新能源汽車熱管理研究綜述

馬浩然，李佳輝，畢 崟

（湖北汽車工業學院 汽車工程學院，湖北 十堰 442002）

隨著我國對新能源汽車技術的不斷支持，發展新能源汽車成為了我國汽車發展的重要舉措并取得了顯著成果，被全球廣泛認為是一次成功的國家戰略[1]，純電動汽車的運行是以電作為能源的，通過電動驅動系統來驅動車輛[2]。因此，新能源汽車的熱管理系統與傳統燃油汽車的熱管理系統上有很大的差別，新能源汽車是電池和電機在工作中產生熱量，而傳統燃油車是發動機產生熱量。新能源汽車熱管理系統需要對溫度進行精確控制，主要是座艙溫度、電池溫度和動力總成溫度，因此，新能源汽車熱管理系統會更加復雜。對于新能源汽車來說解決新能源汽車的續航里程和乘坐舒適性的矛盾，是新能源汽車急需要解決的問題[3-4]。

1 座艙熱管理（汽車空調）概述

空調系統是汽車熱管理的關鍵，無論是駕駛員還是乘客都希望追求汽車的舒適性，汽車空調的重要功能是通過調節汽車乘員艙內的溫度、濕度和風速，使乘員艙達到一個舒適的駕駛和乘坐環境。主流的汽車空調的原理是通過蒸發吸熱，冷凝放熱的熱物理原理，使車廂內溫度變冷或變熱。在外界溫度較低時能夠向車廂內輸送加熱后的空氣，使駕駛員和乘客感覺不到寒冷；在外界溫度較高時能夠向車廂內輸送低溫空氣使駕駛員和乘客感覺更加涼爽。所以汽車空調對車廂內空氣調節和乘員的舒適性起著非常重要作用。

1.1 傳統燃油汽車空調系統及工作原理

傳統燃油汽車空調主要由蒸發器、冷凝器、壓縮機、膨脹閥四個部件構成[5]。

壓縮機是一個動力裝置，可以將低溫低壓的氣態冷媒通過壓縮變成高溫高壓的氣態冷媒，壓縮機在燃油汽車上一般都安裝在發動機上，通過發動機驅動而使壓縮機工作。

蒸發器是一種換熱的裝置，安裝在座艙內，蒸發器的工作原理就是利用蒸發吸熱從而降溫。當低溫低壓的液態冷媒通過蒸發器時，液態冷媒氣化吸收車廂內的熱量從而能夠使車廂迅速降溫。

冷凝器也是一種換熱的裝置，安裝在車廂外部，冷凝器的工作原理則是通過冷凝吸熱從而升溫，當高溫高壓的氣態冷媒通過冷凝器時，通過風扇強制冷卻將熱量釋放到外界空氣，使高溫高壓氣態冷媒轉變為了中溫高壓的液態冷媒。

膨脹閥是一個將中溫高壓液體膨脹成低溫低壓液體的裝置，膨脹閥一般安裝在蒸發箱的入口處，將中溫高壓的液態冷媒通過膨脹變成低溫低壓的液態冷媒，從而使冷媒進入到蒸發箱中吸收車廂內的熱量。

汽車空調由制冷系統、制熱系統和通風系統組成，這三個系統組成了汽車空調的總成。傳統燃油汽車制冷的原理就是壓縮、冷凝、膨脹、蒸發這四個步驟，如圖1 所示。通過這四個步驟一直反復循環，就可以保證制冷系統的運行。然后蒸發箱持續不停給座艙制冷。

圖1 汽車空調原理圖

傳統燃油汽車制熱的原理是利用汽車發動機的余熱對汽車座艙加熱，首先從發動機冷卻水套中出來的溫度較高的冷卻水進入到暖風芯體中，通過風機將冷空氣吹過暖風芯體，被加熱的空氣就可以被吹入車廂，用于座艙加熱或車窗除霜，冷卻水離開加熱器后又回到發動機中，完成一次循環。

1.2 新能源汽車空調系統及工作原理

由于新能源汽車和傳統燃油汽車的驅動裝置不同，燃油汽車空調壓縮機由發動機驅動，新能源汽車空調壓縮機由電機進行驅動，所以新能源汽車上的空調壓縮機不能使用發動機進行帶動，則轉而使用電動壓縮機進行冷媒的壓縮。新能源汽車基本原理與傳統燃油汽車的相同，利用冷凝放熱，蒸發吸熱給乘員艙進行降溫，僅僅是其壓縮機改為電動壓縮機，目前主要使用渦旋結構壓縮機對冷媒進行壓縮[6]。

