一、前言

汽車的熱管理系統(tǒng)（Thermal Management System，TMS）是整車系統(tǒng)的重要部分，熱管理系統(tǒng)的開發(fā)目的主要有安全性、舒適性、節(jié)能性、經(jīng)濟性和耐久性。

汽車熱管理是從整車角度統(tǒng)籌車輛發(fā)動機、空調(diào)、電池、電機等相關(guān)部件及子系統(tǒng)相關(guān)匹配、優(yōu)化與控制，有效解決整車熱相關(guān)問題，使得各功能模塊處于最佳溫度工況區(qū)間，提高整車經(jīng)濟性和動力性，保證車輛安全行駛。

新能源汽車熱管理系統(tǒng)是從傳統(tǒng)燃油車熱管理系統(tǒng)衍生過來的，既有傳統(tǒng)燃油車熱管理系統(tǒng)的共同部分如發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等，又多了電池電機電控等新增部分的冷卻系統(tǒng)。其中以三電取代發(fā)動機和變速箱，是較傳統(tǒng)燃油車在熱管理系統(tǒng)上的主要變化，另外還可能存在以電動壓縮機替代普通壓縮機，同時新增了電池冷卻板、電池冷卻器、PTC加熱器或熱泵等部件。

二、熱管理一般組成部件

在汽車的熱管理系統(tǒng)中，大致通過電子水泵、電磁閥門、壓縮機、PTC加熱器、電子風扇、膨脹水壺、蒸發(fā)器、冷凝器組成。

電子水泵：是輸送液體或使液體增壓的機械裝置。它將原動機的機械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，來輸送液體。運行原理為根據(jù)動力或其他部件當前狀態(tài)進行判斷，使通過控制通過水泵流量來控制流速，根據(jù)不同的流速可以帶走熱量來保持溫度穩(wěn)定。

電磁閥門：即電子控制的閥門，有兩通和三通閥。在從冷凝器出口流出的制冷劑呈高溫高壓的液態(tài)，為了能使液態(tài)制冷劑的飽和溫度降低，需要降低其壓力，同時為了使流量在適合的范圍內(nèi)，在制冷劑進入蒸發(fā)器之前，需要通過控制閥門開斷對其進行節(jié)流。

壓縮機：將低壓低溫的制冷劑氣體，通過推動和壓縮制冷劑氣體，對氣態(tài)制冷劑做功，使其能夠產(chǎn)生壓力和溫度的變化，從而變?yōu)楦邷馗邏旱臍鈶B(tài)的制冷劑。

冷凝器：將高溫的制冷劑冷卻。制冷劑從壓縮機排出后，呈高溫高壓狀態(tài)，此時需要對其降溫，并完成制冷劑從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的過程。

蒸發(fā)器：蒸發(fā)器的作用原理與冷凝器正好相反，其吸收空氣中的熱量，將熱量傳遞給制冷，使其能夠完成氣化過程。制冷劑經(jīng)過節(jié)流裝置節(jié)流后，處于汽液共存的狀態(tài)，也稱為濕蒸汽。在濕蒸汽進入蒸發(fā)器后，便開始吸收熱量，并蒸發(fā)成為飽和蒸汽，此后如果制冷劑繼續(xù)吸熱，將變?yōu)檫^熱蒸汽。

電子扇熱風扇：唯一能夠主動送風提高散熱器換熱性能的部件。目前車輛上采用的大多為軸流式冷卻風扇，具有高效能、體積小易布置等優(yōu)點，通常布置在散熱器之后。

PTC加熱器：是一種電阻式加熱裝置，通常額定工作電壓為350v-550v之間。當PTC電加熱器通電后，初始電阻較低，此時加熱功率較大，之后PTC加熱器溫度升高超過居里溫度后，PTC的阻值急劇增大產(chǎn)生熱量，并通過水泵中水介質(zhì)向部件輸送熱量。

制熱系統(tǒng)：在制熱系統(tǒng)中，若是混合動力汽車或者燃料電池系統(tǒng)汽車，可以利用發(fā)動機或者燃料電池系統(tǒng)自身做工過程中生產(chǎn)的熱來滿足熱需求，燃料電池系統(tǒng)在低溫情況下可能需要PTC加熱器來輔助加熱，使系統(tǒng)可以快速熱機；若是純動力電池汽車可能需要PTC加熱器來滿足熱量需求。

