一、前言

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

汽車(chē)熱管理是從整車(chē)角度統(tǒng)籌車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)、電池、電機(jī)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(chē)熱相關(guān)問(wèn)題，使得各功能模塊處于最佳溫度工況區(qū)間，提高整車(chē)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，保證車(chē)輛安全行駛。

新能源汽車(chē)熱管理系統(tǒng)是從傳統(tǒng)燃油車(chē)熱管理系統(tǒng)衍生過(guò)來(lái)的，既有傳統(tǒng)燃油車(chē)熱管理系統(tǒng)的共同部分如發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等，又多了電池電機(jī)電控等新增部分的冷卻系統(tǒng)。其中以三電取代發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱，是較傳統(tǒng)燃油車(chē)在熱管理系統(tǒng)上的主要變化，另外還可能存在以電動(dòng)壓縮機(jī)替代普通壓縮機(jī)，同時(shí)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(chē)的熱管理系統(tǒng)中，大致通過(guò)電子水泵、電磁閥門(mén)、壓縮機(jī)、PTC加熱器、電子風(fēng)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(jī)械裝置。它將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，來(lái)輸送液體。運(yùn)行原理為根據(jù)動(dòng)力或其他部件當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行判斷，使通過(guò)控制通過(guò)水泵流量來(lái)控制流速，根據(jù)不同的流速可以帶走熱量來(lái)保持溫度穩(wěn)定。

電磁閥門(mén)：即電子控制的閥門(mén)，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(shí)為了使流量在適合的范圍內(nèi)，在制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器之前，需要通過(guò)控制閥門(mén)開(kāi)斷對(duì)其進(jìn)行節(jié)流。

壓縮機(jī)：將低壓低溫的制冷劑氣體，通過(guò)推動(dòng)和壓縮制冷劑氣體，對(duì)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(jī)排出后，呈高溫高壓狀態(tài)，此時(shí)需要對(duì)其降溫，并完成制冷劑從氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的過(guò)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(guò)程。制冷劑經(jīng)過(guò)節(jié)流裝置節(jié)流后，處于汽液共存的狀態(tài)，也稱(chēng)為濕蒸汽。在濕蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器后，便開(kāi)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^(guò)熱蒸汽。

電子扇熱風(fēng)扇：唯一能夠主動(dòng)送風(fēng)提高散熱器換熱性能的部件。目前車(chē)輛上采用的大多為軸流式冷卻風(fēng)扇，具有高效能、體積小易布置等優(yōu)點(diǎn)，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(dāng)PTC電加熱器通電后，初始電阻較低，此時(shí)加熱功率較大，之后PTC加熱器溫度升高超過(guò)居里溫度后，PTC的阻值急劇增大產(chǎn)生熱量，并通過(guò)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(dòng)力汽車(chē)或者燃料電池系統(tǒng)汽車(chē)，可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)或者燃料電池系統(tǒng)自身做工過(guò)程中生產(chǎn)的熱來(lái)滿(mǎn)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(lái)輔助加熱，使系統(tǒng)可以快速熱機(jī)；若是純動(dòng)力電池汽車(chē)可能需要PTC加熱器來(lái)滿(mǎn)足熱量需求。

制冷系統(tǒng)：若是散熱系統(tǒng)，則需要通過(guò)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)部件中散熱液體進(jìn)行流動(dòng)，帶走局部的熱量，并通過(guò)扇熱風(fēng)扇來(lái)進(jìn)行輔助快速散熱。

