摘要：針對(duì)新能源汽車熱管理技術(shù)展開研究，重點(diǎn)分析了電池、電機(jī)和乘員艙的熱管理需求，并詳細(xì)討論了熱管理技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)進(jìn)一步總結(jié)和展望了新能源汽車熱管理技術(shù)未來的發(fā)展方向。研究結(jié)果能為新能源汽車熱管理技術(shù)的進(jìn)一步研究提供參考。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；熱管理；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：U469.7 收稿日期：2024-05-12

DOI：1019999/jcnki1004-0226202408014

1 前言

隨著全球氣候變化問題的日益嚴(yán)峻，各國越來越關(guān)注碳排放對(duì)環(huán)境的影響。為應(yīng)對(duì)全球氣候變化挑戰(zhàn)，中國作為世界上人口最多且碳排放量最大的國家之一，已明確提出了2030年前碳達(dá)峰以及2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的宏偉目標(biāo)。這一目標(biāo)的提出和實(shí)現(xiàn)，不僅對(duì)中國自身的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要，也對(duì)全球環(huán)境保護(hù)和氣候變化的應(yīng)對(duì)具有深遠(yuǎn)的影響[1]。新能源汽車的推廣和普及可以大幅減少汽車尾氣排放，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰目標(biāo)的關(guān)鍵措施之一。

然而，其性能、安全性和續(xù)航能力在很大程度上取決于其熱管理技術(shù)的應(yīng)用效果，特別是在動(dòng)力電池、電機(jī)及乘員艙方面熱管理技術(shù)的研究還面臨許多挑戰(zhàn)[2]。乘員艙的熱管理技術(shù)也面臨諸多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)不僅關(guān)乎乘客的舒適性，還直接影響到能耗效率和整車性能。優(yōu)化能效與提升乘客舒適度之間往往存在一定的矛盾，如何平衡這兩者是一大難題。因此，對(duì)新能源汽車熱管理技術(shù)的研究具有重要意義。

2.熱管理系統(tǒng)需求

2.1 電池?zé)峁芾硇枨?/p>

動(dòng)力電池是新能源汽車的核心部件，其性能直接影響新能源汽車的性能。其中鋰離子電池以其高能量密度、低自放電率、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍最廣。鋰離子電池的一般運(yùn)行溫度范圍介于-10～50 ℃之間。然而，在低溫環(huán)境下電池會(huì)出現(xiàn)活性明顯下降、電池的內(nèi)阻增加，以及低溫充電容易出現(xiàn)金屬鋰沉積而發(fā)生安全事故。

溫度超過50 ℃時(shí)，電池的正極晶格結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性變差，會(huì)加速老化。高溫運(yùn)作對(duì)充放電效率、電池壽命、內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)及安全性均有負(fù)面影響。因此，為了確保最佳性能和安全性，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)應(yīng)保持電池溫度在15～35 ℃之間。

新能源汽車由于電池單體數(shù)量需求較大，成組后的電池包發(fā)熱量也較大，但空間有限，就需要更有效的熱管理技術(shù)。同時(shí)還需考慮到熱不均勻性問題，一般小電池包（例如混動(dòng)電池包）的正常工作內(nèi)部能夠允許2～3 ℃的溫差，而大電池包內(nèi)電池之間的最大溫度差異不應(yīng)超過5 ℃[3]。

2.2 電機(jī)熱管理要求

為了應(yīng)對(duì)新能源汽車市場(chǎng)日益增長(zhǎng)的需求，電機(jī)需要具備更高的功率密度和轉(zhuǎn)速。這樣的需求增加了電機(jī)的損耗和提升了溫度，可能導(dǎo)致短路、磁體退磁和其他相關(guān)問題。電機(jī)過熱會(huì)導(dǎo)致其性能參數(shù)迅速下降，影響功率密度、耐用性和單次充電的駕駛距離。電動(dòng)汽車常用的電機(jī)類型有交流感應(yīng)電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)和永磁同步電機(jī)[4]。電機(jī)熱管理的兩種常用方法為空氣冷卻、液體冷卻和熱管冷卻技術(shù)。

