汽車的熱管理系統(tǒng)是調(diào)節(jié)汽車座艙環(huán)境、汽車零部件工作環(huán)境的重要系統(tǒng)，其通過制冷、制熱和熱量內(nèi)部傳導(dǎo)綜合提升能源利用效率。簡單的說，就好像是人們發(fā)燒了需要使用退燒貼；而當寒冷難耐時，需要使用暖寶寶類似的道理。而純電動汽車復(fù)雜的結(jié)構(gòu)無法通過人為操作來進行干預(yù)，因此其自身的“免疫系統(tǒng)”將起到至關(guān)重要的作用。 純電動汽車的熱管理系統(tǒng)相比普通燃油車型則更加復(fù)雜，這是由于純電動汽車擁有電池、控制器以及電動機等更多需要進行熱控制的部件。純電動汽車的熱管理系統(tǒng)不僅包括了空調(diào)系統(tǒng)，而是根據(jù)熱管理需求分別增加了電池包環(huán)境、功率電子器件以及電機散熱等不同的部分。
電動汽車的自燃事故相信已經(jīng)是深入人心了，而自燃事故之所以會發(fā)生，原因不僅在于漏電或者短路這種電路上的問題，車上控制器的熱管理策略和熱管理回路設(shè)計都直接影響電動汽車的安全性。 當然，電動汽車自燃畢竟是少數(shù)事件，只不過透過這種事件可以讓每家車企和供應(yīng)商的汽車事業(yè)部更加重視熱管理這個技術(shù)部門，畢竟大多數(shù)公司的動力總成部門還是以電池電機電驅(qū)為主力，熱管理為輔。 自燃的部分原因是過度發(fā)熱沒有得到及時的冷卻，那同時也還有一些其它場景的需求，是環(huán)境太冷而得不到及時的加熱，比如電池低溫預(yù)熱和座艙加熱，下文將分為加熱和冷卻兩個需求來分別聊聊電動汽車的熱管理需求。 1.1 加熱需求 冬天，駕駛員和乘客在車內(nèi)需要溫暖，這就牽扯到了熱管理系統(tǒng)的加熱需求。 根據(jù)用戶在不同地理位置，對加熱需求也不盡相同。比如在深圳的車主可能一年都不需要開座艙加熱，而北方的車主冬天為了維持座艙內(nèi)的溫度則消耗了大量的電池電量。 這些不同的需求也就導(dǎo)致了熱管理系統(tǒng)設(shè)計初期不同的定義，其背后的原因就在于不同市場的不同需求將帶來不同的熱管理選型，一個簡單的例子就是：同一個車企供應(yīng)北歐的電動車可能用的是額定功率5kW的電加熱器，而供應(yīng)赤道地區(qū)國家的可能就只有2～3kW甚至沒有加熱器。 除了緯度以外海拔也有一定影響，但目前還沒有專門針對海拔做區(qū)分的設(shè)計，因為保不準車主會開著車從盆地開到高原。 另一個最大的影響因素就是車里的人了，因為不管是電動車還是燃油車，里面的人的需求還是一樣的，所以設(shè)計的溫度需求范圍幾乎是照搬的，一般在16攝氏度到30攝氏度之間，也就是說座艙里制冷不冷過16攝氏度，制熱不熱過30攝氏度，覆蓋了正常的人體對環(huán)境溫度的需求。 加熱需求之二：高壓電池 現(xiàn)在大家聽說最多的是鋰離子電池，在自己的手機和筆記本電腦上都已經(jīng)用了很久了，從來都是看著它們“為發(fā)燒而生”的，沒聽說它們竟然還需要加熱的。 這個主要是因為手機不會單獨放在室外零下的環(huán)境里凍著，至少都有人的手或者口袋給捂著，可能也有用戶體驗過的是低溫在戶外開不了機或者刷一會兒手機耗電量極大。 這就是鋰離子電池嬌貴的地方。硫酸鐵鋰電池低溫充電受限制，比如宏光Mini電動車就為它的磷酸鐵鋰電池配上了低溫充電加熱功能。三元鋰電池雖然低溫比磷酸鐵鋰強一丟丟，但是溫度低到-7℃以下也限制了充電功率。所以鋰離子電池的加熱一般都是為了保障在冬季低溫環(huán)境中仍然能夠?qū)λ潆姟?/span> 鋰離子電池喜歡在15到35度之間充放電，低了或者高了都會限制充放電的電流，而且還影響它的SOH（State of Health）健康狀況。 環(huán)境平均溫度以上海為例一年十二個月里可以從0度到35度，電池只能期盼著熱管理系統(tǒng)能像對待車里的乘客一樣照顧好它，不然就撂蹶子。 然而電池在純電動車上是個龐然大物，體積大重量大，要想從低溫環(huán)境中加熱到適宜的溫度完成暖機，既要考慮電池能夠承受的升溫速度，又要考慮熱管理系統(tǒng)能夠穩(wěn)定輸出的加熱功率，還要照顧用戶等待暖機的耐心，這些都對熱管理系統(tǒng)提出很高的要求。 Agwu, Daberechi et al. (2018). Review Of Comparative Battery Energy Storage Systems (Bess) For Energy Storage Applications In Tropical Environments.
