電動汽車熱管理系統(tǒng)設計及應用進展

黎帥

電動汽車熱管理系統(tǒng)設計及應用進展

黎帥

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

電動汽車的熱管理直接關系到電池電機的性能和使用時的安全。電動汽車行駛時，電機需要冷卻，乘員艙和電池溫度需要保持在適宜的水平，熱量在前端冷卻模塊中耗散至空氣。文章在分析電動汽車的冷卻考核工況，重要零部件熱負荷情況的基礎上，對格柵、導流密封、前端模塊等結構特點進行了分析，比較了多個暢銷車型的熱管理回路，分析了其優(yōu)缺點。

電動汽車；熱管理系統(tǒng)；前端模塊；回路設計

引言

燃油車的巨大保有量給化石資源和大氣環(huán)境帶來了很大壓力。隨著排放標準的日益嚴苛，更加綠色清潔、零排放的電動汽車正越來越引起人們的重視。電動汽車通常采用高功率密度電機，各種電子電器和電池在運行過程中發(fā)熱量較高，而車廂的安裝空間狹小，惡劣復雜的工況也加劇了散熱的困難性。電動汽車出現(xiàn)冒煙和起火事故屢見不鮮，對電動汽車的熱管理系統(tǒng)進行合理設計至關重要。

文獻[1]總結了電動汽車中熱管理相關的三大熱管理系統(tǒng)，即空調(diào)回路、電池回路、電機回路。文獻[2]梳理了電動汽車電機冷卻系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，比較了風冷系統(tǒng)和液冷系統(tǒng)的結構和特點。文獻[3]分析了動力電池的冷卻方式。文獻[4]在2017年比較了BWM i3、model-S等國外電動車和榮威E50、帝豪EV等國內(nèi)電動車冷卻系統(tǒng)的構型，對國內(nèi)電動車改進系統(tǒng)能量利用和提高續(xù)航里程提供了建議。文獻[5]研究了需冷卻電器散熱量和對冷卻液的溫度要求，通過改變電器的布置順序減少了對散熱器散熱能力的要求。文獻[6]對電動汽車動力系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)控制流程進行一維仿真，通過控制風扇檔位和水泵PWM，減少用電功率，增加整車5km續(xù)航。文獻[7,8]搭建了完整的電動汽車一維冷卻系統(tǒng)模型，實現(xiàn)了對冷卻系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。文獻[9,10,11,12]采用三維仿真的方法對機艙和電池的溫度場進行了研究。

近年來，自主品牌量產(chǎn)電動汽車的熱管理系統(tǒng)應用有了很大的進展，但是鮮見于文獻。本文主要介紹了電動汽車冷卻考核工況，熱管理系統(tǒng)組成、典型車輛的熱管理風側設計，典型車輛的熱管理水側和液側設計對比分析了各自的優(yōu)缺點，描述了目前面臨的主要研究問題，并在此基礎上對電動汽車用電機冷卻系統(tǒng)進行進一步探討。

1 電動汽車的冷卻考核工況（熱平衡）

現(xiàn)行的推薦標準《GB/T 12542-2009 汽車熱平衡能力道路試驗方法》規(guī)定了測定裝有發(fā)動機汽車，測定熱平衡能力的道路試驗方法。

電動汽車的冷卻性能考核尚無國家標準，一般汽車制造商會要求在高溫大負荷工況下，電機冷卻回路中的水溫低于65°C，電池最高溫度小于55°C。高溫大負荷環(huán)境模擬工況可設計如下，濕度40-50%，光照1100W/Km2，車速可設置如下，①環(huán)境溫度40°C，以40km/h在7.2%坡度路面行駛30min；②環(huán)境溫度45°C，以120km/h在3%坡度路面行駛30min。