制冷系統(tǒng)：若是散熱系統(tǒng)，則需要通過水泵運轉(zhuǎn)帶動部件中散熱液體進行流動，帶走局部的熱量，并通過扇熱風扇來進行輔助快速散熱。

空調(diào)制冷系統(tǒng)：從原理上講，是通過制冷劑（常見的制冷劑有R134-四氟乙烷,R12二氟二氯甲烷等）的特殊性質(zhì)，通過利用其蒸發(fā)和冷凝伴隨的熱量的吸收和釋放來實現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移的效果?？此坪唵蔚臒岚徇\過程，其中卻包含了制冷劑復(fù)雜的相變過程，為了實現(xiàn)制冷劑狀態(tài)的變化并使其周而復(fù)始地搬運熱量。其中空調(diào)系統(tǒng)都主要由四大件組成：壓縮機，冷凝器，蒸發(fā)器，膨脹閥?？照{(diào)制冷循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖如下圖所示，制冷劑從壓縮機出來以此經(jīng)過冷凝器，膨脹閥，蒸發(fā)器，再回到壓縮機，完成一個制冷循環(huán)。

三、純電動汽車的熱管理技術(shù)

純電動汽車的熱管理系統(tǒng)，除去滿足保證駕駛?cè)藛T舒適的駕駛環(huán)境，控制車室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、送風溫度等，主要是對動力電池進行溫控，對動力電池的控溫是保障電動汽車高效安全運行的重要前提。

用于動力電池的冷卻方式有很多種，可分為空氣冷卻、液體冷卻、散熱片冷卻、相變材料冷卻和熱管冷卻等。

溫度過高或過低都會影響鋰離子電池的使用性能，但不同溫度對電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及離子化學反應(yīng)等所造成的影響是不同的。

低溫時，充放電過程中電解液的離子電導(dǎo)率較低、正極/電解液界面和負極/電解液界面的阻抗較高，從而影響正極與負極表面的電荷傳遞阻抗及鋰離子在負極中的擴散速度，最終影響電池倍率放電性能和充放電效率等關(guān)鍵指標。低溫下，電池的電解液中部分溶劑會發(fā)生凝固，導(dǎo)致鋰離子遷移困難；隨著溫度下降電解質(zhì)鹽的電化學反應(yīng)阻抗會不斷增加，同時其離子的離解常數(shù)也不斷減低，這些因素都會嚴重影響離子在電解質(zhì)中的移動速率，降低電化學反應(yīng)速率；并且低溫下電池在充電過程中由于鋰離子遷移困難會引發(fā)鋰離子還原成金屬鋰枝晶反應(yīng)，導(dǎo)致電解液分解，濃差極化增加，并且這種鋰金屬枝晶銳角鋒利，易刺穿電池內(nèi)部隔膜，引發(fā)電池內(nèi)短路，引發(fā)安全事故。

高溫不會導(dǎo)致電解液溶劑凝固，也不會降低電解質(zhì)鹽離子的擴散速率；相反，高溫而會提高材料的電化學反應(yīng)活性，提高離子擴散速率加快鋰離子的遷移，因此從某種意義上講高溫有助于提高鋰離子電池的充放電性能。但是溫度過高時會加速SEI膜分解反應(yīng)，嵌鋰碳與電解液的反應(yīng)，嵌鋰碳與粘接劑的反應(yīng)，電解液分解反應(yīng)以及正極材料的分解反應(yīng)，從而嚴重影響電池的使用壽命和使用性能。

以上所發(fā)生的這些反應(yīng)幾乎都是不可逆的，當這些反應(yīng)速率加快時，電池內(nèi)部可用于進行可逆電化學反應(yīng)的物質(zhì)會迅速減少，使電池性能在短時間內(nèi)衰退。并且當電池溫度持續(xù)上升超過電池安全溫度后電池內(nèi)部自發(fā)發(fā)生電解液及電極的分解反應(yīng)，這將在極短的時間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，即發(fā)生電池的熱失效，這將導(dǎo)致電池徹底被破壞。在電池箱狹小的空間內(nèi)，熱量難以及時散出，短時間內(nèi)出現(xiàn)熱量的迅速堆積，這極有可能導(dǎo)致電池熱失效的迅速蔓延，使電池包冒煙、自燃甚至爆炸等安全事故的發(fā)生。