加熱這一塊，電池和座艙的需求會對應(yīng)到熱管理系統(tǒng)的設(shè)計上，比如電池內(nèi)的換熱回路設(shè)計，電池和外部加熱回路的換熱設(shè)計，座艙換熱器和加熱回路的設(shè)計，電池預(yù)熱策略和座艙相應(yīng)用戶溫度調(diào)節(jié)的控制策略等等。 1.2 冷卻需求
電池自身由于內(nèi)阻和放電均衡回路的存在，在充放電過程中流過的電流都將導(dǎo)致電池發(fā)熱，文初提到的自燃事件就有這一部分的影子。 連續(xù)開車的時間越長，加減速的次數(shù)越多，加減速強度越大，都是促進電池的升溫。 充電過程中的電流也在提高發(fā)熱，尤其是直流充電的時候，以北汽新能源和比亞迪為例，直流充電時穩(wěn)定功率能達到60kW，要知道的是許多大功率電機的額定功率也不過60kW，充電和放電都是發(fā)熱，充電半小時幾乎相當于連續(xù)半小時以額定功率在駕駛。 這對電池的挑戰(zhàn)可想而知，許多耳熟能詳?shù)淖匀际录蠖喽际窃谲噹斐潆姇r候造成的。而且按照下一步計劃，充電功率還將繼續(xù)提高，保時捷Taycan已經(jīng)在挑戰(zhàn)350kW快充，這樣的技術(shù)如果沒有熱管理的保駕護航，光是電力電子方面技術(shù)提高是做不到的。 電池的升溫也根據(jù)不同的車和不同的電池有所不同，比如說有的微型車或小型車本身充放電功率不大，電池的持續(xù)升溫也不會過大，此時使用一些風(fēng)冷的方式或者較小的水冷散熱回路即可；而一些SUV和豪車的電動款則需要以較強的電池冷卻能力來滿足大功率充電和大功率驅(qū)動的需求。 考慮到電池工作中的發(fā)熱，與上文的加熱需求相比，冷卻需求更能考驗汽車電池熱管理系統(tǒng)的技術(shù)人員，因為電池在預(yù)熱以后自身的發(fā)熱也可以提供部分熱量，而且電池加熱需求因南北方可能有區(qū)別而加熱需求南北方比較接近，因為即使環(huán)境再冷，而電池中有局部積蓄的熱量沒有被及時散去的話也會影響電池的安全性。 三電除了電池還有的就是電機和電控了，其實車上還有的車載充電機OBC（OnBoard Charger)、高壓轉(zhuǎn)低壓DC/DC和高壓配電箱也有散熱需求。 在許多車型里，因為這些功率器件中的功率電子組成都比較相同，只是互相的功率大小不同且內(nèi)部設(shè)計不同，比如電控、車載充電機和DC/DC都會用到IGBT絕緣柵雙極型晶體管，它的發(fā)熱功率與開關(guān)速度相關(guān)，而它的開關(guān)速度也直接影響到這些功率電子的輸出功率。 車載充電機用于交流220V轉(zhuǎn)車內(nèi)電壓給車充電，目前國內(nèi)除了比亞迪其它幾家都以6.6kW單相AC充電為主，而充電機效率一般在93%～95%之間，以95%計算的話大部分的車在交流充電過程中車載充電機也會有330W的發(fā)熱量。 DC/DC根據(jù)低壓執(zhí)行器組成的不同，一般在2～3kW之間，效率也在95%，那么從開機供應(yīng)低壓零部件起，DC/DC的穩(wěn)定發(fā)熱也接近150W。 這些熱量如果累積在OBC和DC/DC中的話勢必導(dǎo)致零部件溫升，而這些零部件供應(yīng)商為保護元件都會在溫度超過一定閾值時限制功率輸出同時給整車控制器發(fā)出過熱警告。 電機和電控更是如此，大家熟知電機的效率圖，基于不同的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速，電機和電控將承受相應(yīng)的熱量損失，而且總的熱量能達到千瓦級別，這些熱量都期待由熱管理系統(tǒng)帶出元件本體。
