電動(dòng)汽車集成熱管理研究進(jìn)展

姚孟良，甘云華?，梁嘉林，李 勇

1) 華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640 2) 華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640

日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境污染是當(dāng)今世界面臨的兩大難題[1]. 電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比具有能源利用效率高[2]、污染物排放少等優(yōu)點(diǎn)[3]，能夠有效緩解能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題. 世界各國(guó)都在大力發(fā)展電動(dòng)汽車，我國(guó)“十三五”規(guī)劃中也明確指出：“實(shí)施新能源汽車推廣計(jì)劃，提高電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)化水平. ”溫度是影響電池性能的關(guān)鍵因素[4-5]，電池充放電過(guò)程中溫度過(guò)高可能造成電池腐蝕、分解甚至爆炸[6]，溫度過(guò)低則可能造成電池功率和容量衰減、充放電效率下降[7]. 電動(dòng)汽車夏季制冷時(shí)壓縮機(jī)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，冬季難以利用內(nèi)燃機(jī)余熱供暖[8]. 電動(dòng)汽車所有輔助系統(tǒng)中空調(diào)系統(tǒng)能耗最大[9]，嚴(yán)重影響汽車的行駛里程[10]. 此外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)溫度較高時(shí)，其壽命和效率會(huì)急劇下降[11]. 因此，研發(fā)高效的熱管理系統(tǒng)，使電池、乘員艙、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)處在適宜的溫度范圍內(nèi)是推進(jìn)電動(dòng)汽車發(fā)展的必要措施.

電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)由電池?zé)峁芾?、乘員艙熱管理和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理中的兩個(gè)或三個(gè)子系統(tǒng)組成，各熱管理子系統(tǒng)的性能相互影響，存在復(fù)雜的耦合關(guān)系. 近年來(lái)，電池?zé)峁芾怼⒊藛T艙熱管理和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理都取得了較多的研究成果，然而現(xiàn)有的熱管理研究往往針對(duì)某單一系統(tǒng)展開(kāi)，割裂了各子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，忽視了對(duì)整車層面熱管理系統(tǒng)性能的分析，因此亟需對(duì)電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計(jì). 本文從電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題出發(fā)，首先闡述各熱管理子系統(tǒng)的產(chǎn)熱模型，其次介紹各子系統(tǒng)熱管理的方法，重點(diǎn)分析集成熱管理系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀、運(yùn)行控制和性能評(píng)價(jià)，最后總結(jié)電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)研究中亟需解決的問(wèn)題并進(jìn)行展望.

1 產(chǎn)熱模型

電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)的作用是妥善解決車內(nèi)熱量產(chǎn)生與傳輸?shù)膯?wèn)題，車內(nèi)的熱源主要有電池產(chǎn)熱、空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)熱. 電池和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的產(chǎn)熱量是空調(diào)系統(tǒng)所要考慮的重要因素之一，整車?yán)錈嶝?fù)荷的計(jì)算是空調(diào)系統(tǒng)選型的依據(jù)，因此準(zhǔn)確建立各子系統(tǒng)產(chǎn)熱模型是集成熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的理論基礎(chǔ).

1.1 電池產(chǎn)熱模型

電池產(chǎn)熱模型按原理可分為電化學(xué)?熱耦合模型、電?熱耦合模型和熱濫用模型，本文主要介紹電池在正常工作情況下的電化學(xué)?熱耦合模型和電?熱耦合模型. 從傳熱角度看，電池的產(chǎn)熱、散熱過(guò)程是一個(gè)有時(shí)變內(nèi)熱源的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，其遵循能量守恒方程[12]：

式中，ρ為電池單元的密度，kg?m?3；c為電池單元的比熱容，J?（kg?K）?1；λ為電池單元的導(dǎo)熱系數(shù)，W?（m?K）?1；T為電池單元的溫度，K；τ為時(shí)間，s；q˙為電池單元的產(chǎn)熱率，W?m?3. 由式（1）可知，通過(guò)求解電池導(dǎo)熱微分方程可以解決電池溫度場(chǎng)分布這一傳熱學(xué)問(wèn)題，因此對(duì)電池產(chǎn)熱率的 計(jì)算是求解該熱問(wèn)題的關(guān)鍵之一. 目前最常用的計(jì)算電池產(chǎn)熱率的模型是Bernardi產(chǎn)熱率模型[13]：

式中，I為電流，A；Vb為電池體積，m3；U0為開(kāi)路電壓，V；U為工作電壓，V.