2.3 座艙熱管理要求

駕駛員在行駛過程中的舒適度、注意力集中度和座艙的環(huán)境溫度密切相關(guān)，溫度不適可能會(huì)引發(fā)駕駛員疲勞，甚至認(rèn)知障礙，而使用合理的座艙熱管理技術(shù)有助于避免此類問題的發(fā)生。座艙熱管理系統(tǒng)須能根據(jù)季節(jié)變化，精確控制溫度、濕度和風(fēng)量等關(guān)鍵參數(shù)，保障車內(nèi)環(huán)境無論在炎夏或嚴(yán)冬均能為乘員提供恒定的舒適度。

不同季節(jié)對(duì)座艙環(huán)境的需求不一。在夏天，較理想的車內(nèi)溫度應(yīng)介于24～28 ℃，保持40%～65%的相對(duì)濕度，并通過0.3～0.4 m/s的氣流速度配合20～25 m3/h的新風(fēng)量來實(shí)現(xiàn)3.0～9.3 kW的熱負(fù)荷。而在冬季，則需保持18～20 ℃的車內(nèi)溫度和超過30%的濕度，同時(shí)調(diào)整氣流速度至0.2～0.3 m/s，并確保15～20 m3/h的新風(fēng)量，以保證1.5～6.0 kW的熱負(fù)荷[5]。

3.熱管理技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 電池?zé)峁芾?/p>

電池?zé)峁芾砑夹g(shù)是確保電池在其理想的工作溫度范圍內(nèi)工作，這樣有助于減緩電池老化，并大幅提升其安全性。電池?zé)峁芾砑夹g(shù)主要涉及冷卻和加熱兩個(gè)功能，如圖1所示。

3.1.1 電池冷卻

a.電池風(fēng)冷[6-7]：風(fēng)冷主要有兩種形式，一種是通過利用車輛運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)進(jìn)行被動(dòng)自然對(duì)流散熱（圖2a），另一種是借助風(fēng)扇產(chǎn)生的主動(dòng)強(qiáng)制氣流散熱（圖2b）[8]。自然對(duì)流相對(duì)操作簡(jiǎn)便和成本低廉，但受限于風(fēng)速不可控，散熱效果十分有限。而風(fēng)扇強(qiáng)制對(duì)流的可靠性更高，成為較為普遍的冷卻方式選擇。盡管如此，強(qiáng)制對(duì)流也存在電池單元內(nèi)溫度一致性的問題，電池單元溫度梯度變化較大，不利于電池穩(wěn)定工作。

b.電池液冷：相較于風(fēng)冷技術(shù)，電池液體冷卻技術(shù)（圖3）[9]。通過使用較高熱傳導(dǎo)能力的冷卻液（如水或乙二醇），更高效地把電池產(chǎn)生的熱量帶走。這種技術(shù)分為直接液冷和間接液冷[10]。在直接液冷中，例如沉浸式液冷，是將電池與其他發(fā)熱部件完全浸入冷卻液中，降低了噪音和能耗，同時(shí)也更好地控制了電池的溫度。但是由于系統(tǒng)重量和體積相對(duì)較大，以及在保持電池防水性能和避免電氣短路方面的高要求，這使其在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用受到限制。而間接液冷則通過特定部件，如冷卻板，來達(dá)到冷卻效果。電池產(chǎn)生的熱量通過中間部件再傳遞給冷卻液。間接液冷技術(shù)因其易于實(shí)施和較高的安全性，成為目前應(yīng)用較為廣泛的電池冷卻技術(shù)。

c.相變材料冷卻：相變材料（Phase Change Material，PCM）能夠利用相變過程中的熱量吸收或釋放，自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度，從而穩(wěn)定電池的工作溫度[11]。PCM材料可以分成三種類型：有機(jī)材料，如石蠟、烷烴和有機(jī)酸；無機(jī)材料，如水溶液、鹽類水合物和熔融鹽；共晶相變材料，一種由有機(jī)和無機(jī)組成的復(fù)合材料。實(shí)際應(yīng)用中，大多采用成本較低的工業(yè)石蠟作為相變材料。有機(jī)材料雖化學(xué)穩(wěn)定性好，但導(dǎo)熱性差；無機(jī)材料則具有更寬的溫度應(yīng)用范圍和更好的儲(chǔ)熱性能，但可能面臨相分離和腐蝕問題；共晶相變材料，比如石蠟與膨脹石墨的混合，通過添加納米粒子等填充劑，不僅提升了導(dǎo)熱率，也增加了相變潛熱，從而改善了熱管理效果。

