摘要：基于電池組、電機(jī)及控制系統(tǒng)中存在的散熱問題，詳細(xì)探究了車輛動(dòng)力系統(tǒng)中熱管理技術(shù)的最新研究動(dòng)態(tài)及其在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況。通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析了相變材料、熱電冷卻技術(shù)，以及納米流體等新熱管理技術(shù)在車載動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。結(jié)果表明，這些技術(shù)有效提升了動(dòng)力系統(tǒng)在溫度均衡性、運(yùn)行穩(wěn)定度及系統(tǒng)使用壽命等方面的性能，也增強(qiáng)了電動(dòng)汽車的整體效能，為車輛動(dòng)力系統(tǒng)熱管理技術(shù)的開發(fā)及應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：車輛動(dòng)力系統(tǒng)；熱管理；相變材料；熱電制冷；納米流體

0 前言

近年來，隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，車輛動(dòng)力系統(tǒng)的熱管理問題日益突出。動(dòng)力電池、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器等關(guān)鍵部件在高功率工況下會產(chǎn)生大量熱量，傳統(tǒng)的熱管理方式難以滿足日益增加的散熱需求。為了突破瓶頸，眾多研究者開始探索新型熱管理技術(shù)，并取得了一系列研究成果。本文重點(diǎn)分析相變材料（PCM）、熱電制冷，以及納米流體等新興熱管理技術(shù)的基本原理、優(yōu)勢特點(diǎn)及其在車載動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，以期為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步提供參考。

1 車輛動(dòng)力系統(tǒng)熱管理技術(shù)

1. 1 動(dòng)力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)

作為電動(dòng)汽車的“心臟”，動(dòng)力電池的性能直接影響著整車的續(xù)航里程和使用壽命，動(dòng)力電池?zé)峁芾硎疽鈭D如圖1所示。電池在充放電過程中會釋放出大量的熱量，如果不能及時(shí)有效地將熱量耗散，電池的工作溫度就會持續(xù)升高，這加快了電池容量的衰減，甚至可能誘發(fā)安全隱患。傳統(tǒng)的電池?zé)峁芾矸绞剑顼L(fēng)冷和液冷，雖然能夠起到一定的散熱作用，但仍存在熱量耗散不均勻、能源消耗較高等問題。為了克服這些不足，研究人員開始積極探索新型熱管理技術(shù)在動(dòng)力電池領(lǐng)域的應(yīng)用。其中，PCM、熱管和熱電制冷等技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢脫穎而出[1]。借助這些創(chuàng)新技術(shù)，希望能實(shí)現(xiàn)對動(dòng)力電池溫度更加精準(zhǔn)的調(diào)控，提高電池?zé)峁芾淼男屎涂煽啃浴?/p>

1. 2 電機(jī)熱管理技術(shù)

車用電機(jī)大多采用永磁同步電機(jī)，其損耗主要來自銅損和鐵損，損耗功率可達(dá)額定功率的5%以上。長時(shí)間高溫工作會導(dǎo)致電機(jī)絕緣老化、永磁體退磁等故障。傳統(tǒng)的電機(jī)冷卻多采用自然對流或風(fēng)冷方式，散熱能力有限。為突破此瓶頸，一些學(xué)者提出利用強(qiáng)化換熱技術(shù)來改善電機(jī)的冷卻性能，如在定子繞組和轉(zhuǎn)子上開設(shè)冷卻流道，采用液冷方式強(qiáng)制換熱；在端部裝設(shè)熱管或熱泵，主動(dòng)抽取電機(jī)內(nèi)部熱量；優(yōu)化外殼翅片結(jié)構(gòu)，最大限度地增加對流換熱面積等。這些方法有望顯著提升電機(jī)熱管理水平[2]。

1. 3 控制器熱管理技術(shù)

電機(jī)控制器是車輛動(dòng)力系統(tǒng)的“大腦”，內(nèi)含大量電力電子元件，如絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、電容等。這些元件在高頻工作時(shí)會產(chǎn)生較多的熱損耗，使控制器溫度上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，控制器80%以上的故障與溫度有關(guān)。目前，控制器散熱主要是在器件上涂覆導(dǎo)熱硅脂，通過熱傳導(dǎo)將內(nèi)部熱量傳遞至外殼表面，再利用自然對流散熱。這種冷卻方式熱阻較大，散熱效果差。隨著控制器功率密度的不斷提高，亟需開發(fā)新的熱管理技術(shù)[3]。例如，采用微通道液冷冷板吸熱、熱管熱散等方案，從而實(shí)現(xiàn)控制器的高效冷卻。

2 創(chuàng)新熱管理技術(shù)及其應(yīng)用

2. 1 PCM技術(shù)