電化學(xué)?熱耦合模型是以電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱為基礎(chǔ)，利用能量守恒定律來(lái)研究電池內(nèi)部的熱特性，進(jìn)而指導(dǎo)電池單體內(nèi)部參數(shù)的微觀設(shè)計(jì). 近年來(lái)主要通過(guò)提高模型維數(shù)[14]、細(xì)化產(chǎn)熱和熱傳遞過(guò)程[15-16]來(lái)研究電池?zé)崽匦裕瑥埩④姷萚17]基于多孔電極理論和溫度場(chǎng)相似準(zhǔn)則提出了電化學(xué)?熱耦合模型的建模思路（圖1），通過(guò)該模型研究電池內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)發(fā)熱分布和溫度場(chǎng)預(yù)測(cè).

電?熱耦合模型通過(guò)計(jì)算電池內(nèi)部電流分布仿真溫度分布，通常用來(lái)指導(dǎo)電池尺寸、電極大小、電極分布和電池組散熱系統(tǒng)等宏觀設(shè)計(jì). 姬芬竹等[18]在Bernardi產(chǎn)熱率模型的基礎(chǔ)上建立了LiFePO4電池三維電?熱耦合模型，其數(shù)學(xué)控制方程分別為：

圖 1 電化學(xué)?熱耦合模型的建模思路與耦合過(guò)程[17]Fig.1 Modeling idea and coupling relationship of electrochemical-thermal coupling model[17]

式中，ρp、ρn、ρr分別為正極片集流體、負(fù)極片集流體和電池極板密度，kg?m?3；Cp、Cn、Cr分別為正極片集流體、負(fù)極片集流體和電池極板的比熱容，J?（kg?K）?1；kpx、kpy、kpz分別為正極片內(nèi)沿x，y，z方向的導(dǎo)熱系數(shù)，W?（m?K）?1；knx、kny、knz分別為負(fù)極片內(nèi)沿x，y，z方向的導(dǎo)熱系數(shù)，W?（m?K）?1；krx、kry、krz分別為電池極板內(nèi)沿x，y，z方向的導(dǎo)熱系數(shù)，W?(m?K)?1；分別為正極片集流體、負(fù)極片集流體和電池極板的產(chǎn)熱率，W?m?3；、分別為正極片集流體、負(fù)極片集流體和電池極板的散熱率，W?m?3；Jp、Jn分別為正負(fù)極片內(nèi)的電流密度，A?m?3；Ip、In分別為流經(jīng)正極片集流體和負(fù)極片集流體的電流，A；Rpp、Rpn分別為正極片集流體和負(fù)極片集流體的等效極化內(nèi)阻，Ω；σcp、σcn分別為正負(fù)極片的電導(dǎo)率，S?m?1；??p、??n分別為正負(fù)極片內(nèi)電勢(shì)差，V；Itp、Itn分別為流經(jīng)正負(fù)極片的電流，A；hp、hn分別為正負(fù)極片的厚度，m；Sp、Sn分別為正負(fù)極片在xy平面內(nèi)的面積，m2. 通過(guò)該模型仿真研究了自然冷卻和強(qiáng)制空氣對(duì)流換熱冷卻下電池的產(chǎn)熱和散熱特性，基于仿真結(jié)果對(duì)出風(fēng)口的位置進(jìn)行了優(yōu)化.