Badin, Francois et al. (2015). Energy efficiency evaluation of a Plug-in Hybrid Vehicle under European procedure, Worldwide harmonized procedure and actual use. 這個和上文提到的座艙加熱本質(zhì)差不多。以國內(nèi)為例，從南到北夏天都有開空調(diào)的時候，南方對空調(diào)依賴略高一些。因此車內(nèi)空調(diào)的設(shè)計并無地域差異，太多的差異如果只能造成單輛車元件清單BOM成本低但不能在產(chǎn)量上使得總的生產(chǎn)成本低，那就沒有差異化的意義了。 有一個比較新的冷卻需求是來自于上文提到的350kW直流充電，由于直流充電站直接與電池相連，不僅電池承受著大功率，中間的充電線纜同樣流過大電流，那產(chǎn)生的熱量也是不容小覷。 最新的技術(shù)有的是從直流充電站端對充電線纜進行水冷，冷卻回路在直流充電樁內(nèi)循環(huán)；也有的提出利用車內(nèi)冷卻循環(huán)與線纜外圈相通實現(xiàn)水冷。無論哪種方法本質(zhì)都是在助力大功率充電的實現(xiàn)，但目前看來復(fù)雜程度和背后的成本都比較大。可見未來要真正推行大功率充電仍有許多未能量產(chǎn)的技術(shù)需要落地。
www.ittcannon.com (HPC: High Power Charging) 加熱和冷卻的需求催生了熱管理系統(tǒng)的整個產(chǎn)業(yè)，而這些需求又來源于對電動汽車安全性、舒適性、零部件壽命、充電功率等多個方面。在滿足需求的同時熱管理系統(tǒng)又消耗了大量的電池電量。 許多時候客戶對熱管理系統(tǒng)的期待都是間接的，既想要座艙內(nèi)的舒適溫度，又想要保護車內(nèi)動力部件的安全，最重要的是還非常在意續(xù)航里程。這其實就奠定了當下熱管理系統(tǒng)研發(fā)的主旋律：以盡可能小的能量間接地滿足客戶對整車系統(tǒng)各方面的直接需求。 純電動汽車的熱管理系統(tǒng)通過最大限度地利用電池能量輔助進行駕駛，通過小心地將車輛中的熱能重新用于車輛內(nèi)部的空調(diào)、電池，熱管理可以節(jié)省電池能量以延長車輛的行駛里程，其優(yōu)勢在極端的冷熱溫度下尤其顯著。而純電動汽車的熱管理系統(tǒng)根據(jù)不同車型主要包括了高壓電池管理系統(tǒng)（BMS）、電池冷卻板、電池冷卻器、高電壓PTC電加熱器以及熱泵系統(tǒng)等主要部件。 而純電動汽車的熱管理系統(tǒng)解決方案涵蓋了整個系統(tǒng)范圍，從控制策略到智能組件，通過在運行過程中靈活分配動力總成組件產(chǎn)生的熱量來管理兩個極端溫度。通過允許所有組件在最佳溫度下運行，純電動汽車熱管理系統(tǒng)決方案縮短了充電時間并延長了電池壽命。 高壓電池管理系統(tǒng)（BMS）相比于傳統(tǒng)燃油汽車的電池管理系統(tǒng)更加復(fù)雜，該系統(tǒng)作為核心組件集成到了純電動汽車的電池組當中。根據(jù)收集到的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)可將熱能從電池冷卻回路傳遞到車輛的制冷回路，以保持最佳的電池溫度。