新能源汽車的制熱模式和傳統燃油汽車大有不同，由于傳統燃油汽車制熱模式是將發動機的余熱通過冷卻液傳到車廂內給車廂內進行升溫，但是新能源汽車沒有發動機，就不存在發動機給車廂進行加熱的過程，因此，新能源汽車采用了其他的制熱模式給車廂進行加熱。以下給出了幾種新能源汽車空調制熱的方式。

1）半導體制熱系統：半導體制熱器是由半導體元件和接線柱來進行降溫加熱功能[7]，該系統中熱電偶為降溫制熱基本元器件，其結構如圖2 所示。將兩個半導體器件連接成為一個熱電偶，通上直流電之后，會在接口處產生熱量和溫差從而為車艙內部進行加熱。半導體制熱的主要優點是可以快速地加熱車廂，主要缺點是半導體加熱會消耗大量的電量，對于需要追求續航里程的新能源汽車來說，其缺點是致命的。因此，不能滿足新能源汽車對空調節能的要求。也更需要人們對于半導體加熱方式進行研究，設計出一種高效節能的半導體加熱方式。

圖2 半導體制熱原理圖

2）正溫度系數熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient, PTC）風暖加熱：PTC 主要部件是熱敏電阻，通過電熱絲進行加熱，是直接將電能轉變成熱能的裝置。PTC 風暖加熱體系就是將傳統燃油汽車的暖風芯體變成PTC 風暖加熱器，使用風機驅動外界的空氣通過PTC 加熱器進行加熱，將加熱后的空氣送入車廂內部使車廂加熱，由于其直接消耗電量，因此，在開啟暖風時對新能源汽車的能量消耗也比較大。

3）PTC 水暖加熱：PTC 水暖和PTC 風暖一樣都是通過利用電量的消耗產生熱量，但是水暖系統是先通過用PTC 加熱冷卻液，將冷卻液加熱到一定溫度后，將冷卻液泵入到暖風芯體中，與周圍的空氣進行熱交換，風機將加熱后的空氣送入到車廂中，對座艙進行加熱。然后冷卻水在經過PTC 進行加熱，往復循環，此加熱系統相較PTC風冷來說更加可靠安全。

4）熱泵空調系統：熱泵空調系統和傳統汽車空調系統的原理一樣，但是熱泵空調可以實現座艙制熱和制冷的轉換[8]，其原理如圖3、圖4 所示，通過一個四通換向閥來改變系統內的冷媒的流向，從而達到制冷制熱交換的過程。由于熱泵空調不直接消耗電能發熱，因此，熱泵空調的節能程度比PTC 加熱器的高，目前熱泵空調在部分車輛上已經實現量產。

圖3 熱泵空調制冷原理圖

圖4 熱泵空調制熱原理圖

2 動力系統熱管理概述

汽車動力系統的熱管理分為傳統燃油汽車動力系統的熱管理和新能源汽車動力系統熱管理，現在傳統燃油汽車的動力系統熱管理已經非常成熟，傳統燃油汽車是以發動機為動力的[9]，所以發動機的熱管理就是傳統汽車熱管理的重點。發動機的熱管理主要包括發動機的冷卻系統，汽車系統中超 30% 的熱量需要由發動機冷卻回路釋放，避免發動機在高負荷運轉狀態下過熱[9]。利用發動機的冷卻液對車廂進行熱循環。

傳統燃油汽車的動力裝置由傳統燃油車的發動機、變速器組成，而新能源汽車以電池、電機、電控組成，兩者的熱管理方式發成了很大的變化，新能源汽車的動力電池的正常工作溫度范圍為25～40 ℃[10]。因此，電池的熱管理既需要對其進行保溫又要對其進行散熱。同時電機的溫度也不能過高，如果電機的溫度太高的話就會影響到電機的使用壽命[11]，因此，電機在使用過程中也需要進行必要的散熱措施。以下分別對電池的熱管理系統和電機電控等部件的熱管理系統的介紹。

2.1 動力電池熱管理系統

動力電池的熱管理系統基于不同的冷卻介質主要分為風冷、液冷、相變材料和熱管冷卻[12]。不同的冷卻方式其原理和系統結構大有不同。

1）動力電池風冷：通過空氣的流動使電池組與外界空氣進行對流換熱。風冷一般分為自然冷卻和強制冷卻，自然冷卻是當汽車行駛過程中外界空氣對電池組進行冷卻。強制風冷是加裝一個風機對著電池組進行強制冷卻。風冷的優點是成本較低、便于商業化應用，缺點是散熱效率較低，空間占用比大，噪聲問題嚴重。