空調(diào)制冷系統(tǒng)：從原理上講，是通過(guò)制冷劑（常見(jiàn)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(guò)利用其蒸發(fā)和冷凝伴隨的熱量的吸收和釋放來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移的效果。看似簡(jiǎn)單的熱搬運(yùn)過(guò)程，其中卻包含了制冷劑復(fù)雜的相變過(guò)程，為了實(shí)現(xiàn)制冷劑狀態(tài)的變化并使其周而復(fù)始地搬運(yùn)熱量。其中空調(diào)系統(tǒng)都主要由四大件組成：壓縮機(jī)，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(jiǎn)圖如下圖所示，制冷劑從壓縮機(jī)出來(lái)以此經(jīng)過(guò)冷凝器，膨脹閥，蒸發(fā)器，再回到壓縮機(jī)，完成一個(gè)制冷循環(huán)。

三、純電動(dòng)汽車(chē)的熱管理技術(shù)

純電動(dòng)汽車(chē)的熱管理系統(tǒng)，除去滿(mǎn)足保證駕駛?cè)藛T舒適的駕駛環(huán)境，控制車(chē)室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、送風(fēng)溫度等，主要是對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行溫控，對(duì)動(dòng)力電池的控溫是保障電動(dòng)汽車(chē)高效安全運(yùn)行的重要前提。

用于動(dòng)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(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響鋰離子電池的使用性能，但不同溫度對(duì)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及離子化學(xué)反應(yīng)等所造成的影響是不同的。

低溫時(shí)，充放電過(guò)程中電解液的離子電導(dǎo)率較低、正極/電解液界面和負(fù)極/電解液界面的阻抗較高，從而影響正極與負(fù)極表面的電荷傳遞阻抗及鋰離子在負(fù)極中的擴(kuò)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(biāo)。低溫下，電池的電解液中部分溶劑會(huì)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(xué)反應(yīng)阻抗會(huì)不斷增加，同時(shí)其離子的離解常數(shù)也不斷減低，這些因素都會(huì)嚴(yán)重影響離子在電解質(zhì)中的移動(dòng)速率，降低電化學(xué)反應(yīng)速率；并且低溫下電池在充電過(guò)程中由于鋰離子遷移困難會(huì)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(huì)導(dǎo)致電解液溶劑凝固，也不會(huì)降低電解質(zhì)鹽離子的擴(kuò)散速率；相反，高溫而會(huì)提高材料的電化學(xué)反應(yīng)活性，提高離子擴(kuò)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(guò)高時(shí)會(huì)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(yán)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(dāng)這些反應(yīng)速率加快時(shí)，電池內(nèi)部可用于進(jìn)行可逆電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)會(huì)迅速減少，使電池性能在短時(shí)間內(nèi)衰退。并且當(dāng)電池溫度持續(xù)上升超過(guò)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(shí)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(shí)散出，短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)熱量的迅速堆積，這極有可能導(dǎo)致電池?zé)崾У难杆俾?，使電池包冒煙、自燃甚至爆炸等安全事故的發(fā)生。

純電動(dòng)汽車(chē)熱管理控制策略為：動(dòng)力電池冷啟動(dòng)過(guò)程為：電動(dòng)車(chē)輛起動(dòng)前，BMS對(duì)電池模塊的溫度進(jìn)行檢查，并將溫度傳感器的平均溫度值與目標(biāo)溫度進(jìn)行對(duì)比，若當(dāng)前電池模塊的平均溫度高于目標(biāo)溫度，則電動(dòng)車(chē)輛可以正常起動(dòng)；若傳感器的平均溫度值低于目標(biāo)溫度則需打開(kāi)PTC加熱器開(kāi)啟預(yù)加熱系統(tǒng)。在加熱過(guò)程中，BMS時(shí)刻監(jiān)測(cè)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(dāng)溫度傳感器平均溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，預(yù)加熱系統(tǒng)停止工作。

啟動(dòng)成功進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)不同的需求來(lái)進(jìn)行判斷當(dāng)前模式，大致有三種工作模式，1.空調(diào)需求模式；2.動(dòng)力電池需求模式；3.動(dòng)力電池 空調(diào)都需求模式。

當(dāng)需求模式1時(shí)，判斷蒸發(fā)箱溫度是否大于6℃，若滿(mǎn)足需求，則壓縮機(jī)以相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)行，通過(guò)空調(diào)制冷回路進(jìn)行制冷。