純電動汽車熱管理控制策略為：動力電池冷啟動過程為：電動車輛起動前，BMS對電池模塊的溫度進行檢查，并將溫度傳感器的平均溫度值與目標溫度進行對比，若當前電池模塊的平均溫度高于目標溫度，則電動車輛可以正常起動；若傳感器的平均溫度值低于目標溫度則需打開PTC加熱器開啟預(yù)加熱系統(tǒng)。在加熱過程中，BMS時刻監(jiān)測電池的溫度，隨著預(yù)加熱系統(tǒng)的工作電池溫度的上升，當溫度傳感器平均溫度達到目標溫度時，預(yù)加熱系統(tǒng)停止工作。

啟動成功進入運行狀態(tài)，根據(jù)不同的需求來進行判斷當前模式，大致有三種工作模式，1.空調(diào)需求模式；2.動力電池需求模式；3.動力電池 空調(diào)都需求模式。

當需求模式1時，判斷蒸發(fā)箱溫度是否大于6℃，若滿足需求，則壓縮機以相對應(yīng)的轉(zhuǎn)速進行運行，通過空調(diào)制冷回路進行制冷。

當需求模式2時，檢測動力電池出入水口的溫度，壓縮機先固定轉(zhuǎn)速進行預(yù)熱20秒，隨后將制冷器閥門打開，將空調(diào)制冷閥門關(guān)閉，再根據(jù)溫度需求運轉(zhuǎn)壓縮機來滿足模式需求。

當需求模式3時，判斷蒸發(fā)箱的溫度時候大于6℃、膨脹水箱壓力是否在適當范圍內(nèi)，并驅(qū)動電子水泵進行工作，檢測動力電池出入水口溫度，壓縮機先固定轉(zhuǎn)速進行預(yù)熱20秒，隨后打開將冷卻器閥門打開，并將空調(diào)制冷閥門打開，根據(jù)溫度需求運轉(zhuǎn)壓縮機滿足模式需求；若壓縮機運轉(zhuǎn)至最大負荷，仍無法將動力電池出入水口溫度降至設(shè)定溫度，則提升電子水泵運轉(zhuǎn)速度，仍然無法滿足動力電池需求，則關(guān)閉空調(diào)制冷閥門，檢測動力電池出入口溫度，仍無法控制溫度，為防止動力電池損壞甚至熱失控自燃，則對動力電池輸出功率進行限制并發(fā)出警報，必要時階梯式降低動力電池輸出功率發(fā)出嚴重警告，提醒駕駛者靠邊停車并進行最大功率降溫處理。

四、混動汽車熱管理

相對于傳統(tǒng)汽車熱管理，混動車熱管理結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。其中不僅要考慮發(fā)動機冷卻性能，還加入了電機、電池的冷卻要求，同時還要考慮乘員艙的換熱和空調(diào)控制。

由于存在發(fā)動機這個熱力源，很大程度上可以不需要使用PTC部件來對動力系統(tǒng)進行加熱，發(fā)動機運行是以燃料燃燒為基礎(chǔ)的，工作工程中產(chǎn)生大量的熱可以較大滿足動力電池的初始加熱及駕駛艙熱需求。

在運行過程中，若滿足熱需求同時冷卻不足，則會發(fā)動機內(nèi)部機件溫度升高、機械強度降低，高溫會加劇零件的磨損并使?jié)櫥彤a(chǎn)生變質(zhì)和結(jié)焦；還會影響缸內(nèi)燃燒過程，降低內(nèi)燃機功率。若冷卻過度，氣缸壁溫度降低，高溫混合氣與之接觸時會重新凝結(jié)流回曲軸箱，增加燃油的消耗量；本該轉(zhuǎn)換為有用功的熱量也會被冷卻液帶走。

同時要保證電機的高效率運行，也離不開冷卻系統(tǒng)的作用，高溫會影響電機內(nèi)零件的正常運行，引發(fā)故障，增加耗電量：降低電機溫度主要依靠水泵和風扇的運行，降溫效果好，附件消耗電量越多，同樣不利于節(jié)能。因此發(fā)動機和電機冷卻系統(tǒng)的主要作用都是帶走多余的熱量，使冷卻對象一直工作在合適的溫度范圍。