2）動力電池液冷：通過液體的流動使電池組的熱量被帶走。由于液體的比熱容比空氣的比熱容大，所以液冷的冷卻效果要優于風冷的冷卻效果，冷卻速度也快于風冷，對電池組散熱后的溫度分布也比較均勻。因此，液冷冷卻也被大量的商業利用。但是液冷冷卻也有缺點，其缺點就是存在漏液風險，復雜性相對較大，維護成本高。

3）相變材料冷卻：相變材料（Phase Change Material, PCM）有石蠟、水合鹽、脂肪酸等，在發生相變時可以吸收或釋放大量潛熱而自身的溫度保持不變。因此，PCM 具有較大的熱能儲存容量，同時也無需額外的能量消耗，被廣泛應用于手機等電子產品的電池散熱中。但是對于汽車動力電池的應用仍處于研究狀態。相變材料存在導熱率低的問題，導致PCM 與電池接觸的面融化，而其它的部位未融化，降低了系統的換熱性能，不適合大尺寸的動力電池。如果能解決這些問題，PCM 冷卻會成為新能源汽車熱管理最具潛力的發展方案。

4）熱管冷卻：熱管是一種基于相變傳熱的裝置，熱管是一個充滿飽和狀態工作的介質/液體（水、乙二醇或丙酮等）的密封容器或密封管道。熱管的一段為蒸發端，一端為冷凝端。既可以吸收電池組的熱量又可以對電池組進行加熱，是目前最理想的動力電池熱管理系統。但是其目前也仍處于研究狀態。

5）制冷劑直接冷卻：直接冷卻是利用R134a制冷劑等冷卻劑蒸發吸熱原理，將空調系統的蒸發器安裝在電池箱中使電池箱快速冷卻的一種方式。直冷系統冷卻效率高，制冷量大。

以上為五種動力電池的熱管理的主流的方式，其各自的優缺點如表1 所示。

表1 動力電池冷卻系統的優缺點

2.2 電機、電控熱管理系統

新能源汽車在工作時由于電機和各種電控原件都會產生熱量，電機在將電能轉化為機械能的過程中也有一大部分被轉化為了熱能[13-14]。電機和電控系統溫度過高就會嚴重威脅到電機及控制系統的使用壽命和運行的可靠性，因此，需要對電機和電控進行降溫，保證其良好工作。其中在汽車上被應用最廣泛的還是風冷、液冷這兩種方式[15]。

1）電機、電控風冷：其風冷換熱通常使用翅片加大了其換熱面積，換熱效率變高，工藝簡單價格低廉，在小型電機的上應用廣泛，電機、電控的風冷系統和動力電池的風冷系統一樣都可以分為自然風冷和強制風冷，一種是自然風直接與電機、電控進行換熱，另一種則是加裝一個風機對電機、電控進行強制風冷措施，其中風機的功率可以根據電機的功率發熱量進行選擇。

2）電機、電控液冷：液冷系統就是圍繞電機布置一條封閉的管道，采用循環流道的方式持續對電機散熱，其中液冷的冷卻液一般有四種：水、變壓油、水和乙二醇混合液（體積分數35%）、水和乙二醇混合液（體積分數50%）[16]。電機液冷的管路圖有4 種，如圖5 所示。

圖5 電機液冷系統的管路圖

3）蒸發冷卻技術：蒸發冷卻技術最早由荷蘭的科學家提出[17]，我國也從1958 年開始研究蒸發冷卻技術，至今已經有60 多年的時間，但是蒸發冷卻技術一直被用于建筑領域、數據中心和水電站的大型水輪發電機冷卻，三峽地下電站有兩臺機組采用HFC-4310 為介質，利用高絕緣、低沸點液體沸騰吸收汽化潛熱進行冷卻的一種自循環冷卻系統，該系統用在700 MW 的巨型水輪發電機上屬世界首例[18]。圖6 為蒸發冷卻原理圖。但是蒸發冷卻技術基本上沒有用在小型電機上，例如純電動汽車的驅動電機上沒有使用過蒸發冷卻技術。因此，蒸發冷卻技術應用于新能源汽車的制冷是一個新的應用領域。

圖6 蒸發冷卻系統原理圖

新能源汽車的電池、電機和電控的熱管理系統對新能源汽車的安全性是非常重要的，保證電池、電機和電控工作在一個安全的溫度環境是非常必要的，對于上述的各種熱管理系統來說，不僅只能單獨工作，也可以耦合在一起進行工作，組合式的模式也可以達到更好的效果，這就需要研究人員深入研究和開發。