PCM是一種能夠在吸、放熱過程中發(fā)生固-液相變的功能材料，具有較大的潛熱容量。將PCM應(yīng)用于車輛動(dòng)力系統(tǒng)熱管理，可有效削峰填谷，調(diào)節(jié)部件溫度波動(dòng)范圍，減小冷卻系統(tǒng)的功率需求。例如，在動(dòng)力電池包周圍填充PCM，當(dāng)電池溫度上升時(shí)，PCM吸熱熔化，抑制溫升；當(dāng)電池溫度下降時(shí)，PCM放熱凝固，緩解溫降。這樣可以顯著改善電池溫度的均勻性，延長其使用壽命[4]。目前，針對車載應(yīng)用已開發(fā)出水/鹽水、石蠟、脂肪酸等多種PCM材料，初步實(shí)現(xiàn)了在動(dòng)力電池、電機(jī)等部件的熱管理應(yīng)用。

PCM材料的選擇需要綜合考慮其熱物性參數(shù)、體積變化率、化學(xué)穩(wěn)定性和成本等因素。對于車載動(dòng)力電池，PCM的熔點(diǎn)應(yīng)與電池最佳工作溫度相匹配，相變潛熱要足夠大，以提供充足的熱容量。同時(shí)，PCM自身導(dǎo)熱系數(shù)要適中，以免影響電池內(nèi)部熱擴(kuò)散。在PCM集成設(shè)計(jì)中，要注意相變體積膨脹問題，避免產(chǎn)生過大的膨脹應(yīng)力。針對長期使用可能引起的PCM性能衰減，需采取隔離保護(hù)、復(fù)合改性等措施，確保其熱穩(wěn)定性。

2. 2 熱電制冷技術(shù)

熱電制冷是利用半導(dǎo)體的佩爾捷效應(yīng)，在通電流時(shí)產(chǎn)生制冷量的一種技術(shù)。它具有體積小、無噪聲和可控性好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合車載應(yīng)用。將熱電制冷器集成在動(dòng)力電池包內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)對電芯溫度的精確調(diào)控，使其工作在最佳溫度區(qū)間內(nèi)，從而提高電池的能量利用效率和循環(huán)壽命[5]。研究表明，采用熱電制冷可將電池組溫差控制在5 K以內(nèi)，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的風(fēng)冷、液冷方案。此外，熱電制冷器還可用于電機(jī)和控制器的局部熱點(diǎn)冷卻，能夠有效避免局部過熱引起的損壞。為了進(jìn)一步提升熱電制冷系統(tǒng)性能，可從優(yōu)化制冷單元布局、采用高效熱端散熱和冷端強(qiáng)化傳熱、選用高性能熱電材料等多個(gè)方面入手。

2. 3 納米流體技術(shù)

納米流體技術(shù)作為車載熱管理系統(tǒng)的新興技術(shù)，因其獨(dú)特的熱傳導(dǎo)性能而逐漸成為研究熱點(diǎn)。該技術(shù)通過在標(biāo)準(zhǔn)冷卻劑中融入金屬氧化物等納米粒子，能有效增強(qiáng)流體的熱傳導(dǎo)能力，優(yōu)化其黏性，進(jìn)而大大提升冷卻機(jī)制的對流傳熱效能。納米流體技術(shù)在電動(dòng)車電池與電機(jī)等關(guān)鍵組件的熱管理方面展現(xiàn)出極大的應(yīng)用價(jià)值，不僅能有效抑制組件的最高溫升，改善溫度分布的均衡性，還能縮減系統(tǒng)尺寸，增強(qiáng)散熱速率。

3 工程應(yīng)用案例

3. 1 某電動(dòng)客車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

針對某電動(dòng)客車的動(dòng)力電池組，設(shè)計(jì)了一套基于PCM的熱管理系統(tǒng)。該電池組由120個(gè)方形磷酸鐵鋰電芯組成，額定容量為180 A·h，標(biāo)稱電壓為576 V。電池箱長寬高尺寸分別為1 500 mm、800 mm、300 mm。在電池箱內(nèi)部，每2個(gè)電芯之間放置1塊PCM板，采用石蠟作為PCM，熔點(diǎn)為42 ℃，潛熱容量為180 kJ/kg。

通過搭建仿真模型，分析了不同工況下電池的溫度分布情況，并與未采用PCM時(shí)進(jìn)行對比。結(jié)果表明，未采用PCM時(shí)，在常溫充電、常溫放電、高溫充電和高溫放電工況下，電池組的最高溫度分別為46.2 ℃、52.5 ℃、58.7 ℃和63.4 ℃；采用PCM后，電池組在上述4種工況下的最高溫度分別降低至42.2 ℃、45.0 ℃、49.1 ℃和51.8 ℃。可以看出，使用PCM后，電池組最高溫度顯著降低，溫差也大幅減小，溫度分布更加均勻。在高溫工況下，PCM的調(diào)溫效果尤為明顯。經(jīng)實(shí)車測試，該系統(tǒng)可將電池組溫升幅度控制在8 K以內(nèi)，溫差小于5 K，滿足電池安全使用需求。