1.2 空調(diào)冷熱負(fù)荷

電動(dòng)汽車?yán)錈嶝?fù)荷的確定以建筑物冷熱負(fù)荷計(jì)算方法為基礎(chǔ)，將汽車視為“運(yùn)動(dòng)的建筑物”，乘員艙視為“移動(dòng)的房間”. 汽車空調(diào)冷熱負(fù)荷計(jì)算方法可分為穩(wěn)態(tài)傳熱法、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)傳熱法和非穩(wěn)態(tài)傳熱法3種[19]. 鑒于影響整車?yán)錈嶝?fù)荷的因素很多，包括氣象參數(shù)、車身結(jié)構(gòu)及材料、車輛速度、乘員人數(shù)、乘員艙電器發(fā)熱量和電池包發(fā)熱量等[20].目前關(guān)于電動(dòng)汽車?yán)錈嶝?fù)荷的計(jì)算通常采用穩(wěn)態(tài)傳熱法，通過(guò)仿真軟件實(shí)時(shí)研究不同參數(shù)的變化對(duì)整車?yán)錈嶝?fù)荷的影響. 葉立等[21]根據(jù)式（13），使用一維仿真軟件探尋影響夏季整車熱負(fù)荷的最大因素，結(jié)果表明前窗玻璃的吸收比、透射比越低，安裝傾角越大，前窗玻璃傳入的熱負(fù)荷越小.

式中，QE、Qe、Qb、Qa、Qp、Qg和Qba分別為乘員艙總熱負(fù)荷、通過(guò)車身圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳入乘員艙的熱負(fù)荷、通過(guò)車窗傳入乘員艙的熱負(fù)荷、車內(nèi)駕駛員及乘客散發(fā)的熱量、新風(fēng)熱負(fù)荷、乘客艙內(nèi)的電器散熱熱負(fù)荷和電池包傳入乘員艙的熱負(fù)荷，單位均為W.

1.3 電機(jī)產(chǎn)熱模型

電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生能量損耗，主要包括鐵芯損耗、繞組損耗和機(jī)械損耗.

目前，計(jì)算電機(jī)鐵芯損耗普遍使用的是Bertotti分立鐵耗模型[22]，其表達(dá)式如下式所示：

式中，等號(hào)右側(cè)三項(xiàng)分別為磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗，f為交變磁場(chǎng)頻率，Hz；B為基波磁通密度幅值，Wb?m?2，kh、ke和kα均為損耗系數(shù).

繞組損耗主要為基本銅耗，可根據(jù)焦耳-楞次定律求得：

式中，Pcui為繞組i銅損值，W；Ii為繞組i中電流，A；Ri為工作時(shí)繞組i的電阻，Ω.

機(jī)械損耗通?？捎山?jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算.

上述的產(chǎn)熱模型能夠基本滿足集成熱管理系統(tǒng)中不同熱源產(chǎn)熱量的計(jì)算，但對(duì)于復(fù)雜的產(chǎn)熱過(guò)程描述，還需要進(jìn)一步完善.

2 熱管理方法

電動(dòng)汽車電池、乘員艙和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)針對(duì)各自的熱管理需求都已發(fā)展出相應(yīng)的熱管理方法，然而隨著電動(dòng)汽車性能參數(shù)的提高，對(duì)熱管理系統(tǒng)的效果、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和經(jīng)濟(jì)性等都提出了更為嚴(yán)苛的要求，現(xiàn)有的研究在優(yōu)化某一熱管理系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上，著眼于將不同熱管理子系統(tǒng)進(jìn)行耦合.

