新能源汽車熱管理技術的研究現狀和發展趨勢

摘要：針對新能源汽車熱管理技術展開研究，重點分析了電池、電機和乘員艙的熱管理需求，并詳細討論了熱管理技術的應用現狀和發展趨勢，同時進一步總結和展望了新能源汽車熱管理技術未來的發展方向。研究結果能為新能源汽車熱管理技術的進一步研究提供參考。

關鍵詞：新能源汽車；熱管理；應用現狀；發展趨勢

中圖分類號：U469.7 收稿日期：2024-05-12

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408014

1 前言

隨著全球氣候變化問題的日益嚴峻，各國越來越關注碳排放對環境的影響。為應對全球氣候變化挑戰，中國作為世界上人口最多且碳排放量最大的國家之一，已明確提出了2030年前碳達峰以及2060年前實現碳中和的宏偉目標。這一目標的提出和實現，不僅對中國自身的可持續發展至關重要，也對全球環境保護和氣候變化的應對具有深遠的影響[1]。新能源汽車的推廣和普及可以大幅減少汽車尾氣排放，是實現碳達峰目標的關鍵措施之一。

然而，其性能、安全性和續航能力在很大程度上取決于其熱管理技術的應用效果，特別是在動力電池、電機及乘員艙方面熱管理技術的研究還面臨許多挑戰[2]。乘員艙的熱管理技術也面臨諸多挑戰，這些挑戰不僅關乎乘客的舒適性，還直接影響到能耗效率和整車性能。優化能效與提升乘客舒適度之間往往存在一定的矛盾，如何平衡這兩者是一大難題。因此，對新能源汽車熱管理技術的研究具有重要意義。

2.熱管理系統需求

2.1 電池熱管理需求

動力電池是新能源汽車的核心部件，其性能直接影響新能源汽車的性能。其中鋰離子電池以其高能量密度、低自放電率、循環壽命長等優勢，應用范圍最廣。鋰離子電池的一般運行溫度范圍介于-10～50 ℃之間。然而，在低溫環境下電池會出現活性明顯下降、電池的內阻增加，以及低溫充電容易出現金屬鋰沉積而發生安全事故。

溫度超過50 ℃時，電池的正極晶格結構的穩定性變差，會加速老化。高溫運作對充放電效率、電池壽命、內部電化學反應及安全性均有負面影響。因此，為了確保最佳性能和安全性，電池熱管理系統應保持電池溫度在15～35 ℃之間。

新能源汽車由于電池單體數量需求較大，成組后的電池包發熱量也較大，但空間有限，就需要更有效的熱管理技術。同時還需考慮到熱不均勻性問題，一般小電池包（例如混動電池包）的正常工作內部能夠允許2～3 ℃的溫差，而大電池包內電池之間的最大溫度差異不應超過5 ℃[3]。

2.2 電機熱管理要求

為了應對新能源汽車市場日益增長的需求，電機需要具備更高的功率密度和轉速。這樣的需求增加了電機的損耗和提升了溫度，可能導致短路、磁體退磁和其他相關問題。電機過熱會導致其性能參數迅速下降，影響功率密度、耐用性和單次充電的駕駛距離。電動汽車常用的電機類型有交流感應電機、開關磁阻電機和永磁同步電機[4]。電機熱管理的兩種常用方法為空氣冷卻、液體冷卻和熱管冷卻技術。

2.3 座艙熱管理要求

駕駛員在行駛過程中的舒適度、注意力集中度和座艙的環境溫度密切相關，溫度不適可能會引發駕駛員疲勞，甚至認知障礙，而使用合理的座艙熱管理技術有助于避免此類問題的發生。座艙熱管理系統須能根據季節變化，精確控制溫度、濕度和風量等關鍵參數，保障車內環境無論在炎夏或嚴冬均能為乘員提供恒定的舒適度。

不同季節對座艙環境的需求不一。在夏天，較理想的車內溫度應介于24～28 ℃，保持40%～65%的相對濕度，并通過0.3～0.4 m/s的氣流速度配合20～25 m3/h的新風量來實現3.0～9.3 kW的熱負荷。而在冬季，則需保持18～20 ℃的車內溫度和超過30%的濕度，同時調整氣流速度至0.2～0.3 m/s，并確保15～20 m3/h的新風量，以保證1.5～6.0 kW的熱負荷[5]。