該系統(tǒng)具有模塊化的結(jié)構(gòu)，其主要包括了電池管理控制器（BMC）、電池監(jiān)控電路（CSC） 以及高壓傳感器等設(shè)備。 電池冷卻板則可用于純電動汽車電池組的直接冷卻，其可分為直接冷卻（制冷劑冷卻）和間接冷卻（水冷冷卻）。其可以根據(jù)電池進行設(shè)計匹配，以達到電池工作高效和壽命延長。而雙回路電池冷卻器內(nèi)腔為雙介質(zhì)制冷劑和冷卻液，其適用于純電動汽車電池組的冷卻，可使電池溫度維持在高效率區(qū)域并保證電池使用壽命的最優(yōu)化。 純電動汽車并沒有熱源，因此需要使用標準輸出功率為4-5kW的高電壓PTC電加熱器為車內(nèi)提供快速且足夠的熱量。而純電動汽車的余熱又不足以完全進行車廂加熱，因此需要熱泵系統(tǒng)進行加熱。
03 新能源汽車熱管理
熱管理聽起來是協(xié)調(diào)汽車系統(tǒng)內(nèi)的冷和熱的需求，似乎不會有什么差異性，但實際上針對不同的新能源汽車類型，熱管理系統(tǒng)也有很大的區(qū)別，下面會對幾類新能源車分別介紹其熱管理系統(tǒng)的特別之處，先給大家貼個對比的表格，后面將詳細講解表里的技術(shù)異同點。
3.1 微混動
大家可能比較好奇為什么混動還要強調(diào)個微混動，這里分為微混動的原因是：混動車中使用高壓電機和高壓電池的車型在熱管理系統(tǒng)上比較接近插電混動，所以這類車型的熱管理架構(gòu)將在下文的插電混動中介紹。此處的微混動主要指的是以48V電機和48V/12V電池為主，比如48V BSG (Belt Starter Generator)這種。 它的熱管理架構(gòu)的特點可以概括為下面三點。 電機和電池如果以風(fēng)冷形式散熱的話，那幾乎也就沒有功率電子的散熱問題了，除非電池使用12V電池，然后使用12V轉(zhuǎn)48V的雙向DC/DC，那這個DC/DC根據(jù)電機啟動功率和剎車制動回收功率的設(shè)計，可能會需要水冷管路。 電池的風(fēng)冷可以在電池包內(nèi)設(shè)計空氣回路，通過控制的風(fēng)扇的方式實現(xiàn)強制風(fēng)冷，此時會增加一個設(shè)計任務(wù)，那就是對風(fēng)道的設(shè)計以及風(fēng)扇的選型，如果要用仿真來分析電池強制風(fēng)冷的散熱效果話會比液冷電池更難，因為氣體流動換熱比液體流動換熱的仿真誤差更大。 水冷和油冷的話熱管理回路就和純電動車型比較相似了，只不過發(fā)熱量比較小。而且由于微混電機工作頻率不高，所以一般不會出現(xiàn)連續(xù)大扭矩輸出造成快速發(fā)熱的情況。 有一個例外，近幾年也有搞48V高功率電機，介于輕混和插電混動之間，成本比插電混動低，但驅(qū)動能力比微混和輕混強，也就導(dǎo)致了48V電機的工作時間和輸出功率變大，使得熱管理系統(tǒng)需要及時配合它的散熱。 發(fā)動機的存在對于冬季是一個好事，它的熱量可以直接傳遞到座艙內(nèi)滿足加熱需求。車上的電加熱器也只是48V的小功率類型（相對于純電動車）。甚至于在大多數(shù)時候，發(fā)動機的熱量還需要傳遞到對外的散熱器中由風(fēng)扇吹走。 因此微混車不存在冬季續(xù)航里程短的問題，畢竟它的純電行駛里程本來最多也就幾十公里，沒人期待它要經(jīng)常純電行駛。 