新能源汽车热管理研究综述

马浩然，李佳辉，毕 崟

（湖北汽车工业学院 汽车工程学院，湖北 十堰 442002）

随着我国对新能源汽车技术的不断支持，发展新能源汽车成为了我国汽车发展的重要举措并取得了显著成果，被全球广泛认为是一次成功的国家战略[1]，纯电动汽车的运行是以电作为能源的，通过电动驱动系统来驱动车辆[2]。因此，新能源汽车的热管理系统与传统燃油汽车的热管理系统上有很大的差别，新能源汽车是电池和电机在工作中产生热量，而传统燃油车是发动机产生热量。新能源汽车热管理系统需要对温度进行精确控制，主要是座舱温度、电池温度和动力总成温度，因此，新能源汽车热管理系统会更加复杂。对于新能源汽车来说解决新能源汽车的续航里程和乘坐舒适性的矛盾，是新能源汽车急需要解决的问题[3-4]。

1 座舱热管理（汽车空调）概述

空调系统是汽车热管理的关键，无论是驾驶员还是乘客都希望追求汽车的舒适性，汽车空调的重要功能是通过调节汽车乘员舱内的温度、湿度和风速，使乘员舱达到一个舒适的驾驶和乘坐环境。主流的汽车空调的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。所以汽车空调对车厢内空气调节和乘员的舒适性起着非常重要作用。

1.1 传统燃油汽车空调系统及工作原理

传统燃油汽车空调主要由蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀四个部件构成[5]。

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气态冷媒，压缩机在燃油汽车上一般都安装在发动机上，通过发动机驱动而使压缩机工作。

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。

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态冷媒。

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，将中温高压的液态冷媒通过膨胀变成低温低压的液态冷媒，从而使冷媒进入到蒸发箱中吸收车厢内的热量。

汽车空调由制冷系统、制热系统和通风系统组成，这三个系统组成了汽车空调的总成。传统燃油汽车制冷的原理就是压缩、冷凝、膨胀、蒸发这四个步骤，如图1 所示。通过这四个步骤一直反复循环，就可以保证制冷系统的运行。然后蒸发箱持续不停给座舱制冷。

图1 汽车空调原理图

传统燃油汽车制热的原理是利用汽车发动机的余热对汽车座舱加热，首先从发动机冷却水套中出来的温度较高的冷却水进入到暖风芯体中，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，用于座舱加热或车窗除霜，冷却水离开加热器后又回到发动机中，完成一次循环。

1.2 新能源汽车空调系统及工作原理

由于新能源汽车和传统燃油汽车的驱动装置不同，燃油汽车空调压缩机由发动机驱动，新能源汽车空调压缩机由电机进行驱动，所以新能源汽车上的空调压缩机不能使用发动机进行带动，则转而使用电动压缩机进行冷媒的压缩。新能源汽车基本原理与传统燃油汽车的相同，利用冷凝放热，蒸发吸热给乘员舱进行降温，仅仅是其压缩机改为电动压缩机，目前主要使用涡旋结构压缩机对冷媒进行压缩[6]。

新能源汽车的制热模式和传统燃油汽车大有不同，由于传统燃油汽车制热模式是将发动机的余热通过冷却液传到车厢内给车厢内进行升温，但是新能源汽车没有发动机，就不存在发动机给车厢进行加热的过程，因此，新能源汽车采用了其他的制热模式给车厢进行加热。以下给出了几种新能源汽车空调制热的方式。

1）半导体制热系统：半导体制热器是由半导体元件和接线柱来进行降温加热功能[7]，该系统中热电偶为降温制热基本元器件，其结构如图2 所示。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舱内部进行加热。半导体制热的主要优点是可以快速地加热车厢，主要缺点是半导体加热会消耗大量的电量，对于需要追求续航里程的新能源汽车来说，其缺点是致命的。因此，不能满足新能源汽车对空调节能的要求。也更需要人们对于半导体加热方式进行研究，设计出一种高效节能的半导体加热方式。

图2 半导体制热原理图

2）正温度系数热敏电阻（Positive Temperature Coefficient, PTC）风暖加热：PTC 主要部件是热敏电阻，通过电热丝进行加热，是直接将电能转变成热能的装置。PTC 风暖加热体系就是将传统燃油汽车的暖风芯体变成PTC 风暖加热器，使用风机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汽车的能量消耗也比较大。