2 重要零部件的熱負荷（空調(diào)、電機、電池）與冷卻方式

通常電動汽車熱管理系統(tǒng)主要由四部分組成，即電機冷卻回路，空調(diào)回路，電池回路，采暖回路。

冷卻回路的零部件包括電驅(qū)動散熱器、水壺、電動水泵、充電機（OBC）、DC/DC、電機控制器、永磁同步電機，由冷卻管路依次連在一起。目前應用較多的冷卻劑是由水、乙二醇、抗腐蝕與抗泡沫添加劑配比組成的混合溶液，大大降低了冷卻液的凝固點，可使電機有效地防凍，還具有防腐防水垢的功能。

空調(diào)回路包括冷凝器，壓縮機，膨脹閥，發(fā)器。

電池適宜的工作溫度為25-50°C，否則電池的性能將出現(xiàn)明顯的下降。因此需要在高溫和嚴寒條件下，能對整個電池冷卻液回路進行冷卻和加熱。

電動車沒有發(fā)動機這一穩(wěn)定的熱源，冬天乘員艙采暖時需要高壓PTC（Positive Temperature Coefficient）提供熱量。

3 典型車輛的熱管理風側設計

車輛運行過程中產(chǎn)生的熱量最終在前端冷卻模塊處耗散至空氣中。對于純電動汽車來說，前端冷卻模塊一般只包含電驅(qū)動散熱器、冷凝器和散熱風扇，有的還有電池慢冷散熱器。一般而言，提高風側的對流換熱系數(shù)是提高前端模塊冷卻效率最有效的方法。為了降低整車的風阻，電動汽車往往只開了下格柵（如圖1所示），有時也在上格柵開很小的孔，如比亞迪元和榮威Ei5開孔的高度都不足10mm。

圖1 典型車輛的下格柵開口形狀

為了降低被前端模塊加熱的氣流回流至前端模塊的前方，再次經(jīng)過前端模塊被反復加熱，近年來往往會增加導流密封的設計（如圖2所示）。在前端模塊和前保險杠間增加導流罩，如圖所示，并在冷凝器和散熱器間增加密封棉。這樣做的好處一方面避免了熱風回流，另一方面可以減少格柵進入的氣流不經(jīng)過前端模塊造成的漏流。

圖2 典型車輛的導流板

前端冷卻模塊的布置構型對風側的影響也較大。有研究表明冷凝器放在前面，散熱器放在后面的構型，冷凝器進風溫度較低，冷卻氣流被冷凝器加熱后進入散熱器，散熱器要做的較大較厚才能滿足散熱的需求。散熱器放在前面，冷凝器放在后面的構型，散熱器可以做的較小，冷卻氣流被散熱器加熱后進入冷凝器，但是隨著冷凝器進風溫度升高，造成冷凝壓力升高。一方面空調(diào)的性能降低，壓縮機的振動變強；另一方面，增大空調(diào)回路的負荷，造成耗電量增加。

比亞迪元、榮威Ei5、帝豪Gse整車尺寸重量、下格柵尺寸和芯體尺寸（手工測量）分別如下表1所示。

表1 典型車輛的整車參數(shù)

4 典型車輛的冷卻回路水側設計

零部件既有冷卻的需求，同時也有散熱的需求，傳統(tǒng)的冷卻回路水側通過一個回路將電驅(qū)動相關的部件串聯(lián)在一起，如榮威Ei5（見圖3所示）。

圖3 榮威Ei5冷卻回路

2018款榮威Ei5另一個特點是電池風冷，并用了熱泵空調(diào)。因此不需要乘員艙采暖回路，電池冷卻和加熱回路。2019款的榮威Ei5電池取消了風冷，已采用冷卻液冷卻。

比亞迪元的電機冷卻回路與榮威Ei5大致相同?？照{(diào)回路由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器組成。電池采用快冷方式，電池回路的熱量通過板式換熱器（Chiller）將熱量交換到空調(diào)回路中，最終在冷凝器處耗散到空氣中，冬天使用時，動力電池和乘員艙都有加熱需求。比亞迪元設計了一個通過四通換向閥將電池冷卻回路和暖風回路串聯(lián)或者并聯(lián)，如圖4所示，紅色線條是暖風回路，黑色線條是電機和電池的冷卻回路，藍色線條是空調(diào)的冷媒回路。動力電池有冷卻需求時，四通閥的方向沿實線，電池和暖風為兩個獨立的回路。有共同的采暖需求時，四通閥的方向沿虛線所示，電池和暖風組合成為一個串聯(lián)的回路。