也有的車是和傳統(tǒng)燃油車一樣使用發(fā)動機輸出軸驅(qū)動空調(diào)壓縮機，有類似經(jīng)驗的司機應(yīng)該體驗過夏天開車途中開空調(diào)突然車子減了點速。作為混動車，48V空調(diào)壓縮機也成為一個選擇。 但是由于48V電池的電量有限，通常需要發(fā)動機在駕駛的同時通過48V電機發(fā)電給空調(diào)系統(tǒng)運作。給用戶的體驗可能就是少了上面提到的這個開空調(diào)車子抖的體驗了吧，也算是舒適性的提高。而且48V電控空調(diào)壓縮機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)也相對比較靈活，熱管理系統(tǒng)就可以輕松地管理冷卻量。 由于需要通過熱管理操作的部件不多，因此熱管理架構(gòu)較為簡單，一般用不到并聯(lián)回路，因此使用一些開關(guān)閥即可控制回路而用不到像是多路多通閥。溫度控制有時使用一些節(jié)溫器即可實現(xiàn)，沒有對溫度敏感的部件，冷卻水泵也只需要簡單控制型的即可。 3.2 插電混動
插電混動的電壓就是高壓等級了，微混動因為是低于60V的系統(tǒng)，對車上的電氣安全要求沒有插電混動的高。所謂高壓當然是已經(jīng)配上高壓電機和高壓電池了，而且由名字可知還得是能從外面給車插上充電。 它的熱管理系統(tǒng)與其它類型車的區(qū)別也可以概括成以下兩點。 插電混動車為了讓用戶在家可以插上充電樁充電，車載充電機OBC就派上用場了。普通混動車中的電能只來源于發(fā)動機通過電機發(fā)電或者是制動能量回收，而插電混動多了個外部充電的選擇。 和純電動車一樣，大部分插電混動車型會把OBC和其它功率電子的冷卻回路串聯(lián)起來，比如說高壓轉(zhuǎn)低壓DC/DC、電機和逆變器。 但是與純電動的區(qū)別在于，插電混動的電池容量一般沒有純電動的大，所以要么充電時間更短或者選用更小充電功率的OBC，因此在考慮OBC的發(fā)熱量和流阻的時候會有些許不同。 空調(diào)壓縮機、電加熱器都可以選擇高壓的，帶來的好處是效率的提高，大家都知道功率等于電壓乘以電流，如果電壓升高的話那同樣功率需求下的電流就可以更小，電流小的話那損耗的功率也就小了，效率就高了。不過電壓升高帶來的電氣安全的問題和由此造成的成本的提高也是個不小的麻煩。 這個其實在混動車上一般都有，作為渦輪增壓的一部分，空氣進氣側(cè)的增壓會帶來空氣溫度的提高，而由于燃燒效率的考量需要提前將壓縮后的進氣降溫，后面提到的燃料電池也會提高。這一部分的降溫一般可以與其它功率電子串聯(lián)或者并聯(lián)，因為溫度范圍比較接近。 3.3 燃料電池汽車
雖然燃料電池還是以商用車上的為主，乘用車也只有豐田本田現(xiàn)代有產(chǎn)品，但是由于文章著重還是以乘用車為主，且其他對比的車型也是乘用車，所以這里就以豐田Mirai為例。 燃料電池的熱管理系統(tǒng)的特色主要是以下三點： 電堆為氫氧反應(yīng)的場所，在產(chǎn)生電能的同時產(chǎn)生熱能。溫度的提高對電堆的放電功率的提高有一定幫助，但又不能將熱聚集，因此需要反應(yīng)產(chǎn)物水和電堆冷卻液共同流動換熱帶走熱量。 而且維持電堆溫度能夠有效控制輸出功率，滿足駕駛員對于驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)需求。