黎帥

電動(dòng)汽車(chē)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)展

黎帥

（廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東 廣州 511434）

電動(dòng)汽車(chē)的熱管理直接關(guān)系到電池電機(jī)的性能和使用時(shí)的安全。電動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)，電機(jī)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(dòng)汽車(chē)的冷卻考核工況，重要零部件熱負(fù)荷情況的基礎(chǔ)上，對(duì)格柵、導(dǎo)流密封、前端模塊等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，比較了多個(gè)暢銷(xiāo)車(chē)型的熱管理回路，分析了其優(yōu)缺點(diǎn)。

電動(dòng)汽車(chē)；熱管理系統(tǒng)；前端模塊；回路設(shè)計(jì)

引言

燃油車(chē)的巨大保有量給化石資源和大氣環(huán)境帶來(lái)了很大壓力。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)苛，更加綠色清潔、零排放的電動(dòng)汽車(chē)正越來(lái)越引起人們的重視。電動(dòng)汽車(chē)通常采用高功率密度電機(jī)，各種電子電器和電池在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)熱量較高，而車(chē)廂的安裝空間狹小，惡劣復(fù)雜的工況也加劇了散熱的困難性。電動(dòng)汽車(chē)出現(xiàn)冒煙和起火事故屢見(jiàn)不鮮，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

文獻(xiàn)[1]總結(jié)了電動(dòng)汽車(chē)中熱管理相關(guān)的三大熱管理系統(tǒng)，即空調(diào)回路、電池回路、電機(jī)回路。文獻(xiàn)[2]梳理了電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，比較了風(fēng)冷系統(tǒng)和液冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]分析了動(dòng)力電池的冷卻方式。文獻(xiàn)[4]在2017年比較了BWM i3、model-S等國(guó)外電動(dòng)車(chē)和榮威E50、帝豪EV等國(guó)內(nèi)電動(dòng)車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的構(gòu)型，對(duì)國(guó)內(nèi)電動(dòng)車(chē)改進(jìn)系統(tǒng)能量利用和提高續(xù)航里程提供了建議。文獻(xiàn)[5]研究了需冷卻電器散熱量和對(duì)冷卻液的溫度要求，通過(guò)改變電器的布置順序減少了對(duì)散熱器散熱能力的要求。文獻(xiàn)[6]對(duì)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)控制流程進(jìn)行一維仿真，通過(guò)控制風(fēng)扇檔位和水泵PWM，減少用電功率，增加整車(chē)5km續(xù)航。文獻(xiàn)[7,8]搭建了完整的電動(dòng)汽車(chē)一維冷卻系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[9,10,11,12]采用三維仿真的方法對(duì)機(jī)艙和電池的溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究。

近年來(lái)，自主品牌量產(chǎn)電動(dòng)汽車(chē)的熱管理系統(tǒng)應(yīng)用有了很大的進(jìn)展，但是鮮見(jiàn)于文獻(xiàn)。本文主要介紹了電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s考核工況，熱管理系統(tǒng)組成、典型車(chē)輛的熱管理風(fēng)側(cè)設(shè)計(jì)，典型車(chē)輛的熱管理水側(cè)和液側(cè)設(shè)計(jì)對(duì)比分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，描述了目前面臨的主要研究問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上對(duì)電動(dòng)汽車(chē)用電機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步探討。

1 電動(dòng)汽車(chē)的冷卻考核工況（熱平衡）

現(xiàn)行的推薦標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 12542-2009 汽車(chē)熱平衡能力道路試驗(yàn)方法》規(guī)定了測(cè)定裝有發(fā)動(dòng)機(jī)汽車(chē)，測(cè)定熱平衡能力的道路試驗(yàn)方法。