圖4 比亞迪元熱管理回路

此方案較為合理，控制簡單，成本較低，可以為電池回路節(jié)省一個水壺和一個PTC，具有良好的效果。

吉利帝豪Gse設計了一個復雜的板式換熱器chiller（如圖5所示），紅色線條是暖風回路，黑色線條是電機和電池的冷卻回路，藍色線條是空調(diào)的冷媒回路。一方面電池回路中的熱量可通過chiller交換到空調(diào)回路中；另一方面暖風回路中的熱量可通過chiller交換到電池回路中，巧妙地實現(xiàn)了對電池的冷卻和加熱。該冷卻回路的另一設計特色是通過一進兩出的三通換向閥，實現(xiàn)了利用電機中的余熱來加熱電池回路。

圖5 帝豪Gse熱管理回路

在前端冷卻模塊中散熱器布置在冷凝器前，進風溫度較低，可以把散熱器尺寸做的很?。╖向高度為135mm）以節(jié)省成本。

該車型的缺點是Chiller工藝和控制復雜。此部件無法通過鑄造的方式生產(chǎn)，需要數(shù)控機床銑出，并使用釬焊安裝金屬的水管連接口，有兩個電磁閥控制管路的通斷，預計生產(chǎn)成本較高。

以上三款電動車的熱管理系統(tǒng)設計都體現(xiàn)了自主品牌較高的設計水準和良好的創(chuàng)意，具有良好的借鑒意義。

5 結論

隨著產(chǎn)銷量持續(xù)增長，電動汽車具有良好的發(fā)展前景。采用不同的方法關聯(lián)配合電動汽車上的熱管理系統(tǒng)，合理進行熱管理系統(tǒng)的設計可以在減重降本的基礎上，保證整車的使用可靠性和乘坐舒適性，并提高能量的利用效率，增加車輛的續(xù)航里程。自主品牌主機廠近年來在熱管理系統(tǒng)創(chuàng)新設計方面體現(xiàn)出了良好的技術實力。

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[3] 黨超.電動汽車電池熱管理系統(tǒng)研究[J].內(nèi)燃機與配件,2018, 276(24):194-196.

[4] 徐俊芳,牟連嵩,劉雙喜.國內(nèi)外典型純電動汽車空調(diào)系統(tǒng)方案解析[J].汽車與配件, 2017(32):73-75.

[5] 李龍強,李龍飛.串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)在純電動汽車的設計[J].時代汽車,2019(02):109-111.

[6] 張玲,董瑞新,張紅濤.電動汽車冷卻系統(tǒng)設計[J].汽車電器, 2017(2).

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[9] 崔程瑋.純電動汽車多熱力系統(tǒng)耦合動力艙集成分析[D].吉林大學,2017.

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[12] 沈帥.純電動汽車電池箱熱特性研究及熱管理系統(tǒng)開發(fā)[D].吉林大學,2013.

The Design and Application of Thermal Management System for Electric Vehicle

Li Shuai

（GAC Automotive Research & Development Center, Guangdong Guangzhou 511434）

The thermal management of electric vehicles is directly related to the comfort of the human body and the securi -ty in usage. When the electric vehicle is running, the motor needs to be cooled, the passenger compartment and the battery temperature need to be kept at an appropriate level.The heat is dissipated to the air in the front-end cooling module. Based on the analysis of the cooling assessment conditions of electric vehicles and the thermal load of important components, the structural characteristics of the grille, diversion seal and front-end module were analyzed. The cooling circuits of several popular models were compared. According to the main problems currently faced bythermal management system.

electric vehicle; thermal management system; front-end module; cooling circuits

U461

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1671-7988(2019)13-08-04

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黎帥（1992-），男，漢，碩士研究生學歷，就職于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，研究方向為汽車尾氣溫差發(fā)電、發(fā)動機艙熱管理，廣汽研究院熱管理工程師。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.003