電堆和電機逆變器這些功率電子的發(fā)熱冬天可以作為座艙供暖的一部分熱能。 燃料電池電堆在低溫情況下不能直接提供電能，需要通過外部的熱量將電堆先預(yù)熱起來，然后才能進入正常的工作模式。 此時方才提到的散熱回路就需要反過來變成加熱回路，此處的切換可能就需要用到類似三路兩通閥的回路控制閥。 加熱可由外部電加熱器完成，電加熱器的加熱電能從電池提供。貌似也有技術(shù)提到可以讓電堆自發(fā)熱，使反應(yīng)產(chǎn)生的能量更多的以熱能的形式給電堆本體升溫。 這一部分有點像混動車方才提到的，為了滿足電堆的功率需求，反應(yīng)物氧氣的量也有一定需求，因此空氣進氣需要增壓以提高密度，從而提高氧氣質(zhì)量流量。 為此帶來了增壓后的冷卻，由于溫度范圍與其它部件比較接近，可串聯(lián)在同一散熱回路中。 3.4 純電動汽車
寫在最后的純電動汽車是目前市場上最受矚目的玩家了。電動汽車熱管理方面的研發(fā)在各大車廠和供應(yīng)商都有做，下面主要講三點它與其它車種不同之處： 續(xù)航里程大部分功勞是在電池能量密度、整車電耗、風(fēng)阻系數(shù)這些非熱管理的方面，但冬季就不是這樣了。 為了滿足座艙內(nèi)的舒適度和高壓電池低溫冷啟動，大量電能被熱管理系統(tǒng)消耗，冬季續(xù)航里程大幅縮水已經(jīng)是常態(tài)。 主要原因在于純電動車驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)熱量遠比不上發(fā)動機，電池又對溫度敏感。 目前常見的解決方案比如說熱泵系統(tǒng)，將驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)熱和環(huán)境的熱通過壓縮機循環(huán)提供給座艙和電池，還有威馬EX5在用的柴油加熱器，利用一部分柴油燃燒發(fā)熱提供電池和座艙的預(yù)熱，另外還有一種是電池自發(fā)熱技術(shù)，讓電池啟動時先以小部分能量實現(xiàn)每個電池單體的升溫，從而減少對外部換熱回路的依賴。 其它類型的新能源車電池都比較小，需要外插充電的場合也以交流低功率為主，而高壓大功率直流充電幾乎是每個純電動車的標配功能，除了像寶駿E100這種車以外都或多或少支持幾十千瓦的充電功率。 大功率充電雖然是直接將直流充電樁與電池相連，中間沒有像交流的OBC一樣的部件，但是大功率下的電池和電纜升溫也是不可小覷。 尤其是夏天時，甚至為滿足大功率充電，比如60kW的充電功率，需要用到制冷循環(huán)參與進來冷卻電池，或者是熱泵系統(tǒng)。 這么看來，大功率充電雖然縮短了充電時間提高了充電效率，但是需要熱管理的復(fù)雜度和成本增加來滿足這樣的需求，因此針對不同價位的車型來說，并不是想提高到大功率就可以提高的。 從目前的電動汽車高壓系統(tǒng)趨勢上可以看出，往后的功率電子將越來越集成，比如比亞迪的高壓三合一集成了車載充電機、高壓轉(zhuǎn)低壓DC/DC和高壓配電箱，而吉利新能源和幾何A用的DC/DC和高壓配電箱的二合一集成等等。 功率電子的集成必然帶來冷卻回路的集成，這對于熱管理系統(tǒng)而言，高壓集成內(nèi)部的冷卻回路設(shè)計和管路流體的壓降都是新的問題。集成散熱的好處就在于縮短了管路長度、共享了冷卻管路接口、最終節(jié)約空間降低成本。
汽車熱管理
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