一種新能源汽車熱管理系統的設計

單志友

（大陸汽車電子（蕪湖）有限公司）

與傳統燃油車相比，電動汽車除了需要滿足空調熱管理和驅動電機的熱管理需求之外，對電池包也需要進行嚴格的熱管理控制。電池包作為電動汽車上裝載電池組的主要儲能裝置，是混動/電動汽車的關鍵部件，其性能直接影響混動/電動汽車的性能。目前電池普遍存在比能量和比功率低、循環壽命短、使用性能受溫度影響大等缺點。基于以上問題，文章提出一種熱管理系統，其可在3 種回路下進行切換，以適應新能源汽車不同的工況，經過驗證，達到了預想的效果[1-2]。

1 目前新能源汽車熱管理系統存在的問題

由于車內空間有限，電池工作中產生的熱量累積，會造成各處溫度不均勻從而影響電池單體的一致性，進而降低電池充放電循環效率，影響電池的功率和能量發揮，嚴重時還將導致熱失控，影響系統的安全性與可靠性。而低溫下，電池的充電性能和放電功率都會大幅度降低，嚴重時無法正常進行充放電工作。所以為了使電池組發揮最佳的性能，新能源車必須對電池進行熱管理，將電池包溫度控制在合理的范圍內。

目前大部分熱管理系統為開環控制，即沒有壓力、流量、溫度傳感器對具體工作狀況進行實時反饋，無法有效管理系統根據實際工作狀態進行實時控制；在汽車運行中，由于驅動電機和控制器產生的熱量沒有得到充分利用，不但造成能量浪費，而且不利于節能環保[3-4]。

2 熱管理系統方案

2.1 系統組成

文章的新能源汽車熱管理系統包括暖風空調子系統、驅動與電控總成子系統和電池包子系統，如圖1 所示，三者由汽車整車控制器（VCU）進行控制。電池包子系統、驅動與電控總成子系統通過三通水閥1 相連接；電池包子系統、暖風空調子系統通過三通水閥2 與三通水閥3 相連接。

圖1 新能源汽車熱管理系統結構布局圖

暖風空調子系統包括電子水泵2、壓力傳感器3、壓力傳感器4、流量傳感器2、水溫傳感器2、PTC 加熱器、三通水閥3、蒸發器、三通水閥2、膨脹水壺；電池包子系統包括電子水泵2、壓力傳感器3、壓力傳感器4、流量傳感器2、水溫傳感器2、PTC 加熱器、三通水閥3、電池包、三通水閥2、膨脹水壺；驅動與電控總成子系統包括電子水泵1、壓力傳感器1、壓力傳感器2、流量傳感器1、水溫傳感器1、OBC＆DC/DC＆PEU 三合一控制器、驅動電機、三通水閥1、膨脹水壺、散熱器。

PTC 加熱器為正溫度系數電阻絲。

2.2 各子系統的循環回路

該熱管理系統各子系統的循環回路如下：

1）暖風空調子系統，加熱模式的冷卻液循環回路為：膨脹水壺→壓力傳感器3→電子水泵2→壓力傳感器4→流量傳感器2→水溫傳感器2→PTC 加熱器→三通水閥3→蒸發器→三通水閥2→膨脹水壺。

2）驅動與電控總成子系統，散熱模式的冷卻液循環回路1 為：膨脹水壺→散熱器→壓力傳感器1→電子水泵1→壓力傳感器2→流量傳感器1→水溫傳感器1→OBC＆DC/DC＆PEU 三合一控制器→驅動電機→三通水閥1→膨脹水壺。

3）驅動與電控總成子系統、電池包子系統相連接的回路，利用OBC＆DC/DC＆PEU 三合一控制器、驅動電機運行時所產生的熱量，給電池包加熱模式的冷卻液循環回路2 為：膨脹水壺→散熱器→壓力傳感器1→電子水泵1→壓力傳感器2→流量傳感器1→水溫傳感器1→OBC＆DC/DC＆PEU 三合一控制器→驅動電機→三通水閥1→電池包→膨脹水壺。

4）暖風空調子系統、電池包子系統相連接的回路，利用PTC 加熱器給電池包加熱模式的冷卻液循環回路為：膨脹水壺→壓力傳感器3→電子水泵2→壓力傳感器4→流量傳感器2→水溫傳感器2→PTC 加熱器→三通水閥3→電池包→三通水閥2→膨脹水壺；暖風空調子系統中，PTC 加熱器將冷卻液加熱后，經由蒸發器安裝的風扇，將熱量吹入車艙內，實現車內取暖；電池包子系統中，PTC 加熱器將冷卻液加熱后，熱量經過電池包內部，實現電池包的加熱。