2.1 電池?zé)峁芾?/h3>

電池?zé)峁芾戆ǜ邷貢r(shí)對(duì)電池冷卻和低溫時(shí)對(duì)電池加熱，按使用介質(zhì)不同可分為空氣、液體、相變材料和熱管熱管理系統(tǒng). 空氣熱管理系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低及后期維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)[23]，最早應(yīng)用于電池?zé)峁芾硐到y(tǒng). 然而隨著電池組能量密度的增加和快充技術(shù)的發(fā)展，電池組在短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，研究結(jié)果表明以空氣為傳熱介質(zhì)難以將電池的溫度和溫差控制在合理范圍內(nèi)[24-25].與空氣相比，液體介質(zhì)具有更高的熱容量和傳熱系數(shù)[26]，因此液體熱管理系統(tǒng)更能達(dá)到動(dòng)力電池的熱管理需求[27]. 目前關(guān)于液體熱管理系統(tǒng)的研究集中在流道幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[28]、不同冷卻介質(zhì)強(qiáng)化換熱[29]、流速和流向控制[30]等方面. 制約液體熱管理技術(shù)發(fā)展的主要因素在于該系統(tǒng)復(fù)雜，需要較多附屬設(shè)備，增加整車質(zhì)量且存在泄漏風(fēng)險(xiǎn). 相變材料指在特定溫度下發(fā)生相變并吸收或釋放能量的物質(zhì). 相變材料以其成本低、冷卻效果優(yōu)異、儲(chǔ)能能力巨大等優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)電池?zé)峁芾淼臒狳c(diǎn)[31]. 然而相變材料導(dǎo)熱率低、流動(dòng)性差、體積變化大，因此通過(guò)添加納米材料[32]、金屬翅片[33]、多孔介質(zhì)[34]等導(dǎo)熱材料，與空氣[35]、液體[36]等介質(zhì)組成的復(fù)合熱管理結(jié)構(gòu)成為主要的研究方向. 熱管是基于氣液相變?cè)碇瞥傻母咝鳠嵩哂袩犴憫?yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于能源化工、航空航天、電子電力等領(lǐng)域[37-38].但熱管僅僅是一種傳熱元件，在將電池中的熱量導(dǎo)出后還需要與其他散熱方式結(jié)合，因此關(guān)于熱管冷卻系統(tǒng)的研究主要集中在研發(fā)高效新型熱管[39-40]或?qū)峁茏鳛楦咝鳠嵩c空氣[41]、液體[42-46]、相變材料[47]結(jié)合組成復(fù)合熱管理系統(tǒng).

2.2 乘員艙熱管理

電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車一樣需要空調(diào)系統(tǒng)來(lái)保證司乘人員的舒適度和駕駛的安全性. 目前，電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)普遍采用的是蒸汽壓縮式單冷型空調(diào)與PTC（Positive temperature coefficient）電加熱器或燃油加熱器結(jié)合的方式. 這種空調(diào)方式與傳統(tǒng)燃油車空調(diào)系統(tǒng)差異最小，最受汽車廠家青睞，然而PTC電加熱器耗電量大，會(huì)嚴(yán)重縮短電動(dòng)汽車行駛里程[48]；燃油加熱器系統(tǒng)復(fù)雜，且同樣會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染問(wèn)題. 熱泵型空調(diào)既可以夏季制冷又可以冬季制熱，且制熱的理論運(yùn)行效率大于1，采用熱泵型空調(diào)系統(tǒng)替代加熱設(shè)備實(shí)現(xiàn)冬季取暖成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn). 但是熱泵型空調(diào)系統(tǒng)也存在一些缺點(diǎn)，如冬季氣溫較低時(shí)熱泵效率下降，存在結(jié)霜等問(wèn)題. 因此目前的研究主要集中在采用輔助加熱器[49]、余熱回收[50]等技術(shù)提高熱泵系統(tǒng)在冬季的性能，設(shè)計(jì)新的熱泵循環(huán)回路解決熱泵除霜[51]和擋風(fēng)玻璃除霧問(wèn)題[52]. 近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)不斷增強(qiáng)，傳統(tǒng)含氟氯烴類制冷劑已逐漸被淘汰，部分學(xué)者正在研究環(huán)保型制冷劑[53]在汽車空調(diào)中的應(yīng)用. 此外，熱電汽車空調(diào)系統(tǒng)[54]、磁熱汽車空調(diào)系統(tǒng)[55]、儲(chǔ)能汽車空調(diào)系統(tǒng)[56]、吸附式汽車空調(diào)系統(tǒng)[57]也都在研發(fā)階段.

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理主要處理冷卻問(wèn)題，根據(jù)冷卻介質(zhì)不同分為風(fēng)冷和液冷等. 風(fēng)冷的效果較差，在電機(jī)中會(huì)引起通風(fēng)損耗，降低電機(jī)效率；采用液體冷卻能迅速帶走電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的產(chǎn)熱量，使其能夠長(zhǎng)時(shí)間在適宜的溫度下工作. 目前關(guān)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理的研究主要集中在冷卻流道優(yōu)化設(shè)計(jì)[58]和冷卻介質(zhì)選擇[59]等方面.

