部件眾 多，體積及質(zhì)量大，能耗高，系統(tǒng)成本高，但結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單。

在電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛和整車能耗的壓力下，隨著電 動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)技術(shù)的進(jìn)化，具備更低熱管理能耗、更 寬工作溫域、更低系統(tǒng)成本和更緊湊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的 一體化集成熱管理系統(tǒng)成為電動(dòng)汽車的大勢(shì)所趨。采用更高效的熱泵空調(diào)代替PTC作為主要熱源，并 采用電機(jī)余熱回收或電機(jī)發(fā)熱等作為補(bǔ)充熱源來(lái)拓 展工作溫域。將各系統(tǒng)的加熱功能、冷卻功能集成 化，而非分散式熱源。將冷卻管路、控制閥、水泵、膨脹壺等輔助系統(tǒng)部件集成使結(jié)構(gòu)更緊湊。但 集成化的系統(tǒng)在面臨不同環(huán)境，不同系統(tǒng)的熱管理 需求時(shí)，控制策略會(huì)變得更復(fù)雜。

TIAN Zhen 等提出一種電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合考慮了空調(diào)/熱泵系統(tǒng)、電池冷 卻系統(tǒng)以及電機(jī)余熱回收利用系統(tǒng)，熱管理系統(tǒng) 如圖 11所示。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)5種工作模式，即空調(diào)系統(tǒng)模式、熱泵系統(tǒng)模式、熱泵空調(diào)+電池冷卻 系統(tǒng)模式、熱泵+電機(jī)冷卻模式和空調(diào)+電機(jī)冷卻模式。其中，熱泵空調(diào)聯(lián)合電機(jī)的余熱回收利用模式和采用PTC加熱模式相比，顯著降低了能耗。

圖11 電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)

ZOU Huiming 等設(shè)計(jì)了一種基于熱管換熱 的集成電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)，如圖 12 所示。該系 統(tǒng)通過(guò)熱泵系統(tǒng)耦合電池冷卻和預(yù)熱系統(tǒng)，將熱管 放置在電池包內(nèi)進(jìn)行能量的交換，該系統(tǒng)電池的冷卻和預(yù)熱模塊采用在車輛前部放置換熱器的形式獲 取自然冷源進(jìn)行電池包的冷卻，同時(shí)還能在低溫環(huán) 境下通過(guò)切換PTC對(duì)電池包進(jìn)行預(yù)熱。

圖12 熱泵耦合電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

2020年特斯拉在 Model Y車型上，提出了新型 集成熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)為其第 4 代熱管理系 統(tǒng)，相對(duì)于第 3代熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了熱泵 空調(diào)系統(tǒng)、低壓風(fēng)暖PTC、電機(jī)、壓縮機(jī)、八通閥 門、控制閥、水泵、溢水壺等附件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了結(jié) 構(gòu)高度集成化、尺寸緊湊、系統(tǒng)低成本、熱量充分 利用等目的。該系統(tǒng)在集成性和系統(tǒng)性設(shè)計(jì)上達(dá)到 了新高度，主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在熱泵空調(diào)同時(shí)滿足電池 加熱、冷卻和乘員艙采暖、制冷需求。同時(shí)，取消 了高壓PTC，充分利用電機(jī)余熱和產(chǎn)熱、壓縮機(jī)產(chǎn) 熱來(lái)為系統(tǒng)補(bǔ)熱，實(shí)現(xiàn)了控制閥、水泵、溢水壺等 附件系統(tǒng)的高度集成化。

針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力艙內(nèi)電機(jī)散熱器、電池散熱 器、冷凝器和風(fēng)扇等各熱力系統(tǒng)的熱狀態(tài)之間容易 產(chǎn)生交互影響的問(wèn)題，吉林大學(xué)熱管理研究團(tuán)隊(duì)開(kāi) 展了動(dòng)力熱管理和空調(diào)系統(tǒng)1D/3D聯(lián)合仿真，通過(guò) 兩者優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)來(lái)協(xié)同解決動(dòng)力艙內(nèi)多熱力系統(tǒng)間復(fù) 雜的傳熱與流動(dòng)問(wèn)題，為電動(dòng)汽車動(dòng)力艙內(nèi)產(chǎn)熱和 散熱部件布局形式的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了參考。

5 結(jié)論與展望

與傳統(tǒng)汽車相比，電氣化背景下電動(dòng)汽車熱管理技術(shù)和發(fā)展路線在動(dòng)力系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等子熱力系統(tǒng)和整車層面都呈現(xiàn)出了明顯的差異和巨大的進(jìn)步，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

