电动汽车集成热管理研究进展

电动汽车集成热管理研究进展

张超 蒋挺

东风小康汽车有限公司 402246

摘要：电动汽车具有节能环保的优点，电池、乘员舱和电机驱动系统的热管理是提高其运行安全性和司乘人员舒适性的关键技术。针对电动汽车集成热管理系统构建过程中的关键问题，首先概述了电池、乘员舱和电机驱动系统的产热模型；其次系统地总结了现有的电池、乘员舱和电机驱动系统的热管理方法，重点分析了集成热管理系统的研究现状、运行控制和系统性能评价；最后总结了当前研究存在的不足并进行了研究展望，指出研究准确的产热计算模型，发展紧凑高效的集成热管理系统，在综合性能评价体系下优化集成热管理系统的运行控制是未来的主要研究方向。

关键词：电动汽车；热管理系统；集成；运行控制；整体优化

日益严峻的能源危机和环境污染是当今世界面临的两大难题。电动汽车与传统内燃机汽车相比具有能源利用效率高、污染物排放少等优点，能够有效缓解能源危机和环境问题。世界各国都在大力发展电动汽车，我国“十三五”规划中也明确指出：“实施新能源汽车推广计划，高电动车产业化水平。”温度是影响电池性能的关键因素，电池充放电过程中温度过高能造成电池腐蚀、分解甚至爆炸，温度过低则可能造成电池功率和容量衰减、充放电效率下降。电动汽车夏季制冷时压缩机由电机驱动，冬季难以利用内燃机余热供暖。电动汽车所有辅助系统中空调系统能耗最大，严重影响汽车的行驶里程。此外，电机驱动系统温度较高时，其寿命和效率会急剧下降。因此，研发高效的热管理系统，使电池、乘员舱、电机驱动系统处在适宜的温度范围内是推进电动汽车发展的必要措施。电动汽车集成热管理系统由电池热管理、乘员舱热管理和电机驱动系统热管理中的两个或三个子系统组成，各热管理子系统的性能相互影响，存在复杂的耦合关系。近年来，电池热管理、乘员舱热管理和电机驱动系统热管理都取得了较多的研究成果，然而现有的热管理研究往针对某单一系统展开，割裂了各子系统之间的耦合关系，忽视了对整车层面热管理系统性能的分析，因此亟需对电动汽车集成热管理系统进行统筹设计。本文从电动汽车集成热管理系统构建过程中的关键问题出发，首先阐述各热管理子系统的产热模型，其次介绍各子系统热管理的方法，重点分析集成热管理系统的研究现状、运行控制和性能评价，最后总结电动汽车集成热管理系统研究中亟需解决的问题并进行展望。

1热管理方法

电动汽车电池、乘员舱和电机驱动系统针对各自的热管理需求都已发展出相应的热管理方法，然而随着电动汽车性能参数的提高，对热管理系统的效果、动态响应特性和经济性等都出了更为严苛的要求，现有的研究在优化某一热管理系统性能的基础上，着眼于将不同热管理子系统进行耦合。

1。1电池热管理

电池热管理包括高温时对电池冷却和低温时对电池加热，按使用介质不同可分为空气、液体、相变材料和热管热管理系统。空气热管理系统以其结构简单、成本低及后期维护方便等优点，最早应用于电池热管理系统。然而随着电池组能量密度的增加和快充技术的发展，电池组在短时间内会产生大量热量，研究结果表明以空气为传热介质难以将电池的温度和温差控制在合理范围内。与空气相比，液体介质具有更高的热容量和传热系数，因此液体热管理系统更能达到动力电池的热管理需求。目前关于液体热管理系统的研究集中在流道几何结构优化设计、不同冷却介质强化换热、流速和流向控制等方面。制约液体热管理技术发展的主要因素在于该系统复杂，需要较多附属设备，增加整车质量且存在泄漏风险。相变材料指在特定温度下发生相变并吸收或释放能量的物质。相变材料以其成本低、冷却效果优异、储能能力巨大等优点，成为近年来电池热管理的热点。差、体积变化大，因此通过添加纳米材料、金属翅片、多孔介质等导热材料，与空气、液体等介质组成的复合热管理结构成为主要的研究方向。热管是基于气液相变原理制成的高效传热元件，具有热响应速度快、结构紧凑等优点，广泛应用于能源化工、航空航天、电子电力等领域。但热管仅仅是一种传热元件，在将电池中的热量导出后还需要与其他散热方式结合，因此关于热管冷却系统的研究主要集中在研发高效新型热管或将热管作为高效传热元件与空气、液体相变材料结合组成复合热管理系统。

1。2乘员舱热管理

电动汽车与传统内燃机汽车一样需要空调系统来保证司乘人员的舒适度和驾驶的安全性。目前，电动汽车空调系统普遍采用的是蒸汽压缩式单冷型空调与PTC（Positivetemperaturecoefficient）电加热器或燃油加热器结合的方式。这种空调方式与传统燃油车空调系统差异最小，最受汽车厂家青睐，然而PTC电加热器耗电量大，会严重缩短电动汽车行驶里程；燃油加热器系统复杂，且同样会产生环境污染问题。热泵型空调既可以夏季制冷又可以冬季制热，且制热的理论运行效率大于1，采用热泵型空调系统替代加热设备实现冬季取暖成为前研究的热点。但是热泵型空调系统也存在一些缺点，如冬季气温较低时热泵效率下降，存在结霜等问题。因此目前的研究主要集中在采用辅助加热器、余热回收等技术提高热泵系统在冬季的性能，设计新的热泵循环回路解决热泵除霜和挡风玻璃除雾问题。

近年来，随着人们环保意识不断增强，传统含氟氯烃类制冷剂已逐渐被淘汰，部分学者正在研究环保型制冷剂在汽车空调中的应用。此外，热电汽车空调系统、磁热汽车空调系统、储能汽车空调系统、吸附式汽车空调系统也都在研发阶段。

1。3电机驱动系统热管理

电机驱动系统热管理主要处理冷却问题，根据冷却介质不同分为风冷和液冷等。风冷的效果较差，在电机中会引起通风损耗，降低电机效率；采用液体冷却能迅速带走电机驱动系统的产热量，使其能够长时间在适宜的温度下工作。目前关于电机驱动系统热管理的研究主要集在冷却流道优化设计和冷却介质选择等方面。

总结：

当前研究多关注于提升某单一热管理系统的性能指标，而忽视了工艺、成本、质量、强度、密封性等多方面因素的影响，缺少标准化和通用化的综合评价体系。进一步的研究应充分考虑集成热管理系统中不同因素之间的制约关系，制定标准化的测试方法，提出相应的综合评价指标，推动电动汽车集成热管理系统的发展。

参考文献：

[1]闵海涛,王晓丹,曾小华,等.电动汽车空调系统参数匹配与计算研究。汽车技术,2019（6）：19）

[2]叶立,赵天玮,陈宇,等.某电动汽车整车热负荷仿真模型的建立及分析。新型工业化,2019,9（5）：70）