2.4 集成熱管理

在當(dāng)前電池能量密度和整車質(zhì)量制約的情況下，降低輔助系統(tǒng)的能耗和提高動(dòng)力系統(tǒng)的效率是延長(zhǎng)電動(dòng)汽車行駛里程的可行方式. 保證動(dòng)力電池處在適宜的溫度范圍內(nèi)可為整車提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的動(dòng)力，而空調(diào)系統(tǒng)性能提升能夠節(jié)省更多的能量，從而提升汽車行駛里程. 人體舒適的溫度區(qū)間與電池適宜的工作溫度區(qū)間接近，且電機(jī)余熱在冬季是一種可利用的熱源. 目前集成熱管理系統(tǒng)常見(jiàn)的耦合方式是以空調(diào)系統(tǒng)為主體，在其蒸發(fā)器側(cè)（冬夏不同）并聯(lián)支路換熱器，利用空調(diào)系統(tǒng)制冷或制熱過(guò)程為電池包提供額外的冷源或回收電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的余熱，在滿足乘員艙熱舒適的同時(shí)實(shí)現(xiàn)電池或電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的熱管理需求.

由上所述，電池、乘員艙和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分別有不同的熱管理方法，這些熱管理方法在效果、安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等方面各有所長(zhǎng)，因此根據(jù)實(shí)際需求選擇特定的耦合方式并進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)匹配是集成熱管理系統(tǒng)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵. 劉志勇等[60]分析某車型的熱管理需求后提出了一種集成熱管理系統(tǒng)，如圖2所示. 該系統(tǒng)夏季采用單冷型空調(diào)制冷，在其蒸發(fā)器側(cè)并聯(lián)支路換熱器為電池包散熱提供冷源；冬季采用水加熱器為乘員艙供暖，在該支路側(cè)并聯(lián)熱交換器為電池組加熱. 試驗(yàn)結(jié)果表明該集成熱管理系統(tǒng)能夠滿足乘員艙及電池組的熱管理需求. 方財(cái)義等[61]設(shè)計(jì)了如圖3所示的整車熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)同樣采用在單冷型空調(diào)蒸發(fā)器側(cè)并聯(lián)熱交換器的方式解決乘員艙和電池包的夏季熱管理需求，并為電池包專門(mén)設(shè)計(jì)了液冷回路，當(dāng)電池包溫度在38～45 °C時(shí)，僅采用液冷回路為電池包散熱. 冬季則直接采用PTC電加熱器和電加熱膜分別為乘員艙和電池包加熱，減少了加熱中間液體介質(zhì)的環(huán)節(jié). 此外，該系統(tǒng)還將電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理考慮在內(nèi)并優(yōu)化了各散熱部件的排布位置，由于空調(diào)冷凝器表面溫度最高，因此以汽車行駛方向?yàn)檎?，將電池散熱器和電機(jī)散熱器上下布置且置于空調(diào)冷凝器前方.

圖 2 空調(diào)系統(tǒng)及電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)原理圖[60]Fig.2 Schematic of air conditioning system and battery thermal management system[60]

圖 3 整車熱管理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[61]Fig.3 Vehicle thermal management system design[61]

電機(jī)余熱在冬季是一種可以利用的熱源，在傳統(tǒng)電機(jī)液冷回路上并聯(lián)熱交換器，再將該熱交換器并聯(lián)到熱泵系統(tǒng)蒸發(fā)側(cè)（冬季工況）作為其低溫?zé)嵩?，通過(guò)熱泵技術(shù)回收電機(jī)余熱既可以降低電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)溫度也能提高集成熱管理系統(tǒng)的性能. Tian等[62]提出了一種集車內(nèi)熱舒適、電池冷卻和電機(jī)余熱回收為一體的電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)EVTMS（Electric vehicle thermal management system），如圖4所示. 該系統(tǒng)充分利用了熱泵技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在熱泵系統(tǒng)兩個(gè)換熱器側(cè)分別并聯(lián)熱交換器支路，冬夏季通過(guò)不同循環(huán)支路電磁閥開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)與熱泵技術(shù)耦合. 結(jié)果表明，在開(kāi)啟電池冷卻回路后PCCR（Percentage of cooling capacity reduction）在26.3%～32.1%之間，電機(jī)廢熱回收率在18.73%～45.17%之間. 此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了EVTMS仿真模型，仿真結(jié)果表明采用電池冷卻可使電池荷電比降低10.60%，采用電機(jī)余熱回收可使加熱COP（Coefficient of performance）提高25.55%. 與PTC加熱器相比，EVTMS提高了31.71%行駛里程. 楊小龍等[63]也進(jìn)行了相關(guān)的研究工作，設(shè)計(jì)了如圖5所示的純電動(dòng)轎車整車綜合熱管理系統(tǒng)并進(jìn)行了冬夏季仿真研究，結(jié)果表明整車綜合熱管理系統(tǒng)可為車內(nèi)、電機(jī)及電池提供良好的熱環(huán)境，特別是對(duì)于冬季制熱模式，與PTC電加熱器相比，純電動(dòng)轎車采用熱泵系統(tǒng)，其制熱運(yùn)行時(shí)的整車電能消耗可降低16.4%，續(xù)駛里程可提高18.3%.以上研究表明，將熱泵技術(shù)應(yīng)用于電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)中具有廣闊前景.