確保出口水溫處于合理范圍是熱管理系統(tǒng)的首要控制指標。目前對出口水溫的溫度控制具有時滯長、非線性、多變量耦合等難點。當使用目標溫度和實際溫度之間的溫差進行反饋調(diào)節(jié)時，需要進行大量實驗來降低實際值和目標值之間的差距，控制過程效率低、能耗大。

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)包括散熱風扇，散熱器，水泵，節(jié)溫器和相關(guān)管路。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)中分為大循環(huán)管路與小循環(huán)管路，利用管路中流動的冷卻液來實現(xiàn)熱量傳遞再加上風扇散熱。冷卻系統(tǒng)中小循環(huán)管路的作用是幫助發(fā)動機自身預(yù)熱，使發(fā)動機盡快工作在最佳溫度范圍。如下圖所示，當發(fā)動機剛啟動冷卻液溫度低于80℃時，冷卻液走小循環(huán)回路，即圖中右側(cè)回路。當冷卻液溫度高于 90℃，節(jié)溫器向左側(cè)打開，冷卻液走大循環(huán)回路流經(jīng)散熱器，即圖中左側(cè)回路。

電機冷卻系統(tǒng)如下圖所示，包括散熱風扇、散熱器、水泵及相關(guān)管路。電機冷卻系統(tǒng)中的散熱器經(jīng)?？梢杂每照{(diào)中的冷凝器代替。電機工作時系統(tǒng)中水泵開始工作，利用管路中冷卻介質(zhì)循環(huán)流動來實現(xiàn)熱量傳遞。

動力電池冷卻結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要有水泵和傳熱性能更好的散熱翅片。當電池溫度達到最佳工作溫度范圍時，水泵開始運轉(zhuǎn)，冷卻液在水套中循環(huán)從電池組中吸收熱量經(jīng)過散熱翅片與空氣換熱，目的是通過冷卻液散掉熱量保證動力電池在合理溫度范圍內(nèi)工作。

混動動力電池熱管理的控制思路大致如下：

車輛啟動時，當外界環(huán)境小于10℃，設(shè)定只允許使用發(fā)動機，此時發(fā)動機單獨驅(qū)動并給動力電池進行預(yù)熱。因為外界環(huán)境低于電池的正常工作溫度，為了防止動力電池損壞，系統(tǒng)設(shè)定電池不工作。

第一種情況當外界環(huán)境溫度大于10℃、動力電池電量小于35%時發(fā)動機單獨驅(qū)動，此時動力電池溫度如果小于25℃則開啟發(fā)動機給電池預(yù)熱的冷卻液回路，動力電池溫度若大于25℃則開啟發(fā)動機冷卻系統(tǒng)。

當外界環(huán)境溫度大于10℃、電池SOC值在35%到55%之間時，動力電池處于電量維持模式，如果整車需求功率大于發(fā)動機輸出功率，電機運行提供一定功率，整車設(shè)定為發(fā)動機、電機聯(lián)合驅(qū)動。此時動力電池溫度如果小于25℃則開啟電池預(yù)熱回路，電池溫度大于25℃則開啟動力部件各自的冷卻系統(tǒng)。

當外界環(huán)境大于10℃、電池SOC值在大于55%時設(shè)置為電機單獨驅(qū)動，此時需要考慮發(fā)動機的工作環(huán)境溫度。當發(fā)動機溫度小于70℃則開啟預(yù)熱回路閥門，冷卻液流過小循環(huán)回路給發(fā)動機預(yù)熱，如果發(fā)動機溫度大于70℃則閥門關(guān)閉，系統(tǒng)自動運行電機、動力電池的冷卻系統(tǒng)。

五、小結(jié)

汽車的熱管理技術(shù)涉及方方面面，文中僅僅對新能源汽車熱管理控制思路進行介紹，除此之外散熱部件選型、參數(shù)計算、散熱流道設(shè)計等皆有較大說法。且為了汽車整體的成本及集成化考慮，其他很多高低壓部件也應(yīng)該考慮設(shè)計繼承在一起。

注：文章中引用數(shù)據(jù)和圖片來源網(wǎng)絡(luò)

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