动力电池系统介绍（十四）——热管理系统

一、梗概

传统燃油汽车通过发动机产生热量，新能源纯电动汽车通过电动驱动系统来驱动车辆，两者的热管理系统有较大的差别。热管理系统目前主要包括座舱热管理（汽车空调制冷制热）、动力系统热管理（燃油车：发动机制冷；新能源车：电驱、电机、电池的制冷制热）。

二、座舱热管理（汽车空调）

主流的汽车空调原理是通过蒸发吸热，冷凝放热的热物理原理，使车厢内温度变冷或变热。在外界温度较低时能够向车厢内输送加热后的空气，使驾驶员和乘客感觉不到寒冷；在外界温度较高时能够向车厢内输送低温空气使驾驶员和乘客感觉更加凉爽。

2.1 空调制冷

空调主要由蒸发器，冷凝器、压缩机、膨胀阀四个部件构成。

部件名称	功能介绍
压缩机	压缩机是一个动力装置，可以将低温低压的气态冷媒通过压缩变成高温高压的冷媒。压缩机在燃油车采用皮带轮式压缩机，由发动机带动压缩机进行工作，实现对冷媒的做工，进而达到制冷效果；新能源汽车空调压缩机由电机进行驱动，使用电动压缩机进行冷媒的压缩。
冷凝器	冷凝器也是一种换热的装置，安装在车厢外部，冷凝器的工作原理则是通过冷凝吸热从而升温，当高温高压的气态冷媒通过冷凝器时，通过风扇强制冷却将热量释放到外界空气，使高温高压气态冷媒转变为了中温高压的液体冷媒。
膨胀阀	膨胀阀是一个将中温高压液体膨胀成低温低压液体的装置，膨胀阀一般安装在蒸发箱的入口处，将中温高压的液体冷媒通过膨胀变成低温低压的液体冷媒，从而使冷媒进入到蒸发箱中吸收车厢内的热量。
蒸发器	蒸发器是一种换热的装置，安装在座舱内，蒸发器的工作原理就是利用蒸发吸热从而降温。当低温低压的液态冷媒通过蒸发器时，液态冷媒气化吸收车厢内的热量从而能够使车厢迅速降温。

2.2 空调制热

2.2.1 传统燃油汽车空调制热

传统燃油车制热的原理是利用汽车发动机的余热对汽车座舱加热，首先通过发动机水泵抽吸发动机的冷却水进入暖风芯体中，通过风机将冷空气吹过暖风芯体，被加热的空气就可以被吹入车厢，用于座椅加热或车窗除霜。冷却水离开加热器后又回到发动机中，完成一次循环。

2.2.2 新能源汽车空调制热

新能源汽车的制热模式和传统燃油车大有不同，新能源汽车没有发动机，因此采用了其他的制热模式给车厢进行加热。

加热方式	基本原理及优缺点
半导体制热系统	热电偶为降温制热基本元器件。将两个半导体器件连接成为一个热电偶，通上直流电之后，会在接口处产生热量和温差从而为车厢内部进行加热。优点：可快速加热车厢；缺点：加热时消耗大量电量，影响续航里程，目前无法满足新能源汽车对空调节能的要求。
PTC风暖加热	PTC即Positive Temperature Coefficient，中文名称为正温度系数热敏电阻，PTC主要部件为热敏电阻，通过电热丝进行加热，直接将电能转换为热能。PTC风暖加热体系就是将传统汽车的暖风芯体变成PTC风暖加热器，使用风动驱动外界的空气通过PTC加热器进行加热，将加热后的空气送入车厢内部使车厢加热。由于其直接消耗电量，因此在开启暖风时对新能源的能量消耗也比较大。
PTC水暖加热	PTC水暖和PTC风暖一样都是通过利用电量的消耗产生热量，但是水暖系统都是通过利用电量的消耗产生热量，但是水暖系统是先通过用PTC加热冷却液，将冷却液加热到一定温度以后，将冷却液泵入到暖风芯体中，与周围的空气进行热交换，风机将加热后的空气送入到车厢中，对座舱进行加热。然后冷却水在经过PTC进行加热，往复循环。此加热系统相较于PTC风冷来说更加安全可靠。
热泵空调系统	热泵空调系统和传统汽车空调系统的原理一样，但是热泵空调系统可以实现座舱制热和制冷的转换：通过换向阀来改变系统内的冷媒的流向，从而达到制冷制热交换的过程。由于热泵空调不直接消耗电能发电，因此热泵空调的节能程度比PTC加热器的高。目前，热泵空调在部分车辆上已经实现了量产（如特斯拉2020推出的Model Y）。（图片来源于网络）