當(dāng)需求模式2時(shí)，檢測(cè)動(dòng)力電池出入水口的溫度，壓縮機(jī)先固定轉(zhuǎn)速進(jìn)行預(yù)熱20秒，隨后將制冷器閥門(mén)打開(kāi)，將空調(diào)制冷閥門(mén)關(guān)閉，再根據(jù)溫度需求運(yùn)轉(zhuǎn)壓縮機(jī)來(lái)滿(mǎn)足模式需求。

當(dāng)需求模式3時(shí)，判斷蒸發(fā)箱的溫度時(shí)候大于6℃、膨脹水箱壓力是否在適當(dāng)范圍內(nèi)，并驅(qū)動(dòng)電子水泵進(jìn)行工作，檢測(cè)動(dòng)力電池出入水口溫度，壓縮機(jī)先固定轉(zhuǎn)速進(jìn)行預(yù)熱20秒，隨后打開(kāi)將冷卻器閥門(mén)打開(kāi)，并將空調(diào)制冷閥門(mén)打開(kāi)，根據(jù)溫度需求運(yùn)轉(zhuǎn)壓縮機(jī)滿(mǎn)足模式需求；若壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)至最大負(fù)荷，仍無(wú)法將動(dòng)力電池出入水口溫度降至設(shè)定溫度，則提升電子水泵運(yùn)轉(zhuǎn)速度，仍然無(wú)法滿(mǎn)足動(dòng)力電池需求，則關(guān)閉空調(diào)制冷閥門(mén)，檢測(cè)動(dòng)力電池出入口溫度，仍無(wú)法控制溫度，為防止動(dòng)力電池?fù)p壞甚至熱失控自燃，則對(duì)動(dòng)力電池輸出功率進(jìn)行限制并發(fā)出警報(bào)，必要時(shí)階梯式降低動(dòng)力電池輸出功率發(fā)出嚴(yán)重警告，提醒駕駛者靠邊停車(chē)并進(jìn)行最大功率降溫處理。

四、混動(dòng)汽車(chē)熱管理

相對(duì)于傳統(tǒng)汽車(chē)熱管理，混動(dòng)車(chē)熱管理結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。其中不僅要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻性能，還加入了電機(jī)、電池的冷卻要求，同時(shí)還要考慮乘員艙的換熱和空調(diào)控制。

由于存在發(fā)動(dòng)機(jī)這個(gè)熱力源，很大程度上可以不需要使用PTC部件來(lái)對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行加熱，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)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(mǎn)足動(dòng)力電池的初始加熱及駕駛艙熱需求。

在運(yùn)行過(guò)程中，若滿(mǎn)足熱需求同時(shí)冷卻不足，則會(huì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部機(jī)件溫度升高、機(jī)械強(qiáng)度降低，高溫會(huì)加劇零件的磨損并使?jié)櫥彤a(chǎn)生變質(zhì)和結(jié)焦；還會(huì)影響缸內(nèi)燃燒過(guò)程，降低內(nèi)燃機(jī)功率。若冷卻過(guò)度，氣缸壁溫度降低，高溫混合氣與之接觸時(shí)會(huì)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(huì)被冷卻液帶走。

同時(shí)要保證電機(jī)的高效率運(yùn)行，也離不開(kāi)冷卻系統(tǒng)的作用，高溫會(huì)影響電機(jī)內(nèi)零件的正常運(yùn)行，引發(fā)故障，增加耗電量：降低電機(jī)溫度主要依靠水泵和風(fēng)扇的運(yùn)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(dòng)機(jī)和電機(jī)冷卻系統(tǒng)的主要作用都是帶走多余的熱量，使冷卻對(duì)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(biāo)。目前對(duì)出口水溫的溫度控制具有時(shí)滯長(zhǎng)、非線性、多變量耦合等難點(diǎn)。當(dāng)使用目標(biāo)溫度和實(shí)際溫度之間的溫差進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)時(shí)，需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)來(lái)降低實(shí)際值和目標(biāo)值之間的差距，控制過(guò)程效率低、能耗大。