為減少整車質(zhì)量、熱管理系統(tǒng)體積及液體泄露風(fēng)險(xiǎn)，部分學(xué)者正在嘗試將制冷劑直接蒸發(fā)冷卻電池包技術(shù)應(yīng)用到整車熱管理系統(tǒng)中. Cen等[64]提出了一種取消中間液冷介質(zhì)傳熱環(huán)節(jié)，利用電動(dòng)汽車空調(diào)制冷劑直接冷卻鋰離子電池的集成熱管理系統(tǒng)，如圖6所示. 該集成熱管理系統(tǒng)為雙蒸發(fā)器設(shè)置，一個(gè)蒸發(fā)器為乘員艙制冷，另一個(gè)特制蒸發(fā)器為電池包散熱. 由于乘員艙和電池包的產(chǎn)熱量和對(duì)熱管理溫度要求不同，因此該集成熱管理系統(tǒng)利用自控模塊分別調(diào)節(jié)兩個(gè)電子膨脹閥的開(kāi)度從而控制兩個(gè)蒸發(fā)器的制冷量和蒸發(fā)溫度，改進(jìn)了傳統(tǒng)雙蒸發(fā)環(huán)路集成熱管理系統(tǒng)共用一個(gè)膨脹閥節(jié)流后再分流制冷劑的做法. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在極端環(huán)境溫度高達(dá)40 ℃的情況下，集成熱管理系統(tǒng)可以很容易地將電池組溫度控制在35 ℃以下. 當(dāng)其放電倍率為0.5、1或1.5 C時(shí)，電池包溫差小于4 ℃. 這說(shuō)明針對(duì)極端高溫的氣候條件，采用制冷劑直接蒸發(fā)冷卻是進(jìn)行電池?zé)峁芾淼囊环N可行方式.

圖 4 電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)[62]Fig.4 Schematic of proposed EVTMS[62]

圖 5 純電動(dòng)轎車整車綜合熱管理系統(tǒng)原理圖[63]Fig.5 Schematic diagram of BEV’s integrated vehicle thermal management system[63]

綜上所述，不同的熱管理方法能夠解決電動(dòng)汽車熱管理中的某一問(wèn)題，集成系統(tǒng)中熱管理對(duì)象逐漸由兩個(gè)增加到三個(gè)，空調(diào)子系統(tǒng)從單冷型發(fā)展到熱泵冷暖型，熱管理介質(zhì)由氣體過(guò)渡到液體，制冷劑直接冷卻，電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)朝著輕量化、緊湊化和集成化方向發(fā)展. 當(dāng)前研究探索了不同熱管理子系統(tǒng)之間的耦合方式，并針對(duì)某特定工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，未充分考慮實(shí)際情況下的多變因素，應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，分析熱管理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性、安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等.

圖 6 集成熱管理系統(tǒng)原理圖[64]Fig.6 Schematic of the experimental test rig[64]

3 集成系統(tǒng)運(yùn)行控制

電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)耦合了不同的熱管理對(duì)象，因此系統(tǒng)的運(yùn)行控制顯得尤為重要. 只有通過(guò)合理有效的控制策略對(duì)集成熱管理系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制，才能真正發(fā)揮集成熱管理系統(tǒng)取長(zhǎng)補(bǔ)短的優(yōu)勢(shì). 鑒于電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜性，僅僅通過(guò)實(shí)驗(yàn)無(wú)法對(duì)集成熱管理系統(tǒng)進(jìn)行全面的研究，目前多通過(guò)建立仿真系統(tǒng)，在驗(yàn)證仿真系統(tǒng)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上通過(guò)改變仿真參數(shù)和新的控制策略對(duì)集成熱管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究.