3.熱管理技術研究現狀

3.1 電池熱管理

電池熱管理技術是確保電池在其理想的工作溫度范圍內工作，這樣有助于減緩電池老化，并大幅提升其安全性。電池熱管理技術主要涉及冷卻和加熱兩個功能，如圖1所示。

3.1.1 電池冷卻

a.電池風冷[6-7]：風冷主要有兩種形式，一種是通過利用車輛運動產生的風進行被動自然對流散熱（圖2a），另一種是借助風扇產生的主動強制氣流散熱（圖2b）[8]。自然對流相對操作簡便和成本低廉，但受限于風速不可控，散熱效果十分有限。而風扇強制對流的可靠性更高，成為較為普遍的冷卻方式選擇。盡管如此，強制對流也存在電池單元內溫度一致性的問題，電池單元溫度梯度變化較大，不利于電池穩定工作。

b.電池液冷：相較于風冷技術，電池液體冷卻技術（圖3）[9]。通過使用較高熱傳導能力的冷卻液（如水或乙二醇），更高效地把電池產生的熱量帶走。這種技術分為直接液冷和間接液冷[10]。在直接液冷中，例如沉浸式液冷，是將電池與其他發熱部件完全浸入冷卻液中，降低了噪音和能耗，同時也更好地控制了電池的溫度。但是由于系統重量和體積相對較大，以及在保持電池防水性能和避免電氣短路方面的高要求，這使其在電動汽車中的應用受到限制。而間接液冷則通過特定部件，如冷卻板，來達到冷卻效果。電池產生的熱量通過中間部件再傳遞給冷卻液。間接液冷技術因其易于實施和較高的安全性，成為目前應用較為廣泛的電池冷卻技術。

c.相變材料冷卻：相變材料（Phase Change Material，PCM）能夠利用相變過程中的熱量吸收或釋放，自動調節溫度，從而穩定電池的工作溫度[11]。PCM材料可以分成三種類型：有機材料，如石蠟、烷烴和有機酸；無機材料，如水溶液、鹽類水合物和熔融鹽；共晶相變材料，一種由有機和無機組成的復合材料。實際應用中，大多采用成本較低的工業石蠟作為相變材料。有機材料雖化學穩定性好，但導熱性差；無機材料則具有更寬的溫度應用范圍和更好的儲熱性能，但可能面臨相分離和腐蝕問題；共晶相變材料，比如石蠟與膨脹石墨的混合，通過添加納米粒子等填充劑，不僅提升了導熱率，也增加了相變潛熱，從而改善了熱管理效果。

d.熱管冷卻：熱管冷卻技術是一種基于相變傳熱的高效熱管理技術，可以迅速將熱量從電池內部轉移出去（圖4）[12]，有效降低電池組的溫度[13]。熱管內部的工質選擇如水、乙二醇或丙酮等。熱管冷卻系統的主要優點包括高熱傳輸效率、體積小和重量輕，使其在電動車電池熱管理中尤為適用。但熱管的制造成本相對較高，且其性能在很大程度上依賴于精確的設計和制造，如冷凝端的布置必須合理以確保最大的散熱效率。此外，熱管的布置和接觸面的設計也需確保充分的熱接觸，以避免因接觸不良導致的溫度分布不均。

e.制冷劑直接冷卻：直冷技術主要通過利用制冷劑的相變潛熱來散熱，與被動式的PCW冷卻技術不同，直冷技術屬于主動制冷。制冷劑直接流過電池模組或單體，通過其蒸發過程吸收熱量，從而快速降低電池的工作溫度。這種系統包括壓縮機、蒸發器、冷凝器以及節流裝置等組成部分，其中冷板充當蒸發器的角色，通常置于電池模組底部。與風冷和液冷技術相比，直冷系統的散熱效率顯著高出許多，結構也更為緊湊[14]。

3.1.2 電池加熱

a.PTC加熱：正溫度系數熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient， PTC）廣泛應用于新能源汽車電池加熱技術中，PTC的核心特性是當電池溫度低于特定閾值時，PTC的電阻較低，允許較大電流通過以加熱電池。一旦溫度超過設定閾值，其電阻急劇增加，自動減少電流流動，有效防止電池過熱。PTC熱敏電阻通常由聚合物或陶瓷材料制成。除了其自限溫性的優點，PTC成本低且結構簡單，易于整合進現有電池管理系統。但PTC加熱是一種電加熱方法，會增加動力電池能耗，降低續駛里程[15]。

b.熱泵加熱：熱泵技術原理類似于傳統汽車的空調系統，通過制冷劑循環系統進行熱能的轉移。同時其還可以實現加熱功能，將空氣中的熱量通過制冷劑進行吸收，制冷劑在高壓下變成高溫高壓氣體，然后通過壓縮機進行壓縮，產生高溫高壓的制冷劑氣體，釋放出熱量。這部分熱量通過熱交換器傳遞給電池和座艙內，起到加熱功能。在夏季，工作原理正相反，通過制冷劑的蒸發和冷凝，將車內的熱量排出，實現空調降溫的功能[16]。熱泵技術能夠高效地利用空氣中的熱量，不需要使用傳統的電加熱器或者空調制冷器，從而減少能源的浪費，提高能源利用效率，還能夠節省大量的電能，從而延長電池的續航里程。