三、动力系统热管理

汽车动力系统热管理分为传统燃油汽车动力系统热管理和新能源汽车动力系统热管理。传统燃油车的动力装置由传统燃油车的发动机、变速器等组成；而新能源汽车以电机、电控、电池系统组成。两者的热管理方式差别较大。

3.1 燃油车发动机热管理

传统燃油汽车是以发动机为动力的，所以发动机的热管理就是传统汽车热管理的重点。发动机热管理的工作重点是保证发动机正常有效运转，同时尽量减小该系统运行所消耗的功率，达到发动机热效率最大化。
发动机上主要涉及的热流系统有冷却系统、润滑系统、进排气系统，但实际上其他的汽车热流系统如空调系统、水暖系统等和发动机热流紧密相关的也必须进行考虑。

3.1.1 冷却系统

冷却系统是热管理系统的核心部分，一般由发动机冷却水套、节温器、散热器、风扇、水泵以及水管组成，冷却液从发动机吸收热量后通过散热器酱热量传到大气中。（图片来源于网络）

通常发动机热管理的目标要求包含控制温度范围、控制温度极限、匀化部件温度等。
（1）冷却液从发动机中吸收热量过大将会造成发动机有小功率降低，从而增加单位功率的燃油消耗率。另外，冷却液从发动机中吸收热量过大会造成燃烧室的壁面温度过低，不利于发动机的燃烧。
（2）冷却液从发动机中吸收量过小也同样存在问题。因为发动机燃烧室的金属材料都有一个温度的承受范围，过高的温度会降低金属的强度，从而导致运动副拉伤，甚至损坏。
（3）冷却液的温差不宜过大，以免在冷却液温度偏高时冷却腔的某些部位发生过度沸腾（液体受热时内部产生气泡而不是在液体表面而形成的常规沸腾）。甚至膜态沸腾（指在加热壁面上生成一层连续的蒸汽膜覆盖壁面产生蒸汽的现象），从而造成发动机散热率降低而引发过热。
根据发动机的运行情况适当调节冷却液的温度是很有必要的。在发动机中水泵的转速与发动机的转速成正比关系，难以改变。水温的调节主要是通过节温器和散热器来调节的：
节温器通过水流的温度自动调节大、小循环的分水量。
散热器主要是通过控制流过散热器的空气流速来决定散热器的散热量，空气流速的调节是通过散热器风扇来实现的。

3.1.2 润滑系统

润滑系统的作用是为各运动部件提供润滑油并为某些冷却液难以到达的地方提供冷却。润滑油通过机油泵从油底壳中吸油，并将它送到各个旋转部件摩擦处，机油从轴承端部流出并最终流回油底壳中。（图片来源于网络）

造成机油温度升高的原因有两个：
一个是发动机燃烧放出的热量有一部分传给了机油，该部分传热发生的主要区域是缸套下端、活塞底部和裙部；另一个是各个摩擦副的摩擦生热大部分传给了机油。该部分发生的主要区域是发动机各轴系。机油放热热源也有两部分，冷却液和环境空气。在汽车上除了发动机中的润滑系统外，自动变速器也会有自己独立的润滑系统。
缸壁和活塞环之间有润滑油，为了保证润滑油的润滑效果，这一部分的气缸壁温度一般要求小于180℃。这些温度都需要通过冷却液冷却来保持。

3.1.3 进排气系统

在热管理中主要关注的进排气系统部件是：空滤、涡轮增压器、中冷器、进气管、排气管。（图片来源于网络）

适当的进气温度对发动机组织燃烧以及发动机的排放都是有利的，进入空气滤清器的大气首先来自热交换器附近环境中，如果发动机有涡轮增压装置，那么从增压器中出来的空气要在中冷器中进行水冷或者风冷。冷却效果与冷却液流量、温度或环境空气相关。
另外，如果有EGR设备（Exhaust Gas Re-circulation，废弃再循环），从排气管出来的废气一般要经过中冷装置再返回缸内。空气通过进气管进入气缸内，在气缸内推动活塞做功以后通过排气管和三元催化器排到大气中。进气管、排气管及三元催化器都会与环境空气进行换热。

3.2 新能源电机、电控热管理

新能源汽车在工作时由于电机和各种电控原件都会产生热量，电机在将电能转化为机械能的过程中也有一大部分被转化成了热能。电机和电控系统温度过高就会严重威胁到电机及控制系统的使用寿命和运行的可靠性，因此，需要对电机和电控进行降温，保证其良好工作。
目前常见的冷却方式有以下风冷、液冷、油冷：