馮權(quán)等[65]對(duì)某款純電動(dòng)汽車的動(dòng)力總成熱管理系統(tǒng)進(jìn)行研究，基于AMEsim軟件搭建了包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器和動(dòng)力電池的分布式一維冷卻系統(tǒng)，并基于實(shí)際臺(tái)架驗(yàn)證了搭建模型的準(zhǔn)確性. 在Simulink軟件中設(shè)計(jì)模型預(yù)測(cè)控制器，以熱源的發(fā)熱功率作為擾動(dòng)量，冷卻水泵流量和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速作為操作變量對(duì)冷卻系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)和AMEsim軟件的聯(lián)合仿真，結(jié)果表明相比PID控制和開(kāi)關(guān)閾值控制，采用模型預(yù)測(cè)控制的熱管理系統(tǒng)響應(yīng)性能更好，對(duì)于溫度的變化會(huì)提前做出反應(yīng)，同時(shí)也減少了冷卻系統(tǒng)的能量消耗.

一維系統(tǒng)仿真模型能夠從系統(tǒng)角度研究不同部件之間的匹配關(guān)系及對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響，三維模型側(cè)重于對(duì)研究對(duì)象細(xì)節(jié)的分析和優(yōu)化[66].Liu等[67]針對(duì)純電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)換熱部件多、熱交換過(guò)程互相影響的特點(diǎn)提出了如圖7所示的純電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理系統(tǒng)一維/三維聯(lián)合仿真框架，通過(guò)關(guān)聯(lián)算法使一維空調(diào)系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)與三維發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)冷凝器模型、電池散熱器以及電機(jī)散熱器進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算，仿真研究了集成熱管理系統(tǒng)中空調(diào)負(fù)荷變化與冷凝器、電池散熱器及電機(jī)散熱器排布位置之間的互相影響. 結(jié)果表明，當(dāng)冷凝器置于電機(jī)和電池散熱器之前時(shí)，隨著空調(diào)負(fù)荷的增大，電機(jī)和電池散熱系統(tǒng)冷卻效果會(huì)減小；當(dāng)冷凝器置于電機(jī)和電池散熱器之后時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷變化對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)冷卻性能影響不大. 該研究方法為電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)置及運(yùn)行控制提供了新的思路.

由上可知，采用一維系統(tǒng)仿真模型能夠從整體角度優(yōu)化電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)的控制策略，從而提高集成熱管理系統(tǒng)的性能. 然而僅采用一維仿真模型無(wú)法對(duì)集成熱管理系統(tǒng)中核心換熱部件的三維結(jié)構(gòu)如形狀、尺寸和位置等三維細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步的研究應(yīng)采用一維與三維聯(lián)合仿真的形式研究不同運(yùn)行控制策略對(duì)集成熱管理系統(tǒng)的影響.

4 集成系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)

電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)具有多熱源、多溫區(qū)和變溫度的特點(diǎn)，現(xiàn)階段不同的熱管理子系統(tǒng)采統(tǒng)用不同的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，如采用電池溫度和溫差來(lái)評(píng)價(jià)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的性能，采用性能系數(shù)COP即獲得收益（制冷量或制熱量）與付出代價(jià)（耗電量）的比值來(lái)評(píng)價(jià)乘員艙熱管理系統(tǒng)的性能，采用電機(jī)溫度來(lái)評(píng)價(jià)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理的性能等，且上述熱管理目標(biāo)在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中存在相互矛盾之處，未引入工藝、成本、質(zhì)量、強(qiáng)度、密封性等現(xiàn)實(shí)考量，缺少標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的綜合評(píng)價(jià)體系.