3 典型車型的熱管理技術概述

3.1 特斯拉Model Y 熱管理系統

特斯拉是一家專注于研發新能源汽車的公司，也是行業的領頭羊，因此，特斯拉在新能源汽車熱管理系統上的產品也是不斷更新，特斯拉公司在Model Y 車型上首次采用了全新的熱泵空調系統，這是特斯拉的第四代也是最新一代熱管理系統，可以實現多種模式下的熱管理，并且特斯拉熱泵空調的控制更加復雜，集成化程度高，維修更加便利[19]。

新能源汽車將電池熱管理系統和高效暖通空調等進行集成是新能源汽車熱管理系統的趨勢[20]。特斯拉的第四代汽車熱管理系統就是將電池的熱管理和座艙的熱管理集合起來，將整車的熱源利用起來，并且在外界溫度高于冷卻液溫度時還可以將外界的熱量吸收進車內進行利用。如圖7 所示為特斯拉熱管理系統原理圖。

圖7 特斯拉熱管理系統原理圖

從圖中可以看出特斯拉的這款熱泵空調系統開創性的使用了一個八通閥，通過車載電腦控制八通閥旋轉使電池系統、動力系統，產生了多種工作模式。可根據環境溫度與電池溫度自動規劃熱泵系統的加熱程度，啟用不同的加熱模式。這種熱管理系統還對動力系統增加電驅回路換熱器，可以在冬天將三電系統廢熱回收利用到熱泵系統為乘員艙服務，在乘員艙沒有人時，回收乘員艙熱量到三電系統進行保溫。控制系統還可以對風機的轉速、風門的開度以及壓縮機輸出的功率進行調節[21]，可以使空調系統更加舒適，使熱管理系統更加高效和熱能利用更加合理。

3.2 比亞迪漢、唐熱管理系統

比亞迪是我國的自主品牌汽車，也是全世界第二大充電電池生產廠家，因此，比亞迪在電動汽車上的研發投入很大，2022 年3 月起比亞迪公司停止燃油汽車的生產，專注于純電動汽車和插電式混合動力汽車的研發。比亞迪新能源汽車在熱管理技術上面也有一定的成果。

比亞迪純電動車型漢、唐的電池熱管理系統采用的是水冷換熱，利用空調系統電子膨脹閥及電池包冷卻；電池加熱采用PTC 水加熱器進行冷卻液加熱。電池熱管理設置三檔需求，可以滿足空調及電池冷卻的不同優先級。空調采暖PTC 直接進行加熱，能量利用率高于PTC 水暖，但耗能很高。圖8 所示為比亞迪漢、唐熱管理系統原理圖。

圖8 比亞迪漢、唐熱管理系統原理圖

在研發方面，比亞迪410 A 熱泵系統已經通過試驗可以達到-10 ℃采暖要求。比亞迪也研制出電池包直冷直熱及增焓熱泵技術，增焓熱泵可以滿足汽車在更低的溫度下進行采暖，也正進行實車試驗。

3.3 豐田CHR EV、Prime 熱管理系統

豐田CHR EV 電池熱管理系統通過空調系統蒸發箱及鼓風機帶動空氣循環進行動力電池制冷，加熱系統則采用12 V 鉛蓄電池供電，通過電熱絲發熱的原理對電池單元進行升溫。而空調采暖采用PTC 控制模塊+冷卻板構成空調水暖。圖9為豐田CHR EV 熱管理系統原理圖。

圖9 豐田CHR EV 熱管理系統原理圖

豐田Prime 采暖采用的熱泵系統借鑒了一個來自固定式商用車的概念，即采用制冷劑氣液分離器和制冷劑注氣回路的設計，從而將熱泵有效工作的最低溫度極限降低至-10 ℃。

豐田公司還提出了一種吸附式熱泵系統的專利，用于提高制冷劑與冷卻液的熱交換效率。

3.4 廣汽Aion S、Aion LX 熱管理系統

廣汽埃安是廣汽集團旗下的新能源汽車品牌，致力于打造高端科技的新能源汽車，其在熱管理技術上也有一定的成果。

廣汽Aion S 電池加熱及空調制熱采用的PTC模塊制熱，電池冷卻則采用水冷模塊與空調模塊進行水冷換熱，三合一電驅動總成和車載充電機（On Board Charger, OBC）單獨具有水冷換熱循環，且具備余熱回收模式，低溫時系統會將電驅余熱引入電池保溫。

廣汽Aion LX 的溫控4.0 系統相比于Aion S上的系統進一步升級，準備了全球首創雙層流熱泵空調系統，既避免低溫結霜又保證了乘員溫暖感。在0～10 ℃低溫環境下，該系統的搭載使用能有效增加車輛純電續航里程。