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)包括散熱風(fēng)扇，散熱器，水泵，節(jié)溫器和相關(guān)管路。發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)的冷卻液來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞再加上風(fēng)扇散熱。冷卻系統(tǒng)中小循環(huán)管路的作用是幫助發(fā)動(dòng)機(jī)自身預(yù)熱，使發(fā)動(dòng)機(jī)盡快工作在最佳溫度范圍。如下圖所示，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)冷卻液溫度低于80℃時(shí)，冷卻液走小循環(huán)回路，即圖中右側(cè)回路。當(dāng)冷卻液溫度高于 90℃，節(jié)溫器向左側(cè)打開(kāi)，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(jī)冷卻系統(tǒng)如下圖所示，包括散熱風(fēng)扇、散熱器、水泵及相關(guān)管路。電機(jī)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(jī)工作時(shí)系統(tǒng)中水泵開(kāi)始工作，利用管路中冷卻介質(zhì)循環(huán)流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量傳遞。

動(dòng)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(dāng)電池溫度達(dá)到最佳工作溫度范圍時(shí)，水泵開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，冷卻液在水套中循環(huán)從電池組中吸收熱量經(jīng)過(guò)散熱翅片與空氣換熱，目的是通過(guò)冷卻液散掉熱量保證動(dòng)力電池在合理溫度范圍內(nèi)工作。

混動(dòng)動(dòng)力電池?zé)峁芾淼目刂扑悸反笾氯缦拢?/p>

車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)外界環(huán)境小于10℃，設(shè)定只允許使用發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)并給動(dòng)力電池進(jìn)行預(yù)熱。因?yàn)橥饨绛h(huán)境低于電池的正常工作溫度，為了防止動(dòng)力電池?fù)p壞，系統(tǒng)設(shè)定電池不工作。

第一種情況當(dāng)外界環(huán)境溫度大于10℃、動(dòng)力電池電量小于35%時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，此時(shí)動(dòng)力電池溫度如果小于25℃則開(kāi)啟發(fā)動(dòng)機(jī)給電池預(yù)熱的冷卻液回路，動(dòng)力電池溫度若大于25℃則開(kāi)啟發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)。

當(dāng)外界環(huán)境溫度大于10℃、電池SOC值在35%到55%之間時(shí)，動(dòng)力電池處于電量維持模式，如果整車(chē)需求功率大于發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，電機(jī)運(yùn)行提供一定功率，整車(chē)設(shè)定為發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。此時(shí)動(dòng)力電池溫度如果小于25℃則開(kāi)啟電池預(yù)熱回路，電池溫度大于25℃則開(kāi)啟動(dòng)力部件各自的冷卻系統(tǒng)。

當(dāng)外界環(huán)境大于10℃、電池SOC值在大于55%時(shí)設(shè)置為電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，此時(shí)需要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境溫度。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度小于70℃則開(kāi)啟預(yù)熱回路閥門(mén)，冷卻液流過(guò)小循環(huán)回路給發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱，如果發(fā)動(dòng)機(jī)溫度大于70℃則閥門(mén)關(guān)閉，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行電機(jī)、動(dòng)力電池的冷卻系統(tǒng)。

五、小結(jié)

汽車(chē)的熱管理技術(shù)涉及方方面面，文中僅僅對(duì)新能源汽車(chē)熱管理控制思路進(jìn)行介紹，除此之外散熱部件選型、參數(shù)計(jì)算、散熱流道設(shè)計(jì)等皆有較大說(shuō)法。且為了汽車(chē)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(jì)繼承在一起。

注：文章中引用數(shù)據(jù)和圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)

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