電動(dòng)汽車(chē)的冷卻性能考核尚無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，一般汽車(chē)制造商會(huì)要求在高溫大負(fù)荷工況下，電機(jī)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(fù)荷環(huán)境模擬工況可設(shè)計(jì)如下，濕度40-50%，光照1100W/Km2，車(chē)速可設(shè)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(fù)荷（空調(diào)、電機(jī)、電池）與冷卻方式

通常電動(dòng)汽車(chē)熱管理系統(tǒng)主要由四部分組成，即電機(jī)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(dòng)散熱器、水壺、電動(dòng)水泵、充電機(jī)（OBC）、DC/DC、電機(jī)控制器、永磁同步電機(jī)，由冷卻管路依次連在一起。目前應(yīng)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(diǎn)，可使電機(jī)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(jī)，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(yán)寒條件下，能對(duì)整個(gè)電池冷卻液回路進(jìn)行冷卻和加熱。

電動(dòng)車(chē)沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)這一穩(wěn)定的熱源，冬天乘員艙采暖時(shí)需要高壓PTC（Positive Temperature Coefficient）提供熱量。

3 典型車(chē)輛的熱管理風(fēng)側(cè)設(shè)計(jì)

車(chē)輛運(yùn)行過(guò)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(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，前端冷卻模塊一般只包含電驅(qū)動(dòng)散熱器、冷凝器和散熱風(fēng)扇，有的還有電池慢冷散熱器。一般而言，提高風(fēng)側(cè)的對(duì)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(chē)的風(fēng)阻，電動(dòng)汽車(chē)往往只開(kāi)了下格柵（如圖1所示），有時(shí)也在上格柵開(kāi)很小的孔，如比亞迪元和榮威Ei5開(kāi)孔的高度都不足10mm。

圖1 典型車(chē)輛的下格柵開(kāi)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(guò)前端模塊被反復(fù)加熱，近年來(lái)往往會(huì)增加導(dǎo)流密封的設(shè)計(jì)（如圖2所示）。在前端模塊和前保險(xiǎn)杠間增加導(dǎo)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(fēng)回流，另一方面可以減少格柵進(jìn)入的氣流不經(jīng)過(guò)前端模塊造成的漏流。

圖2 典型車(chē)輛的導(dǎo)流板

前端冷卻模塊的布置構(gòu)型對(duì)風(fēng)側(cè)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(gòu)型，冷凝器進(jìn)風(fēng)溫度較低，冷卻氣流被冷凝器加熱后進(jìn)入散熱器，散熱器要做的較大較厚才能滿(mǎn)足散熱的需求。散熱器放在前面，冷凝器放在后面的構(gòu)型，散熱器可以做的較小，冷卻氣流被散熱器加熱后進(jìn)入冷凝器，但是隨著冷凝器進(jìn)風(fēng)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(jī)的振動(dòng)變強(qiáng)；另一方面，增大空調(diào)回路的負(fù)荷，造成耗電量增加。

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

表1 典型車(chē)輛的整車(chē)參數(shù)

4 典型車(chē)輛的冷卻回路水側(cè)設(shè)計(jì)

零部件既有冷卻的需求，同時(shí)也有散熱的需求，傳統(tǒng)的冷卻回路水側(cè)通過(guò)一個(gè)回路將電驅(qū)動(dòng)相關(guān)的部件串聯(lián)在一起，如榮威Ei5（見(jiàn)圖3所示）。

圖3 榮威Ei5冷卻回路

2018款榮威Ei5另一個(gè)特點(diǎn)是電池風(fēng)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(fēng)冷，已采用冷卻液冷卻。