廣汽埃安提出一項專利，在熱泵電池直冷直熱上進行布局，并對電池溫度控制進行詳細說明，該溫度控制方案可構成電池溫度控制的核心理論技術。

3.5 幾何C 熱管理系統

幾何汽車是吉利汽車集團旗下的獨立高端純電品牌，是與吉利品牌、領克品牌并行的一級子品牌。幾何C 是吉利汽車集團中高端純電品牌幾何汽車推出的首款運動型多用途汽車（Sport Utility Vehicle, SUV），是2022 年杭州亞運會官方指定用車，是幾何+開源共享平臺的首個載體。幾何C 搭載由幾何汽車自主研發、行業首創的SEM智能能量管理系統，續航精準度接近100%，續航最大提升40%。

幾何C 的乘員艙采用的熱泵空調技術，動力電池的熱管理控制系統的循環體系中包含了一組為電芯提供高溫散熱伺服的水冷板控制模塊和一組為電芯提供低溫預熱伺服的PTC 控制模組，搭載了ITCS3.0 電池液冷溫控管理系統，可以讓電芯單體的溫差控制在±2 ℃以內。圖10 為幾何C 熱管理原理圖。

圖10 幾何C 熱管理系統原理圖

3.6 小鵬P7 熱管理系統

小鵬P7 作為小鵬汽車的第二款純電動車型，整車熱管理系統采用一體化儲液罐設計和單PTC加熱方案，利用一個四通閥實現整車系統級的熱循環，圖11 為小鵬P7 熱管理系統原理圖。

圖11 小鵬P7 熱管理系統原理圖

這一套方案的特點是使用了一體化儲液罐設計，電機、電池、乘客艙三者的膨脹罐一體化設計，變為一個膨脹罐總成，減少零部件數量，可以降低成本。同時也讓余熱進行循環利用，利用一個四通閥，將電機冷卻水路與電池溫控水路串接，利用電機余熱加熱電池，降低系統能量損失。可變進氣格柵的設計，可根據工況和機艙溫度，智能調節進氣格柵開度，實現機艙保溫和降低風阻，提升余熱回收效率和增加續航里程。

3.7 威馬EX5 熱管理系統

威馬EX5 搭載了全新的威馬熱管理2.0 系統，提出了主動冷卻、電加熱以及柴油加熱系統，其中柴油加熱系統用來應對零下30 ℃以下的極寒環境。圖12 為威馬熱管理2.0 系統。

圖12 威馬熱管理2.0 系統圖

這一套熱管理系統的亮點是，電池包使用了獨立的液冷回路，保證了電池包溫度控制更加精確，使電池溫度更加均勻，提高電池壽命。柴油加熱器的應用除了對電池進行加熱外還可以協助空調系統對乘員艙進行加熱。

3.8 理想ONE 熱管理系統

理想ONE 汽車為增程式混合動力汽車，因此，理想ONE 除了要對電池、乘員艙和電驅系統進行熱管理外還要對增程器進行熱管理，四大板塊緊密協助，達到高效的熱利用。圖13 為理想ONE熱管理系統原理圖。

圖13 理想ONE 熱管理系統原理圖

理想ONE 熱管理系統技術亮點是多向流量控制閥精確地按比例開閉實現增程器、電池組和空調三套循環系統間熱量的精確傳遞和利用，實現能量的高效利用。極致的無級調節，小到流量控制閥、水泵，大到空調壓縮機，前端冷卻模塊上的散熱風扇，都能通過整車控制器（Vehicle Control Unit, VCU）實現功率無級調節，保障電池、增程器、電動機工作在最適宜的溫度。先進的前端冷卻模塊，集成了冷凝器、低溫散熱器、高溫散熱器、中冷器和散熱風扇五個模塊的前端冷卻模塊。

以上介紹了國內外幾種新能源汽車的熱管理技術，每個公司每個車型都有自己的熱管理技術，但隨著技術的發展，科研人員和工程師們一定可以使新能源汽車的續航里程和乘坐舒適性的矛盾得出最優解決方案。

4 總結

新能源汽車熱管理是一種不同于傳統汽車的汽車熱管理系統，目前新能源汽車熱管理系統的技術和市場都還是處于起步階段，隨著科研人員的更進一步的研究，新能源汽車熱管理系統都會向著整車熱管理一體化的方向發展，會統籌協調好座艙和動力系統的熱管理，以及對車內各個主要地方的溫度監測和一體化控制，最大化程度利用好汽車內以及外環境中的熱量。提高新能源汽車使用過程中的安全性，提高電池能量的利用效率達到節能的目的，提高新能源汽車的續航里程，最終提高乘員的舒適性和顧客的滿意程度。