d.熱管冷卻：熱管冷卻技術(shù)是一種基于相變傳熱的高效熱管理技術(shù)，可以迅速將熱量從電池內(nèi)部轉(zhuǎn)移出去（圖4）[12]，有效降低電池組的溫度[13]。熱管內(nèi)部的工質(zhì)選擇如水、乙二醇或丙酮等。熱管冷卻系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)包括高熱傳輸效率、體積小和重量輕，使其在電動(dòng)車電池?zé)峁芾碇杏葹檫m用。但熱管的制造成本相對(duì)較高，且其性能在很大程度上依賴于精確的設(shè)計(jì)和制造，如冷凝端的布置必須合理以確保最大的散熱效率。此外，熱管的布置和接觸面的設(shè)計(jì)也需確保充分的熱接觸，以避免因接觸不良導(dǎo)致的溫度分布不均。

e.制冷劑直接冷卻：直冷技術(shù)主要通過利用制冷劑的相變潛熱來散熱，與被動(dòng)式的PCW冷卻技術(shù)不同，直冷技術(shù)屬于主動(dòng)制冷。制冷劑直接流過電池模組或單體，通過其蒸發(fā)過程吸收熱量，從而快速降低電池的工作溫度。這種系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器以及節(jié)流裝置等組成部分，其中冷板充當(dāng)蒸發(fā)器的角色，通常置于電池模組底部。與風(fēng)冷和液冷技術(shù)相比，直冷系統(tǒng)的散熱效率顯著高出許多，結(jié)構(gòu)也更為緊湊[14]。

3.1.2 電池加熱

a.PTC加熱：正溫度系數(shù)熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient， PTC）廣泛應(yīng)用于新能源汽車電池加熱技術(shù)中，PTC的核心特性是當(dāng)電池溫度低于特定閾值時(shí)，PTC的電阻較低，允許較大電流通過以加熱電池。一旦溫度超過設(shè)定閾值，其電阻急劇增加，自動(dòng)減少電流流動(dòng)，有效防止電池過熱。PTC熱敏電阻通常由聚合物或陶瓷材料制成。除了其自限溫性的優(yōu)點(diǎn)，PTC成本低且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于整合進(jìn)現(xiàn)有電池管理系統(tǒng)。但PTC加熱是一種電加熱方法，會(huì)增加動(dòng)力電池能耗，降低續(xù)駛里程[15]。

b.熱泵加熱：熱泵技術(shù)原理類似于傳統(tǒng)汽車的空調(diào)系統(tǒng)，通過制冷劑循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行熱能的轉(zhuǎn)移。同時(shí)其還可以實(shí)現(xiàn)加熱功能，將空氣中的熱量通過制冷劑進(jìn)行吸收，制冷劑在高壓下變成高溫高壓氣體，然后通過壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，產(chǎn)生高溫高壓的制冷劑氣體，釋放出熱量。這部分熱量通過熱交換器傳遞給電池和座艙內(nèi)，起到加熱功能。在夏季，工作原理正相反，通過制冷劑的蒸發(fā)和冷凝，將車內(nèi)的熱量排出，實(shí)現(xiàn)空調(diào)降溫的功能[16]。熱泵技術(shù)能夠高效地利用空氣中的熱量，不需要使用傳統(tǒng)的電加熱器或者空調(diào)制冷器，從而減少能源的浪費(fèi)，提高能源利用效率，還能夠節(jié)省大量的電能，從而延長(zhǎng)電池的續(xù)航里程。

