【报告7267】一文入门新能源汽车的热管理系统

智能座舱与自动驾驶 · 公众号 · 科技媒体汽车 · 2024-11-01 23:33

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以下为报告全部内容：

新能源汽车，主要包括混合动力汽车（ HEV/PHEV ）、增程式电动车（ EREV ）和纯电动车（ EV ），电力来源主要是锂离子电池，以其节能环保的特性成为了未来汽车产业的主流方向。然而，新能源汽车的技术发展不仅仅是动力系统的转型，同时还有热管理系统的发展与优化。相比于传统的燃油车，新能源汽车特别是电动车（ EV ）对电车的敏感性更高——电池在高温或低温的环境下性能会出现下降，而电机和电子器件在高负荷运转的状态下，同样会出现高温现象。因此，有效地控制车辆相关部件的温度使其在正常的环境温度工况下稳定运行，是新能源汽车的关键技术之一。下面将通过讲述传统燃油车、混合动力汽车、增程式电动车与纯电动车的热管理系统概况，初步解析新能源汽车热管理的现状与未来发展方向。

【传统燃油车】

传统燃油车，其热管理系统相对简单。乘员舱的制冷通过基本的空调循环系统完成，进入 HVAC 的空气与蒸发器的冷媒进行换热，空气被冷却降温；采暖则是利用发动机的余热，同样是空气与暖风芯体流过的高温冷却液进行换热，实现采暖需求。传统燃油车的空调系统有发动机驱动压缩机工作，空调系统不仅用于乘员舱的制冷，在高端车型中还会用于电子器件的冷却；发动机的冷却则是通过冷却液循环系统，将热量带至散热器处，与外部空气进行换热，通常还会搭配水泵、温度控制阀门来对冷却液的循环实现精准控制。

机油不仅对发动机部件进行润滑，同时还能起到冷却的作用。排气系统的热管理也是燃油车热管理的重要组成部分，排气系统产生了大量的高温气体。现代的发动机一般采用废弃再循环系统（ EGR ） , 将部分废气冷却后重新引入燃烧室，以降低排放并减少发动机的热负荷。

【混合动力汽车】

混动汽车主要包含有 HEV 和 PHEV 两种不同类型，前者（ HEV ）不能进行外部充电，电池的电量来源只能由内部提供，后者插电式混动（ PHEV ）则可由内部供电和外部充电两种方式提供电源。混合动力汽车同时都配置了发动机系统、电池系统和电动机系统，因此其热管理系统需要兼顾多方需求，在保留传统燃油车的热管理系统的同时，还需要对电池系统和电动机系统进行热管理。

在混合动力汽车中，发动机冷却系统的设计传统燃油车基本类似，采用液冷方式对发动机进行降温。混动系统的发动机工作时间相对减少，特别是在城市工况下，发动机冷却系统的负荷相对降低。

混合动力汽车的电池热管理系统在不同车型上面，以及电池容量、密度以及使用频次等会有差异。

空冷系统：在一些 HEV 中电池组容量等参数比较小的，发热量较低的情况下，空气冷却系统一般即可满足冷却需求，并且结构相对较为简单，将冷却空气通过风扇引入电池舱，对电池进行降温。
液冷系统：对于 PHEV 或者高性能的混动汽车，液冷系统是基本的配置。液冷系统可以较为精准地控制电池组的温度，冷却液循环带走电池组内部的温度，通过散热器排出车外。

电池的热管理不仅要冷却，还需要加热；特别是在低温环境中，电池的加热同样重要，否则电池的容量就大打折扣；一般使用发动机的余热对电池组进行加热、确保在寒冷气候下电池可以正常工作。