3）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，但是水暖系统是先通过用PTC 加热冷却液，将冷却液加热到一定温度后，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PTC风冷来说更加可靠安全。

4）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，但是热泵空调可以实现座舱制热和制冷的转换[8]，其原理如图3、图4 所示，通过一个四通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热，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量产。

图3 热泵空调制冷原理图

图4 热泵空调制热原理图

2 动力系统热管理概述

汽车动力系统的热管理分为传统燃油汽车动力系统的热管理和新能源汽车动力系统热管理，现在传统燃油汽车的动力系统热管理已经非常成熟，传统燃油汽车是以发动机为动力的[9]，所以发动机的热管理就是传统汽车热管理的重点。发动机的热管理主要包括发动机的冷却系统，汽车系统中超 30% 的热量需要由发动机冷却回路释放，避免发动机在高负荷运转状态下过热[9]。利用发动机的冷却液对车厢进行热循环。

传统燃油汽车的动力装置由传统燃油车的发动机、变速器组成，而新能源汽车以电池、电机、电控组成，两者的热管理方式发成了很大的变化，新能源汽车的动力电池的正常工作温度范围为25～40 ℃[10]。因此，电池的热管理既需要对其进行保温又要对其进行散热。同时电机的温度也不能过高，如果电机的温度太高的话就会影响到电机的使用寿命[11]，因此，电机在使用过程中也需要进行必要的散热措施。以下分别对电池的热管理系统和电机电控等部件的热管理系统的介绍。

2.1 动力电池热管理系统

动力电池的热管理系统基于不同的冷却介质主要分为风冷、液冷、相变材料和热管冷却[12]。不同的冷却方式其原理和系统结构大有不同。

1）动力电池风冷：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着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，空间占用比大，噪声问题严重。

2）动力电池液冷：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，液冷冷却也被大量的商业利用。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，维护成本高。

3）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的温度保持不变。因此，PCM 具有较大的热能储存容量，同时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。但是对于汽车动力电池的应用仍处于研究状态。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，而其它的部位未融化，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潜力的发展方案。

4）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。热管的一段为蒸发端，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。

5）制冷剂直接冷却：直接冷却是利用R134a制冷剂等冷却剂蒸发吸热原理，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。直冷系统冷却效率高，制冷量大。

以上为五种动力电池的热管理的主流的方式，其各自的优缺点如表1 所示。

表1 动力电池冷却系统的优缺点

2.2 电机、电控热管理系统

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为了热能[13-14]。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。其中在汽车上被应用最广泛的还是风冷、液冷这两种方式[15]。

1）电机、电控风冷：其风冷换热通常使用翅片加大了其换热面积，换热效率变高，工艺简单价格低廉，在小型电机的上应用广泛，电机、电控的风冷系统和动力电池的风冷系统一样都可以分为自然风冷和强制风冷，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、电控进行强制风冷措施，其中风机的功率可以根据电机的功率发热量进行选择。

2）电机、电控液冷：液冷系统就是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%）[16]。电机液冷的管路图有4 种，如图5 所示。

图5 电机液冷系统的管路图

3）蒸发冷却技术：蒸发冷却技术最早由荷兰的科学家提出[17]，我国也从1958 年开始研究蒸发冷却技术，至今已经有60 多年的时间，但是蒸发冷却技术一直被用于建筑领域、数据中心和水电站的大型水轮发电机冷却，三峡地下电站有两台机组采用HFC-4310 为介质，利用高绝缘、低沸点液体沸腾吸收汽化潜热进行冷却的一种自循环冷却系统，该系统用在700 MW 的巨型水轮发电机上属世界首例[18]。图6 为蒸发冷却原理图。但是蒸发冷却技术基本上没有用在小型电机上，例如纯电动汽车的驱动电机上没有使用过蒸发冷却技术。因此，蒸发冷却技术应用于新能源汽车的制冷是一个新的应用领域。

图6 蒸发冷却系统原理图

新能源汽车的电池、电机和电控的热管理系统对新能源汽车的安全性是非常重要的，保证电池、电机和电控工作在一个安全的温度环境是非常必要的，对于上述的各种热管理系统来说，不仅只能单独工作，也可以耦合在一起进行工作，组合式的模式也可以达到更好的效果，这就需要研究人员深入研究和开发。