冷却方式	特点及应用
风冷	分为自然风铃和强制风冷，一种是自然风直接与电机、电控进行换热，另一种则是加装一个风机对电机、电控进行强制风冷，其中风机的功率可以根据电机的功率发热量进行选择。风冷换热通常使用翅片加大其换热面积，提高换热效率，工艺简单价格低廉，在小型电机上应用广泛。
液冷	围绕电机布置一条封闭的管道，采用循环流道的方式持续对电机散热。其中液冷的冷却液一般有四种：水、变压油、水和乙二醇混合液（体积分数35%）、水和乙二醇混合液（体积分数50%）。液冷是综合性能比较高的冷却方式，也是目前驱动电机最常用的冷却方式。
油冷	采用强迫对流方试对电机内部发热部件进行直接冷却。在油泵的推动下，油直接进入电机内部，与发热部件直接接触，在吸收发热部件的热量后，再回到散热器，将热量散发到冷却液或大气中。油冷结构复杂，密封也比较困难，需要有一套外置冷却装置；噪声较低；冷却范围较广；散热效果相比于水冷有大幅提高，油冷电机在高功率的电机上得到普遍应用，尤其在混合动力汽车及集成式驱动电机系统中；但冷却油对绝缘系统有一定损害，油冷电机的绝缘系统应有一定的耐油性。

液冷电机和油冷电机最显著的区别在于散热方式不同。液冷电机通过外部循环的冷却液进行散热，油冷电机通过内部循环的油液进行散热。

3.3 新能源电池热管理

动力电池的热管理系统基于不同的冷却材料主要分为风冷、液冷、相变材料、热管冷却及制冷剂直接冷却：

冷却方式	特点及应用
风冷	通过空气的流动使电池组与外界空气进行对流换热。风冷一般分为自然冷却和强制冷却，自然冷却是当汽车行驶过程中外界空气对电池组进行冷却。强制风冷是加装一个风机对电池组进行强制冷却。风冷的优点是成本较低、便于商业化应用，缺点是散热效率较低，空间占比较大，噪声问题严重。
液冷(液浸）	通过液体的流动使电池组的热量被带走。由于液体的比热容比空气的比热容大，所以液冷的冷却效果要优于风冷的冷却效果，冷却速度也快于风冷，对电池组散热后的温度分布也比较均匀。因此，液冷冷却也被大量商业利用，是目前电池包热管理的主流技术。但是液冷冷却也有缺点，其缺点就是存在漏液风险，复杂性相对较大，维护成本较高。
相变材料冷却	相变材料（Phase Change Material，PCM）有石蜡、水合盐、脂肪酸等，在发生相变时可以吸收或释放大量潜热而自身温度保持不变。因此，PCM具有较大的热能储存容量，同事也无需额外的能量消耗，被广泛应用于手机等电子产品的电池散热中。但是对于汽车电池的应用仍处于研究阶段。相变材料存在导热率低的问题，导致PCM与电池接触的面融化而其他的部位未融化，降低了系统的换热性能，不适合大尺寸的动力电池。如果能解决这些问题，PCM冷却会成为新能源汽车热管理最具有潜力的发展方案。
热管冷却	热管是一种基于相变传热的装置，热管是一个充满饱和状态工作的介质/液体（水、乙二醇或丙酮等）的密封容器或密封管道。热管的一端为蒸发端，一端为冷凝端。既可以吸收电池组的热量，又可以对电池组进行加热，是目前最理想的动力电池热管理系统，但是其目前也仍处于研究状态。
制冷剂直接冷却	直接冷却是利用R134a等制冷剂蒸发吸热原理，将空调系统的蒸发器安装在电池箱中使电池箱快速冷却的一种方式。制冷系统冷却效率高，制冷量大。

以下图片均截取于《世界汽车发展技术动向与展望2023（下）》：

另外补充说明一点，应该也算是电池热管理在极端环境下的一个要求：GB 18384-2020《电动汽车安全要求》、GB 38032-2020《电动客车安全要求》和GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》三项强制性国家标准，均对电池系统热事件报警信号提出要求，锂离子电池热失控时间要求为5分钟。同时要求电池单体发生热失控后，电池系统在5分钟内不起火、不爆炸，为乘员预留安全逃生时间。

文章部分内容引用于：
[1]马浩然,李佳辉,毕崟.新能源汽车热管理研究综述[J].汽车实用技术,2023,48(08):1-9.DOI:10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.08.001.
[1]漆杰,童元,赵少锋等.汽车热管理系统浅析[J].汽车实用技术,2017(19):113-115+131.DOI:10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.19.038.
中国汽车产业数字化图书馆图书文库《电动汽车驱动电机系统》，作者郭淑英、李益丰等
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