比亞迪元的電機(jī)冷卻回路與榮威Ei5大致相同?？照{(diào)回路由壓縮機(jī)、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(guò)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(shí)，動(dòng)力電池和乘員艙都有加熱需求。比亞迪元設(shè)計(jì)了一個(gè)通過(guò)四通換向閥將電池冷卻回路和暖風(fēng)回路串聯(lián)或者并聯(lián)，如圖4所示，紅色線條是暖風(fēng)回路，黑色線條是電機(jī)和電池的冷卻回路，藍(lán)色線條是空調(diào)的冷媒回路。動(dòng)力電池有冷卻需求時(shí)，四通閥的方向沿實(shí)線，電池和暖風(fēng)為兩個(gè)獨(dú)立的回路。有共同的采暖需求時(shí)，四通閥的方向沿虛線所示，電池和暖風(fēng)組合成為一個(gè)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(jiǎn)單，成本較低，可以為電池回路節(jié)省一個(gè)水壺和一個(gè)PTC，具有良好的效果。

吉利帝豪Gse設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)雜的板式換熱器chiller（如圖5所示），紅色線條是暖風(fēng)回路，黑色線條是電機(jī)和電池的冷卻回路，藍(lán)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(guò)chiller交換到空調(diào)回路中；另一方面暖風(fēng)回路中的熱量可通過(guò)chiller交換到電池回路中，巧妙地實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池的冷卻和加熱。該冷卻回路的另一設(shè)計(jì)特色是通過(guò)一進(jìn)兩出的三通換向閥，實(shí)現(xiàn)了利用電機(jī)中的余熱來(lái)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(jìn)風(fēng)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(chē)型的缺點(diǎn)是Chiller工藝和控制復(fù)雜。此部件無(wú)法通過(guò)鑄造的方式生產(chǎn)，需要數(shù)控機(jī)床銑出，并使用釬焊安裝金屬的水管連接口，有兩個(gè)電磁閥控制管路的通斷，預(yù)計(jì)生產(chǎn)成本較高。

以上三款電動(dòng)車(chē)的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)都體現(xiàn)了自主品牌較高的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)和良好的創(chuàng)意，具有良好的借鑒意義。

5 結(jié)論

隨著產(chǎn)銷(xiāo)量持續(xù)增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車(chē)具有良好的發(fā)展前景。采用不同的方法關(guān)聯(lián)配合電動(dòng)汽車(chē)上的熱管理系統(tǒng)，合理進(jìn)行熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以在減重降本的基礎(chǔ)上，保證整車(chē)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(chē)輛的續(xù)航里程。自主品牌主機(jī)廠近年來(lái)在熱管理系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面體現(xiàn)出了良好的技術(shù)實(shí)力。

[1] 方財(cái)義,汪韓送,羅高喬,et al.純電動(dòng)汽車(chē)熱管理系統(tǒng)的研究[J].電子設(shè)計(jì)工程, 2014, 22(04):137-139.

[2] 李翠萍,管正偉,丁秀翠, et al.電動(dòng)汽車(chē)用電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及發(fā)展綜述[J].微特電機(jī), 2019(1).

[3] 黨超.電動(dòng)汽車(chē)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2018, 276(24):194-196.

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

[5] 李龍強(qiáng),李龍飛.串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)在純電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)[J].時(shí)代汽車(chē),2019(02):109-111.

[6] 張玲,董瑞新,張紅濤.電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)電器, 2017(2).

[7] 李貴初.純電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)能量?jī)?yōu)化方法的研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.

[8] 王健,許思傳,陳黎.基于AMESim的純電動(dòng)汽車(chē)熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011,29(5):656-660.

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

[10] 周楊.純電動(dòng)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)數(shù)值分析[D].華中科技大學(xué),2015.

[11] 王迪.電動(dòng)汽車(chē)鋰電池溫度場(chǎng)研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].南京航空航天大學(xué),2015.

[12] 沈帥.純電動(dòng)汽車(chē)電池箱熱特性研究及熱管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[D].吉林大學(xué),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

A

1671-7988(2019)13-08-04

U461

A

1671-7988(2019)13-08-04

黎帥（1992-），男，漢，碩士研究生學(xué)歷，就職于廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，研究方向?yàn)槠?chē)尾氣溫差發(fā)電、發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱管理，廣汽研究院熱管理工程師。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.003