3 典型车型的热管理技术概述

3.1 特斯拉Model Y 热管理系统

特斯拉是一家专注于研发新能源汽车的公司，也是行业的领头羊，因此，特斯拉在新能源汽车热管理系统上的产品也是不断更新，特斯拉公司在Model Y 车型上首次采用了全新的热泵空调系统，这是特斯拉的第四代也是最新一代热管理系统，可以实现多种模式下的热管理，并且特斯拉热泵空调的控制更加复杂，集成化程度高，维修更加便利[19]。

新能源汽车将电池热管理系统和高效暖通空调等进行集成是新能源汽车热管理系统的趋势[20]。特斯拉的第四代汽车热管理系统就是将电池的热管理和座舱的热管理集合起来，将整车的热源利用起来，并且在外界温度高于冷却液温度时还可以将外界的热量吸收进车内进行利用。如图7 所示为特斯拉热管理系统原理图。

图7 特斯拉热管理系统原理图

从图中可以看出特斯拉的这款热泵空调系统开创性的使用了一个八通阀，通过车载电脑控制八通阀旋转使电池系统、动力系统，产生了多种工作模式。可根据环境温度与电池温度自动规划热泵系统的加热程度，启用不同的加热模式。这种热管理系统还对动力系统增加电驱回路换热器，可以在冬天将三电系统废热回收利用到热泵系统为乘员舱服务，在乘员舱没有人时，回收乘员舱热量到三电系统进行保温。控制系统还可以对风机的转速、风门的开度以及压缩机输出的功率进行调节[21]，可以使空调系统更加舒适，使热管理系统更加高效和热能利用更加合理。

3.2 比亚迪汉、唐热管理系统

比亚迪是我国的自主品牌汽车，也是全世界第二大充电电池生产厂家，因此，比亚迪在电动汽车上的研发投入很大，2022 年3 月起比亚迪公司停止燃油汽车的生产，专注于纯电动汽车和插电式混合动力汽车的研发。比亚迪新能源汽车在热管理技术上面也有一定的成果。

比亚迪纯电动车型汉、唐的电池热管理系统采用的是水冷换热，利用空调系统电子膨胀阀及电池包冷却；电池加热采用PTC 水加热器进行冷却液加热。电池热管理设置三档需求，可以满足空调及电池冷却的不同优先级。空调采暖PTC 直接进行加热，能量利用率高于PTC 水暖，但耗能很高。图8 所示为比亚迪汉、唐热管理系统原理图。

图8 比亚迪汉、唐热管理系统原理图

在研发方面，比亚迪410 A 热泵系统已经通过试验可以达到-10 ℃采暖要求。比亚迪也研制出电池包直冷直热及增焓热泵技术，增焓热泵可以满足汽车在更低的温度下进行采暖，也正进行实车试验。

3.3 丰田CHR EV、Prime 热管理系统

丰田CHR EV 电池热管理系统通过空调系统蒸发箱及鼓风机带动空气循环进行动力电池制冷，加热系统则采用12 V 铅蓄电池供电，通过电热丝发热的原理对电池单元进行升温。而空调采暖采用PTC 控制模块+冷却板构成空调水暖。图9为丰田CHR EV 热管理系统原理图。

图9 丰田CHR EV 热管理系统原理图

丰田Prime 采暖采用的热泵系统借鉴了一个来自固定式商用车的概念，即采用制冷剂气液分离器和制冷剂注气回路的设计，从而将热泵有效工作的最低温度极限降低至-10 ℃。

丰田公司还提出了一种吸附式热泵系统的专利，用于提高制冷剂与冷却液的热交换效率。

3.4 广汽Aion S、Aion LX 热管理系统

广汽埃安是广汽集团旗下的新能源汽车品牌，致力于打造高端科技的新能源汽车，其在热管理技术上也有一定的成果。

广汽Aion S 电池加热及空调制热采用的PTC模块制热，电池冷却则采用水冷模块与空调模块进行水冷换热，三合一电驱动总成和车载充电机（On Board Charger, OBC）单独具有水冷换热循环，且具备余热回收模式，低温时系统会将电驱余热引入电池保温。

广汽Aion LX 的温控4.0 系统相比于Aion S上的系统进一步升级，准备了全球首创双层流热泵空调系统，既避免低温结霜又保证了乘员温暖感。在0～10 ℃低温环境下，该系统的搭载使用能有效增加车辆纯电续航里程。