圖 7 純電動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理系統(tǒng)框架[67]Fig.7 Underhood thermal management system framework of PEV[67]

電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)是一種熱力學(xué)系統(tǒng)，采用熱力學(xué)方法可以從系統(tǒng)角度對(duì)集成熱管理系性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì). Hamut等[68]采用熱力學(xué)第二定律對(duì)一種增程式電動(dòng)汽車的集成熱管理系統(tǒng)進(jìn)行性能分析，通過(guò)分析系統(tǒng)的?效率對(duì)熱管理回路中各個(gè)部件進(jìn)行優(yōu)化，從而提高集成熱管理系統(tǒng)的性能. 研究結(jié)果表明，系統(tǒng)與周圍環(huán)境之間的傳熱和系統(tǒng)部件內(nèi)部的流體摩擦是造成集成熱管理系統(tǒng)不可逆的主要因素. Javani等[69]設(shè)計(jì)了一套包含汽車空調(diào)和電池的集成熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)中采用相變材料十八烷作為電池的冷卻介質(zhì)，通過(guò)在空調(diào)系統(tǒng)中設(shè)置平行蒸發(fā)器為相變材料提供冷源. 通過(guò)?分析發(fā)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)的?效率為31%，最大?損失率為0.4 kW，與系統(tǒng)中其他部件相比換熱器的?效率最低. 在此基礎(chǔ)上，還研究了整個(gè)集成熱管理的環(huán)境效益，指出提高系統(tǒng)的?效率可減少溫室氣體排放量并提高系統(tǒng)可持續(xù)性. 最后，采用遺傳算法，以系統(tǒng)最大?效率和最低成本率為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)果表明該系統(tǒng)的最大?效率和最低成本率分別為34.5%和1.38 $·h-1.

當(dāng)前關(guān)于電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)體系研究較少，而這一綜合評(píng)價(jià)體系可以為電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)的發(fā)展提供指導(dǎo)方向，促進(jìn)其在實(shí)際車型中的應(yīng)用. 當(dāng)前研究多關(guān)注單一系統(tǒng)性能優(yōu)化，較少?gòu)恼噷用嬉氍F(xiàn)實(shí)考量來(lái)綜合評(píng)價(jià)集成熱管理系統(tǒng)的性能，進(jìn)一步的研究應(yīng)以熱力學(xué)定律為基礎(chǔ)，考慮實(shí)際因素，建立標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的綜合評(píng)價(jià)體系.

5 結(jié)語(yǔ)

溫度是影響電動(dòng)汽車性能的關(guān)鍵因素，高效的電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)汽車的發(fā)展具有重要意義. 隨著電動(dòng)汽車對(duì)熱管理系統(tǒng)要求的提升，電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)還存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題亟待解決：

（1）電池產(chǎn)熱模型、冷熱負(fù)荷計(jì)算模型、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)熱模型是集成熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ). 應(yīng)進(jìn)一步研究不同產(chǎn)熱模型的機(jī)理，提高模型的預(yù)測(cè)精度，為設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供理論支撐.

（2）電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)應(yīng)朝著輕量化、緊湊化、集成化方向發(fā)展. 當(dāng)前的熱管理研究側(cè)重某單一熱管理系統(tǒng)的性能優(yōu)化，忽視了各熱管理子系統(tǒng)之間的互相影響. 進(jìn)一步的研究應(yīng)利用熱泵技術(shù)、熱管技術(shù)和直接蒸發(fā)冷卻電池包等先進(jìn)的熱管理方法從集成系統(tǒng)層面綜合考慮熱管理各子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，提升電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)性能.

（3）電動(dòng)汽車不同的駕駛工況對(duì)于集成熱管理系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的要求不同. 進(jìn)一步的研究可采用一維/三維聯(lián)合仿真的方法面向不同的集成熱管理系統(tǒng)制定針對(duì)性的運(yùn)行控制策略及優(yōu)化控制方法，從而滿足復(fù)雜多變的運(yùn)行工況下電動(dòng)汽車的熱管理需求.

（4）當(dāng)前研究多關(guān)注于提升某單一熱管理系統(tǒng)的性能指標(biāo)，而忽視了工藝、成本、質(zhì)量、強(qiáng)度、密封性等多方面因素的影響，缺少標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的綜合評(píng)價(jià)體系. 進(jìn)一步的研究應(yīng)充分考慮集成熱管理系統(tǒng)中不同因素之間的制約關(guān)系，制定標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試方法，提出相應(yīng)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，推動(dòng)電動(dòng)汽車集成熱管理系統(tǒng)的發(fā)展.