3.2 電機熱管理

a.定子冷卻：通常有風冷和液冷兩種方式。其中風冷通常用于熱密度相對較低的電機。這類電機外部殼體表面常設有散熱片以增加外殼與環境空氣間的熱交換面積，可以通過散熱片的幾何尺寸優化來有效提高冷卻效果[17]。液冷技術則是通過設置液體流動通道直接圍繞定子，利用液體的高熱容和熱導率傳遞熱量，通過優化冷卻通道的形狀和流速來增強冷卻效果，確保電機在最佳溫度下運行，提升其性能和延長使用壽命。

b.繞組冷卻：按繞組的位置可分為槽內繞組冷卻和端部繞組冷卻兩種。槽內繞組直接與電機的磁鐵和電流相互作用，是熱量產生的主要位置之一。將冷卻通道集成到槽內可以直接將熱量從源頭帶走。例如，一些設計中采用微通道冷卻技術，將極細的冷卻通道嵌入到繞組內部，以提高冷卻效率和減少熱阻。端部繞組冷卻通常使用液體冷卻方法。

c.轉子冷卻：轉子冷卻技術面臨的挑戰主要在于轉子的旋轉性質。一種常見的方法是使用中空軸設計，通過軸內部的冷卻通道引導冷卻劑，如油或水。這種設計不僅可以有效地管理轉子產生的熱量，還可以通過油的循環利用帶走熱量，達到冷卻的目的[18]。

3.3 座艙熱管理

新能源汽車的乘員艙熱管理系統在確保乘客舒適度、提升能源效率以及延長電動汽車續航里程方面起著至關重要的作用。對于夏季制冷，系統主要通過蒸發循環來降低溫度，而冬季取暖則涉及多樣化的技術應用。

在電動汽車的早期階段，座艙熱管理主要依靠PTC加熱器，該技術雖能迅速提供熱量，但因能效比低而效率不高，這直接影響了電動汽車的續航里程[19]。隨著技術進步，熱泵系統因其更高的能效比而逐漸取代了PTC加熱方式，顯著提升了制熱效率，并理論上能顯著延長電動汽車在冬季的續航能力。

然而，熱泵系統在高寒環境下會面臨效率降低的問題，主要是由于極低溫導致冷媒蒸發壓力和吸熱量減少。為了應對這一挑戰，一般采用廢熱回收、除霜等多項技術以提高熱泵在低溫下的性能。尤其是廢熱回收技術，通過使用電動汽車動力電池和電機運行過程中產生的余熱，進一步提高了系統的熱效率。同時，新興的座艙熱管理技術如相變材料儲能和太陽能增益捕獲技術正在逐步開發中。相變材料通過在車內溫度過高時儲存熱量，在溫度過低時釋放熱量以調節車內溫度。太陽能增益技術試圖通過車頂太陽能板收集太陽能，為熱管理系統提供額外能源。

4 熱管理技術的發展趨勢

新能源汽車熱管理技術的發展正朝著更高的整合度、模塊化、智能化以及不斷探索新技術的方向迅速演進。這些發展趨勢不僅響應了電動汽車行業對效率和性能的嚴格要求，也體現了對環境影響的深刻考慮。

a.整車熱管理一體化：隨著科技的進步，熱管理系統正朝向一體化、集成化發展，這涉及電池管理、座艙環境控制以及電機的溫度調節。一體化熱管理系統通過協調車輛的所有熱源和熱負荷，優化整個系統的熱效率，達到降低能耗和提高車輛的續航能力的目的。

b.結構模塊化：通過推廣標準化和互換性強的組件，顯著優化了整個熱管理系統的設計和功能實現。模塊化設計不僅簡化了制造過程，還降低了后期的維護難度和成本。同時可以推動跨車型的部件共享，加速了新技術的推廣應用。

c.控制智能化：通過結合先進的傳感器、控制算法和數據分析等手段，智能化系統可根據實時運行數據和外部環境變化自動調整，優化能效，提高乘坐舒適度，還可預測維護需求，降低故障率，延長組件壽命。

d.新技術探索：隨著新材料和新技術的不斷涌現，新能源汽車熱管理系統也在不斷探索創新解決方案，比如太陽能增益技術和余熱回收技術。這些技術不僅能提高能源利用率，還能降低環境影響。

5 結語

本文全面探討了新能源汽車熱管理系統的需求、熱管理技術現狀以及未來的發展趨勢。通過多種技術創新，熱管理系統不僅能提升電動汽車的整體性能，還能顯著提高能效和乘客舒適度。面對全球碳減排的壓力和環保要求，新能源汽車的高效熱管理技術不僅能提升電動汽車的續航里程和性能，還有助于降低能源消耗和環境影響。展望未來，隨著材料科學、傳感器技術以及數據處理能力的進步，預計新能源汽車的熱管理技術將更加高效、智能和環境友好。

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作者簡介：

李鈺，男，1989年生，助教，研究方向為新能源汽車。

基金項目：山西工程職業學院2022年度院級課題“新能源汽車發展現狀及關鍵技術研究”（KY2022-09）；山西工程職業學院2024年度橫向技術服務項目“工程機械質量管理技術服務”（HX-202459）