广汽埃安提出一项专利，在热泵电池直冷直热上进行布局，并对电池温度控制进行详细说明，该温度控制方案可构成电池温度控制的核心理论技术。

3.5 几何C 热管理系统

几何汽车是吉利汽车集团旗下的独立高端纯电品牌，是与吉利品牌、领克品牌并行的一级子品牌。几何C 是吉利汽车集团中高端纯电品牌几何汽车推出的首款运动型多用途汽车（Sport Utility Vehicle, SUV），是2022 年杭州亚运会官方指定用车，是几何+开源共享平台的首个载体。几何C 搭载由几何汽车自主研发、行业首创的SEM智能能量管理系统，续航精准度接近100%，续航最大提升40%。

几何C 的乘员舱采用的热泵空调技术，动力电池的热管理控制系统的循环体系中包含了一组为电芯提供高温散热伺服的水冷板控制模块和一组为电芯提供低温预热伺服的PTC 控制模组，搭载了ITCS3.0 电池液冷温控管理系统，可以让电芯单体的温差控制在±2 ℃以内。图10 为几何C 热管理原理图。

图10 几何C 热管理系统原理图

3.6 小鹏P7 热管理系统

小鹏P7 作为小鹏汽车的第二款纯电动车型，整车热管理系统采用一体化储液罐设计和单PTC加热方案，利用一个四通阀实现整车系统级的热循环，图11 为小鹏P7 热管理系统原理图。

图11 小鹏P7 热管理系统原理图

这一套方案的特点是使用了一体化储液罐设计，电机、电池、乘客舱三者的膨胀罐一体化设计，变为一个膨胀罐总成，减少零部件数量，可以降低成本。同时也让余热进行循环利用，利用一个四通阀，将电机冷却水路与电池温控水路串接，利用电机余热加热电池，降低系统能量损失。可变进气格栅的设计，可根据工况和机舱温度，智能调节进气格栅开度，实现机舱保温和降低风阻，提升余热回收效率和增加续航里程。

3.7 威马EX5 热管理系统

威马EX5 搭载了全新的威马热管理2.0 系统，提出了主动冷却、电加热以及柴油加热系统，其中柴油加热系统用来应对零下30 ℃以下的极寒环境。图12 为威马热管理2.0 系统。

图12 威马热管理2.0 系统图

这一套热管理系统的亮点是，电池包使用了独立的液冷回路，保证了电池包温度控制更加精确，使电池温度更加均匀，提高电池寿命。柴油加热器的应用除了对电池进行加热外还可以协助空调系统对乘员舱进行加热。

3.8 理想ONE 热管理系统

理想ONE 汽车为增程式混合动力汽车，因此，理想ONE 除了要对电池、乘员舱和电驱系统进行热管理外还要对增程器进行热管理，四大板块紧密协助，达到高效的热利用。图13 为理想ONE热管理系统原理图。

图13 理想ONE 热管理系统原理图

理想ONE 热管理系统技术亮点是多向流量控制阀精确地按比例开闭实现增程器、电池组和空调三套循环系统间热量的精确传递和利用，实现能量的高效利用。极致的无级调节，小到流量控制阀、水泵，大到空调压缩机，前端冷却模块上的散热风扇，都能通过整车控制器（Vehicle Control Unit, VCU）实现功率无级调节，保障电池、增程器、电动机工作在最适宜的温度。先进的前端冷却模块，集成了冷凝器、低温散热器、高温散热器、中冷器和散热风扇五个模块的前端冷却模块。

以上介绍了国内外几种新能源汽车的热管理技术，每个公司每个车型都有自己的热管理技术，但随着技术的发展，科研人员和工程师们一定可以使新能源汽车的续航里程和乘坐舒适性的矛盾得出最优解决方案。

4 总结

新能源汽车热管理是一种不同于传统汽车的汽车热管理系统，目前新能源汽车热管理系统的技术和市场都还是处于起步阶段，随着科研人员的更进一步的研究，新能源汽车热管理系统都会向着整车热管理一体化的方向发展，会统筹协调好座舱和动力系统的热管理，以及对车内各个主要地方的温度监测和一体化控制，最大化程度利用好汽车内以及外环境中的热量。提高新能源汽车使用过程中的安全性，提高电池能量的利用效率达到节能的目的，提高新能源汽车的续航里程，最终提高乘员的舒适性和顾客的满意程度。