受制于動力電池的能量密度與材料性質(zhì)，純電動汽車的續(xù)航里程成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵問題，而整車熱管理系統(tǒng)的需求與能耗逐步引起了行業(yè)的廣泛關(guān)注。本期，我們就一起來探討下電動汽車熱管理技術(shù)發(fā)展。
乘員艙是汽車行駛過程駕駛?cè)藛T所處的環(huán)境空間，為保證駕駛?cè)藛T舒適的駕駛環(huán)境，乘員艙熱管理需要控制車室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、送風(fēng)溫度等。乘員艙在不同情況下的熱管理需求如表1所示。
動力電池溫控是保障電動汽車高效安全運行的重要前提，由于能量密度高、輕量化，鋰電池成為電動汽車應(yīng)用最廣泛的動力電池。動力電池溫控在熱管理系統(tǒng)中的重要性也更加突出，不僅需要滿足不同路況、不同充放電模式等車輛使用工況下的溫控負荷變化，電池組間溫度場均勻性與熱失控防控，還需要滿足嚴寒、高熱高濕地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)等不同環(huán)境工況下的所有溫控需求。隨著電動汽車的普及以及應(yīng)用場景的增多，汽車動力需求不斷提升，電動汽車電機需要更高的功率、扭矩以及轉(zhuǎn)速，同時也意味著更高的發(fā)熱量，因此電機系統(tǒng)的熱管理需求逐漸提高。整車熱管理是電動汽車發(fā)展的核心技術(shù)之一，涉及乘員艙溫濕環(huán)境調(diào)控、動力系統(tǒng)溫控、玻璃防霧除霧等多目標管理。根據(jù)熱管理系統(tǒng)架構(gòu)與集成化程度，將電動汽車熱管理的發(fā)展歸納為三個階段，如圖1所示。從單冷配合電加熱到熱泵配合電輔熱再到寬溫區(qū)熱泵與整車熱管理逐步耦合，電動汽車整車熱管理技術(shù)逐漸朝著高度集成化、智能化的方向發(fā)展，并且在寬溫區(qū)、極端條件下的環(huán)境適應(yīng)性能力逐漸提升。在電動汽車產(chǎn)業(yè)化起步階段，基本是以電池、電機等動力系統(tǒng)的替代為核心技術(shù)發(fā)展起來的，車室空調(diào)、車窗除霧、動力部件溫控等輔助系統(tǒng)是在傳統(tǒng)燃油汽車熱管理技術(shù)基礎(chǔ)上逐步改進而來的。純電動汽車空調(diào)與燃油汽車空調(diào)都是通過蒸氣壓縮循環(huán)來實現(xiàn)制冷功能，兩者的區(qū)別是燃油汽車空調(diào)壓縮機由發(fā)動機通過皮帶間接驅(qū)動，而純電動車則直接使用電驅(qū)動壓縮機來驅(qū)動制冷循環(huán)。燃油汽車冬季制熱時直接利用發(fā)動機余熱對乘員艙進行供熱，不需要額外的熱源，而純電動車的電機余熱無法滿足冬季制熱的需求，因此冬季制熱是純電動汽車需要解決的問題。
正溫度系數(shù)加熱器(positive temperature coefficient，PTC)由PTC陶瓷發(fā)熱元件與鋁管組成,具有熱阻小、傳熱效率高的優(yōu)點，并且在燃油汽車的車身基礎(chǔ)上改動較小，因此早期的電動汽車采用蒸氣壓縮制冷循環(huán)制冷加PTC制熱的方式來實現(xiàn)乘員艙的熱管理，例如圖2所示的早期三菱公司的i-MIEV電動汽車。與燃油汽車由燃料提供能量不同，電動汽車由動力電池提供能量。電動汽車正常運行時，動力電池放電產(chǎn)熱，溫度升高，需要對電池進行降溫。電池冷卻的方法主要有空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻、熱管冷卻，由于空氣冷卻結(jié)構(gòu)簡單、成本低、便于維護，在早期的電動車上得到廣泛應(yīng)用。這一階段的熱管理主要形式是各個獨立的子系統(tǒng)分別滿足熱管理的需求。