电动机与电子控制系统冷却，其冷却主要是液冷系统的冷却液循环或者内部的冷却通道将热量带走

乘员舱系统：混动动力汽车的空调制冷系统，则是通过电动压缩机的转速调节冷媒回路来实现不同的制冷需求；乘员舱的采暖则是通过冷却液将发动机的热量利用以达到较高温度。

【增程式汽车】

增程式电动车是一种介于混动与纯电动车之间的车型，其动力主要依靠电动机，发电机用于为电池充电。EREV的热管理系统需要同时应对电动机、电池和发电机的热管理需求。

发电机冷却系统：在增程式电动车中，发电机负责在电池电量不足时对电池进行充电。发电机在工作时会产生大量热量，液冷系统用于对发电机进行冷却。发电机的冷却方式与传统内燃机的液冷系统基本一致，通过冷却液吸热并通过散热器进行散热。

电池热管理系统：与纯电动汽车相似，增程式电动车电池组容量相对较大，对电池热管理要求较高。液冷系统是增程式电动车电池热管理的主要选择方案，确保电池在长时间高功率放电和快充时保持温度稳定。

冷却模式：电池在充电和放电过程中都会产生热量，液冷系统通过冷却液循环带走热量，保持电池组处于理想温度范围。
加热模式：在寒冷气候下，增程式电动车的电池加热系统可以利用发电机热量或者水源 P TC加热器，确保电池温度不低于其最佳工作温度。

电动机与功率电子模块冷却：增程式电动车中的电动机与逆变器等电子控制模块都需要可靠的冷却系统来维持其工作稳定性。一般情况下，电动机与电子模块共用一个液冷回路，与混动系统基本一致。

乘员舱系统：增程式电动车的的空调制冷系统，通过电动压缩机的转速调调节冷媒回路来实现不同的制冷需求；乘员舱的采暖则是通过冷却液将发电机的热量利用或者是水源 P TC加热器以达到较高温度。

【纯电动汽车】

纯电动汽车完全依赖电动机驱动，动力来源为大容量电池组。相对于混合动力或增程式电动车，纯电动车的热管理系统更加专注于电池组、电动机和功率电子的热管理，内燃机被完全取代。因此，电池热管理系统（BTMS）成为EV热管理的核心。针对电动车，整车的热管理系统主要区分为非热泵型和热泵型，热泵又区分为直接热泵和间接式热泵。热泵利用了热力学中的逆卡诺循环原理，通过改变制冷剂的流动方向来实现制冷或制热功能。在制冷模式下，热泵系统能够从车内吸收热量并将其排放到车外，实现降低温度的需求；在制热模式下，热泵则从较低温度的车外环境中吸取热量并传输到车内，实现采暖的需求。

非热泵的热管理系统，其乘员舱制冷和电池组冷却主要是沿用传统的冷媒循环回路，采暖或者电池组加热则是通过水源 PTC 对冷却液升温处理，然后进行换热。电动机和相关电子电器的冷却则是利用低温散热器的冷却液循环。

直接式热泵，顾名思义，通过冷媒直接对电池组等进行冷却或者加热的，同时通过四通阀来实现制冷和制热模式的转换。如下图所示，乘员舱和电池组有制冷需求时，室外换热器起到冷凝器的作用，将电池组和乘员舱释放的热量通过冷媒带至外部换热器，释放给外部环境；当乘员舱有采暖需求或者电池组需要加热时，四通阀会调整通道流向，外部换热器就会承担蒸发器的角色，将外部的热量带到乘员舱和电池舱，完成乘员舱的采暖需求和电池的加热需求。直接式热泵不仅简单，同时还具有较高的换热效率。

间接式热泵，热管理系统中乘员舱的加热和电池组的换热均需要通过冷媒与冷却液之间进行换热，进而对乘员舱加热，电池组冷却或者加热。如下图所示，当乘员舱有制冷需求或者电池需要冷却时，室外换热器作为冷凝器，将乘员舱和电池组的热量通过与冷媒换热，释放给外部环境。当乘员舱有采暖需求或电池组加热需求时，室外换热器作为蒸发器，与压缩机之间的 C hiller 作为冷凝器，将热量传递给冷却液，实现对乘员舱的采暖需求和电池组的加热需求。