3. 2 某混合動(dòng)力汽車電機(jī)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以某插電式混合動(dòng)力汽車為研究對象，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的熱管理系統(tǒng)。該車采用1臺50 kW永磁同步電機(jī)作為主驅(qū)動(dòng)力，電機(jī)直徑為250 mm，長度為180 mm。在電機(jī)外殼上開設(shè)螺旋狀冷卻流道，并在定子鐵芯和繞組上設(shè)置軸向冷卻孔，冷卻液通過水泵實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制循環(huán)。同時(shí)，在電機(jī)端部裝有4根熱管，利用熱管的相變傳熱原理，快速抽取電機(jī)內(nèi)部熱量并傳遞至冷卻液中。本研究搭建了電機(jī)三維傳熱模型模擬不同工況下的溫度場分布，并與傳統(tǒng)水冷方案進(jìn)行對比。結(jié)果表明，傳統(tǒng)水冷方案下，電機(jī)在額定工況時(shí)繞組和鐵芯的最高溫度分別達(dá)到156 ℃和142 ℃；高負(fù)荷工況時(shí)，兩者溫度高達(dá)182 ℃和167 ℃；在水冷系統(tǒng)中加裝熱管后，在額定工況下繞組和鐵芯的最高溫度大幅降低至130 ℃和123 ℃，高負(fù)荷工況時(shí)僅為138 ℃和131 ℃。可見，采用熱管后，電機(jī)繞組和鐵芯的最高溫度分別降低了26 K和19 K，電機(jī)溫升問題得到明顯改善。

3. 3 某電動(dòng)汽車控制器液冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對某電動(dòng)汽車的電機(jī)控制器，開發(fā)了一套液冷散熱系統(tǒng)。該控制器的額定功率為100 kW，控制器的長寬高分別為360 mm、280 mm、80 mm，內(nèi)部共有6個(gè)IGBT功率模塊和12個(gè)電解電容。在每個(gè)IGBT模塊底部設(shè)置1個(gè)微通道冷板，利用冷板內(nèi)部的納米流體（SiC/水）吸收IGBT產(chǎn)生的熱量。所有冷板并聯(lián)后，與1個(gè)板翅式換熱器相連，冷卻液在換熱器中冷卻后再由隔膜泵壓入冷板，實(shí)現(xiàn)閉路循環(huán)。根據(jù)控制器的功率循環(huán)工況，對冷板進(jìn)行了流道布置和尺寸優(yōu)化，并確定了冷卻系統(tǒng)的主要參數(shù)。通過仿真計(jì)算分析了IGBT結(jié)溫的瞬態(tài)變化情況，同時(shí)與風(fēng)冷方案進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，使用風(fēng)冷散熱時(shí)，IGBT結(jié)溫在城市工況和高速公路工況下的峰值分別高達(dá)145 ℃和172 ℃，溫度波動(dòng)幅度分別達(dá)到35 K和48 K。采用納米流體液冷系統(tǒng)后，城市工況下IGBT結(jié)溫峰值降至103 ℃，波動(dòng)幅度減小到15 K；高速公路工況時(shí)結(jié)溫峰值為116 ℃，波動(dòng)幅度減小到22 K。因此，采用液冷可顯著降低IGBT在各工況下的最高結(jié)溫，且溫度波動(dòng)幅度減小一半以上，大大改善了控制器的散熱條件。

4 結(jié)語

在全球能源轉(zhuǎn)型的背景下，電動(dòng)汽車的發(fā)展速度正經(jīng)歷前所未有的增長，其伴隨而來的熱管理難題使得傳統(tǒng)車載熱管理系統(tǒng)面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，開發(fā)新的熱管理技術(shù)顯得尤為重要。PCM、熱電制冷技術(shù)及納米流體等前沿科技，憑借其獨(dú)特的運(yùn)行機(jī)理與卓越的熱傳導(dǎo)性能，在電動(dòng)車電池包、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電子控制單元等核心組件的熱控領(lǐng)域得到了應(yīng)用。通過仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證，本文所述的熱管理系統(tǒng)能夠有效提升動(dòng)力系統(tǒng)在溫度均衡性、運(yùn)行穩(wěn)定度及使用壽命等方面的性能，同時(shí)也提高了電動(dòng)汽車的整體效能。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 叢昊天，秦妍，陳聰，等.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制冷與空調(diào)，2024（6）：1-9.

[2] 習(xí)璐.基于目標(biāo)探測的車載燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)集成化設(shè)計(jì)[J].環(huán)境技術(shù)，2023，41（11）：121-126.

[3] 邱潔玉，賈照麗，黃愛娣.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)性能研究與實(shí)驗(yàn)測試[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2023，48（14）：1-6.

[4] 柯巧敏，郭劍，王亦偉，等.車用鋰離子電池液冷式熱管理系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[J].新能源進(jìn)展， 2021，9（6）：479-488.

[5] 劉文濤.電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池BMS管理系統(tǒng)綜述[J].摩托車技術(shù)，2020（8）：36-38.