2.2第二階段 熱泵技術(shù)應(yīng)用 在實際使用過程中電動汽車冬季供熱能耗需求較高，從熱力學(xué)角度來說PTC制熱的COP始終小于1，使得PTC供熱耗電量較高，能源利用率低，嚴重制約了電動汽車的行駛里程。而熱泵技術(shù)利用蒸氣壓縮循環(huán)將環(huán)境中的低品位熱量進行利用，制熱時的理論COP大于1，因此使用熱泵系統(tǒng)代替PTC可以增加電動汽車制熱工況下的續(xù)航里程。圖3所示為寶馬i3車型采用熱泵系統(tǒng)來實現(xiàn)冬季制熱。此外，一汽奔騰與紅旗、上汽榮威等也在部分車型上采用了熱泵系統(tǒng)。然而在低溫環(huán)境下，傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)制熱量衰減嚴重，無法滿足電動汽車低溫環(huán)境制熱需求，需要額外的加熱器輔助加熱，因此熱泵加PTC輔熱的制熱方式成為電動汽車冬季低溫環(huán)境下乘員艙制熱的主要方式。隨著動力電池容量與功率的進一步提升，動力電池運行過程的熱負荷也逐漸增大，傳統(tǒng)的空冷結(jié)構(gòu)無法滿足動力電池的溫控需求，因此液冷成為當前電池溫控的主要方式。并且，由于人體所需的舒適溫度和動力電池正常工作所處的溫度相近，可以通過在乘員艙熱泵系統(tǒng)中并聯(lián)換熱器的方式來分別滿足乘員艙與動力電池制冷的需求。通過換熱器以及二次冷卻間接帶走動力電池的熱量，電動汽車整車熱管理系統(tǒng)集成化程度有所提高。雖然集成化程度有所提升，但這一階段的熱管理系統(tǒng)只對電池制冷與乘員艙制冷進行了簡單整合，電池、電機余熱未得到有效利用。
2.3第三階段 寬溫區(qū)熱泵及整車熱管理集成一體化技術(shù)發(fā)展 傳統(tǒng)熱泵空調(diào)在高寒環(huán)境下制熱效率低、制熱量不足，制約了電動汽車的應(yīng)用場景。因此，一系列提升熱泵空調(diào)低溫工況下性能的方法得以開發(fā)應(yīng)用。通過合理增加二次換熱回路，在對動力電池與電機系統(tǒng)進行冷卻的同時，對其余熱進行回收利用，以提高電動汽車在低溫工況下的制熱量。實驗結(jié)果表明，余熱回收式熱泵空調(diào)與傳統(tǒng)熱泵空調(diào)相比，制熱量顯著提升。各熱管理子系統(tǒng)耦合程度更深的余熱回收式熱泵以及集成化程度更高的整車熱管理系統(tǒng)在特斯拉Model Y、大眾ID4.CROZZ等車型上已得以應(yīng)用(圖4)。但當環(huán)境溫度更低，且余熱回收量更少時，僅通過余熱回收依然無法滿足低溫環(huán)境下的制熱量需求，仍需使用PTC加熱器來彌補上述情況下制熱量的不足。但隨著電車整車熱管理集成程度的逐漸提升，可以通過合理的增大電機發(fā)熱量的方式來增加余熱的回收量，從而提高熱泵系統(tǒng)的制熱量與COP，避免了PTC加熱器的使用，在進一步降低熱管理系統(tǒng)空間占用率的同時滿足電動汽車在低溫環(huán)境下的制熱需求。除電池、電機系統(tǒng)余熱回收利用外，回風(fēng)利用也是降低低溫工況下熱管理系統(tǒng)能耗的方式。研究結(jié)果表明，低溫環(huán)境下，合理的回風(fēng)利用措施能夠在避免車窗起霧、結(jié)霜的同時使電動汽車所需制熱量下降46%～62%，最大能夠降低約40%的制熱能耗。日本電裝也開發(fā)了相應(yīng)的雙層回風(fēng)/新風(fēng)結(jié)構(gòu)，能夠在防起霧的同時降低30%由通風(fēng)引起的熱損失。這一階段電動汽車熱管理在極端條件下的環(huán)境適應(yīng)能力逐漸提升，并朝著集成化、綠色化的方向發(fā)展。
為進一步提高電池高功率情況下的熱管理效率，降低熱管理復(fù)雜程度，將制冷劑直接送入電池組內(nèi)部進行換熱的直冷直熱式電池溫控方式也是目前的一個技術(shù)方案，一種電池包與制冷劑直接換熱的熱管理構(gòu)型如圖5所示。直冷技術(shù)能夠提高換熱效率與換熱量，使電池內(nèi)部獲得更均勻的溫度分布，減少二次回路的同時增大系統(tǒng)余熱回收量，進而提高電池溫控性能。但由于電池與制冷劑直接換熱技術(shù)需要通過熱泵系統(tǒng)的工作提高冷熱量，一方面電池溫控受限于熱泵空調(diào)系統(tǒng)的啟停，并對制冷劑環(huán)路的性能有一定影響，另一方面也限制了過渡季節(jié)的自然冷源利用，因此該技術(shù)仍需通進一步的研究改進與應(yīng)用評估。
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