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(shí)施以來(lái)，削減當(dāng)量碳排放，有效延緩全球變暖成為各個(gè)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(guò)，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(wèn)題，這也從節(jié)能與環(huán)保兩個(gè)方面對(duì)汽車熱管理行業(yè)提出了更高級(jí)，更精準(zhǔn)的要求。發(fā)展新能源汽車是應(yīng)對(duì)氣候變化、推動(dòng)綠色發(fā)展的戰(zhàn)略舉措[2]。同時(shí)也是我國(guó)從汽車大國(guó)邁向汽車強(qiáng)國(guó)的必由之路，我國(guó)的新能源汽車產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，目前已經(jīng)處于國(guó)際領(lǐng)先水平，國(guó)家發(fā)展規(guī)劃指出，預(yù)計(jì)在2030年新能源汽車的保有量從500萬(wàn)輛增長(zhǎng)到8000萬(wàn)輛[3]。結(jié)合目前我國(guó)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(guó)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(guò)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(duì)汽車進(jìn)行溫控和冷卻，用來(lái)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(dòng)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(duì)純電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，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(guò)控制車內(nèi)冷熱環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對(duì)乘員乘坐舒適性的保障。

眾所周知，動(dòng)力電池技術(shù)是目前制約電動(dòng)車輛發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸技術(shù)，其直接造成公眾對(duì)電動(dòng)車輛續(xù)駛里程、充電、安全性等問(wèn)題的顧慮。為了確保動(dòng)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(shì)

由于汽車熱管理系統(tǒng)集合了熱學(xué)、流體力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、電氣及軟件等多學(xué)科的知識(shí)積淀，生產(chǎn)過(guò)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(guó)外企業(yè)因較早進(jìn)入汽車熱管理系統(tǒng)市場(chǎng)，儲(chǔ)備的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)更加充足，因此，全球市場(chǎng)份額集中，形成多頭競(jìng)爭(zhēng)的局面，且多以外資品牌為主，其中國(guó)際龍頭日本電裝、韓國(guó)翰昂、德國(guó)馬勒、法國(guó)法雷奧合計(jì)占據(jù)全球汽車熱管理系統(tǒng)市場(chǎng)超過(guò)50%的份額[6]。國(guó)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(jì)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(gè)環(huán)節(jié)都有涵蓋；而國(guó)內(nèi)廠商能單獨(dú)提供某個(gè)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(gè)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(chǎng)份額與國(guó)際廠商相比仍有一定差距。

圖1  混合動(dòng)力汽車整車熱管理系統(tǒng)架構(gòu)[4]

電動(dòng)汽車因?yàn)楣?jié)能環(huán)保和能量轉(zhuǎn)化效率高等特性在近年來(lái)發(fā)展迅速。在低溫下，作為動(dòng)力來(lái)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(dòng)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(duì)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(duì)新能源汽車熱管理發(fā)展現(xiàn)狀，聚焦國(guó)內(nèi)高校，企業(yè)的研究成果，總結(jié)出以下幾點(diǎn)研究方向。近年來(lái)，對(duì)冷卻系統(tǒng)的研究主要是對(duì)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(duì)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(duì)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(lái)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(duì)極度嚴(yán)寒的北方地區(qū)，運(yùn)用算法控制策略，同時(shí)結(jié)合汽車上的熱泵空調(diào)系統(tǒng)，在汽車?yán)淦饎?dòng)時(shí)給電池進(jìn)行升溫和保溫，實(shí)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(guò)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(duì)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(diǎn)，問(wèn)界M5 EV做到了很好的成功，前置是一臺(tái)最大輸出功率165千瓦的異步感應(yīng)電機(jī)，后置是一臺(tái)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(lái)說(shuō)，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(wèn)界M5 EV 四驅(qū)版采用內(nèi)外都是全油冷散熱技術(shù)，同時(shí)配合電機(jī)定子的設(shè)定，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)為核心，以集成熱管理控制模塊為核心，對(duì)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(dòng)）。在比亞迪e平臺(tái)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(shí)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(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)通過(guò)制冷劑輸出“冷量”，進(jìn)入刀片電池系統(tǒng)。

圖2  深藍(lán)SL03

長(zhǎng)安深藍(lán)SL03 iBC數(shù)字電池管理系統(tǒng)：通過(guò)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(jì)，能夠確保電芯和電池總成熱失控的概率接近零，即使單個(gè)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(dòng)安全方面，優(yōu)選電芯+數(shù)字化過(guò)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(shí)在被動(dòng)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(xiǎn)的發(fā)生及擴(kuò)大。借用三通閥體，一路是給電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（高壓供電系統(tǒng)）進(jìn)行單獨(dú)分支，另外一個(gè)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(gè)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，同時(shí)配置一個(gè)體積較小的水冷版控制模組。這個(gè)模組和熱泵空調(diào)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)主要就是給動(dòng)力電池提供高溫散熱功能。冷卻液壺通過(guò)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(gè)精準(zhǔn)的切換，那么電驅(qū)動(dòng)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(lái)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(gè)相對(duì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時(shí)它又通過(guò)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(duì)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(duì)象，通過(guò)測(cè)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(shí)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(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響規(guī)律[8]。

其次為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代電動(dòng)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(shí),熱量聚集使溫度迅速上升,影響電池性能的問(wèn)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(cè)控制,結(jié)合了車速預(yù)測(cè)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(cè)模型減少車速變化所帶來(lái)的擾動(dòng)，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(gè)熱管理系統(tǒng)中，筆者認(rèn)為不僅要實(shí)現(xiàn)硬件上的改變和創(chuàng)新，更要對(duì)控制策略進(jìn)行很好的優(yōu)化。

05、結(jié)  語(yǔ)

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)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(diǎn)。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(huì)對(duì)能耗以及續(xù)航產(chǎn)生直接影響。筆者認(rèn)為電動(dòng)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(shí)現(xiàn)冬暖夏涼，比如給座椅和座艙加熱。外部就是確保動(dòng)力電池等處于合適的工作溫度，因?yàn)闇囟冗^(guò)高或過(guò)低都會(huì)對(duì)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(guò)程中，用多少時(shí)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(wèn)題。電動(dòng)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(shí)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(lái)熱管理發(fā)展的方向。最后，為了減小里程焦慮問(wèn)題，同時(shí)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(dòng)汽車乘員艙溫度控制策略的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

綜合看來(lái)，更精確電動(dòng)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(huì)是未來(lái)的主要研究方向。

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（原載《西南汽車信息》2023年3期）