2.3 各子系統的工作方式

驅動與電控總成子系統設有壓力傳感器1、壓力傳感器2、流量傳感器1、水溫傳感器1。通過計算壓力傳感器1、壓力傳感器2 測量的壓力，可得知電子水泵1工作時的揚程，即回路的系統壓力；流量傳感器1 可測量電子水泵1 工作時的流量，即回路的冷卻液流量；水溫傳感器1 可測量回路的冷卻液溫度，從而實時控制電子水泵1 的工作狀態，當測量到冷卻液溫度較低時，整車VCU 發出控制信號，降低電子水泵1 的轉速，系統壓力、流量同步降低，反之則提高電子水泵1 的轉速，系統壓力、流量同步提高。

暖風空調子系統和電池包子系統設有壓力傳感器3、壓力傳感器4、流量傳感器2、水溫傳感器2。通過計算壓力傳感器3、壓力傳感器4 測量的壓力，可得知電子水泵2 工作時的揚程，即回路的系統壓力；流量傳感器2 可測量電子水泵2 工作時的流量，即回路的冷卻液流量；水溫傳感器2 可測量回路的冷卻液溫度，從而實時控制電子水泵2 的工作狀態，當測量冷卻液溫度較低時，整車VCU 發出控制信號，降低電子水泵2的轉速，系統壓力、流量同步降低，反之則提高電子水泵2 的轉速，系統壓力、流量同步提高。

2.4 傳感器選型參數

系統中各傳感器的選型參數如下。

壓力傳感器1、3 的量程為-100～100 kPa，壓力傳感器2、4 的量程為0～200 kPa，精度為0.5%F.S.，工作電壓（DC）為5～24 V，輸出信號（DC）為1～5 V。

流量傳感器1、2 的量程為0～100 L/min，精度為±1%，最低額定電壓（DC）為4.5 V，供電（DC）范圍為5～24 V，負載能力≤10 mA（DC 5 V），最大工作電流為15 mA（DC 5 V）。

溫度傳感器1、2 的型號為Pt100，類型為NTC 熱敏電阻，采用三線制接法接入溫控儀，實現水溫的測量。

電子水泵的功率范圍為：10～1 500 W。

3 新能源熱管理系統的測試

根據上述方案，搭建并調試了新能源汽車的熱管理系統，如圖2 所示。以某型號的電子水泵為對象，測試了其在不同流量下的額定電流、額定電壓和進出口壓力，并通過程序計算處理得出額定功率、揚程和效率值。通過曲線擬合后，獲得電子水泵的性能曲線，如圖3所示，完成電子水泵的基本性能測試。

圖2 新能源汽車熱管理系統的局部圖

圖3 新能源汽車熱管理系統電子水泵的性能曲線

在圖3a 中可以看到，電子水泵的揚程（壓差）隨著流量的增加而減小，流量越大，揚程越小，在流量為0～20 L/min 時，揚程較為穩定；在圖3b 中可以看出，泵的驅動功率隨流量的增加而增加，從曲線趨勢可知，當流量為0 時，功率最低；在圖3c 中可以看到，隨著電子水泵流量的增加，泵效率值增加到最大值，并且在一定流量范圍內（流量值在18～32 L/min）變化較小，之后隨著電子水泵的流量逐步增加，水泵效率逐步降低。

4 結論

文章介紹的熱管理系統為閉環控制，具有實時反饋和實時控制功能，能夠綜合管理，優化控制，充分利用發熱部件的余熱進行溫度管理，從而有效降低電池能耗，達到舒適、節能的效果。該熱管理系統可在3 種回路下進行切換，以適應新能源汽車不同的工況。此外，在汽車熱管理應用中，還可以實現諸如控制泵的啟動/停止、流量控制、壓力控制、功率控制、防干運轉保護，以及電壓過壓、欠壓、過流、過載和啟動故障保護等功能。泵的工作狀態可以由外部信號控制。電子水泵具有結構緊湊、使用方便、功能強大、使用壽命長、性能穩定、噪聲低、能耗低、效率高等優點，被廣泛應用于汽車熱管理系統中，已成為一種后續發展趨勢。