（1） 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在保障電池組的工作溫度和性能、延長(zhǎng)電池壽命、提高動(dòng)力電池組安全性方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。為面對(duì)嚴(yán)峻的電池?zé)岚踩芾淼奶魬?zhàn)，相比于單一的風(fēng)冷、液冷或直冷等 冷卻形式，采用混合冷卻形式，如液冷與 PCM 相 結(jié)合、熱電制冷與PCM相結(jié)合或風(fēng)冷與液冷相結(jié)合等，在進(jìn)一步提升電池冷卻效果和溫度一致性上展現(xiàn)出了巨大的潛力和良好的發(fā)展前景。同時(shí)，降低動(dòng)力電池的許用環(huán)境溫度和綜合能耗，提高低溫環(huán)境下的溫升速率，保障低溫環(huán)境下電動(dòng)汽車的適應(yīng)性和工作性能是當(dāng)下電池?zé)峁芾砑夹g(shù)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，亟需結(jié)合智能技術(shù)突破電池低溫快速加熱和低溫快充溫度保障等關(guān)鍵技術(shù)，滿足車輛在高寒地區(qū)的使用需求。

（2） 為降低電動(dòng)汽車低溫環(huán)境下電加熱的能量消耗，提升整車?yán)m(xù)駛里程，搭載熱泵空調(diào)已經(jīng)成為 當(dāng)前主流的應(yīng)對(duì)方案。目前，相關(guān)研究主要聚焦在進(jìn)一步拓展低溫環(huán)境下熱泵空調(diào)的溫度適應(yīng)性和提 升系統(tǒng)COP方面，重點(diǎn)突破補(bǔ)氣增焓和CO2高壓系統(tǒng)等技術(shù)。同時(shí)，為提高乘員艙舒適性，熱泵空調(diào)系統(tǒng)面臨著乘員艙制冷和制熱雙重需求，這也導(dǎo)致系統(tǒng)耗能高的問(wèn)題尤其突出。未來(lái)，結(jié)合智能技術(shù)保障乘員艙舒適性的高效熱管理將成為節(jié)能降耗的新途徑。此外，為應(yīng)對(duì)國(guó)家環(huán)保法規(guī)的升級(jí)，采用新型環(huán)保冷媒 R290、R125a、R1234yf 等的車用空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)將成為業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。同時(shí)，為加快熱泵空調(diào)系統(tǒng)最新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，降低系統(tǒng)成 本是關(guān)鍵要素。 

（3） 高功率高轉(zhuǎn)速電機(jī)的熱管理技術(shù)是重要的研究方向。為進(jìn)一步保障電機(jī)冷卻效果，應(yīng)對(duì)高功率高轉(zhuǎn)速電機(jī)的快速發(fā)展，滿足其高產(chǎn)熱條件下的熱管理需求，油冷和液冷技術(shù)成為目前關(guān)注的重點(diǎn)，同時(shí)冷卻技術(shù)也從單一形式向混合形式方向發(fā)展。

（4） 功率型電子器件的冷卻方式仍以風(fēng)冷和液冷為主。此外，在急加速、急減速等瞬時(shí)電流沖擊工況下，IGBT、SiC等大功率電子器件呈現(xiàn)出毫秒級(jí)快速溫升，產(chǎn)生的熱量無(wú)法快速傳遞給冷卻介 質(zhì)，導(dǎo)致電子器件溫度過(guò)高，出現(xiàn)過(guò)熱保護(hù)或功率 輸出限制。針對(duì)上述難題進(jìn)一步提高功率型電子器件熱管理系統(tǒng)的冷卻能力和傳熱速率是未來(lái)的技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)和挑戰(zhàn)。

（5） 面向電動(dòng)汽車的整車一體化集成熱管理技 術(shù)受到了極大的關(guān)注，呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)。傳 統(tǒng)車輛熱管理各子系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)作方式在電動(dòng)汽車上已經(jīng)發(fā)生了深刻變化，開(kāi)始逐步形成電池、電機(jī)、電控、空調(diào)等各子熱力系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)、交互 合作和協(xié)同管控。未來(lái)的技術(shù)發(fā)展將進(jìn)一步聚焦各 子熱力系統(tǒng)間的耦合關(guān)聯(lián)，結(jié)合智能技術(shù)統(tǒng)一協(xié)調(diào) 各子熱力系統(tǒng)間的能量分配，在綜合改善整車熱管 理性能的同時(shí)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和降低成本， 是先進(jìn)電動(dòng)汽車熱管理技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵要素。