3.2 電機(jī)熱管理

a.定子冷卻：通常有風(fēng)冷和液冷兩種方式。其中風(fēng)冷通常用于熱密度相對(duì)較低的電機(jī)。這類電機(jī)外部殼體表面常設(shè)有散熱片以增加外殼與環(huán)境空氣間的熱交換面積，可以通過散熱片的幾何尺寸優(yōu)化來有效提高冷卻效果[17]。液冷技術(shù)則是通過設(shè)置液體流動(dòng)通道直接圍繞定子，利用液體的高熱容和熱導(dǎo)率傳遞熱量，通過優(yōu)化冷卻通道的形狀和流速來增強(qiáng)冷卻效果，確保電機(jī)在最佳溫度下運(yùn)行，提升其性能和延長(zhǎng)使用壽命。

b.繞組冷卻：按繞組的位置可分為槽內(nèi)繞組冷卻和端部繞組冷卻兩種。槽內(nèi)繞組直接與電機(jī)的磁鐵和電流相互作用，是熱量產(chǎn)生的主要位置之一。將冷卻通道集成到槽內(nèi)可以直接將熱量從源頭帶走。例如，一些設(shè)計(jì)中采用微通道冷卻技術(shù)，將極細(xì)的冷卻通道嵌入到繞組內(nèi)部，以提高冷卻效率和減少熱阻。端部繞組冷卻通常使用液體冷卻方法。

c.轉(zhuǎn)子冷卻：轉(zhuǎn)子冷卻技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)主要在于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)性質(zhì)。一種常見的方法是使用中空軸設(shè)計(jì)，通過軸內(nèi)部的冷卻通道引導(dǎo)冷卻劑，如油或水。這種設(shè)計(jì)不僅可以有效地管理轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量，還可以通過油的循環(huán)利用帶走熱量，達(dá)到冷卻的目的[18]。

3.3 座艙熱管理

新能源汽車的乘員艙熱管理系統(tǒng)在確保乘客舒適度、提升能源效率以及延長(zhǎng)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程方面起著至關(guān)重要的作用。對(duì)于夏季制冷，系統(tǒng)主要通過蒸發(fā)循環(huán)來降低溫度，而冬季取暖則涉及多樣化的技術(shù)應(yīng)用。

在電動(dòng)汽車的早期階段，座艙熱管理主要依靠PTC加熱器，該技術(shù)雖能迅速提供熱量，但因能效比低而效率不高，這直接影響了電動(dòng)汽車的續(xù)航里程[19]。隨著技術(shù)進(jìn)步，熱泵系統(tǒng)因其更高的能效比而逐漸取代了PTC加熱方式，顯著提升了制熱效率，并理論上能顯著延長(zhǎng)電動(dòng)汽車在冬季的續(xù)航能力。

然而，熱泵系統(tǒng)在高寒環(huán)境下會(huì)面臨效率降低的問題，主要是由于極低溫導(dǎo)致冷媒蒸發(fā)壓力和吸熱量減少。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，一般采用廢熱回收、除霜等多項(xiàng)技術(shù)以提高熱泵在低溫下的性能。尤其是廢熱回收技術(shù)，通過使用電動(dòng)汽車動(dòng)力電池和電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的余熱，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的熱效率。同時(shí)，新興的座艙熱管理技術(shù)如相變材料儲(chǔ)能和太陽能增益捕獲技術(shù)正在逐步開發(fā)中。相變材料通過在車內(nèi)溫度過高時(shí)儲(chǔ)存熱量，在溫度過低時(shí)釋放熱量以調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度。太陽能增益技術(shù)試圖通過車頂太陽能板收集太陽能，為熱管理系統(tǒng)提供額外能源。

4 熱管理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

新能源汽車熱管理技術(shù)的發(fā)展正朝著更高的整合度、模塊化、智能化以及不斷探索新技術(shù)的方向迅速演進(jìn)。這些發(fā)展趨勢(shì)不僅響應(yīng)了電動(dòng)汽車行業(yè)對(duì)效率和性能的嚴(yán)格要求，也體現(xiàn)了對(duì)環(huán)境影響的深刻考慮。

a.整車熱管理一體化：隨著科技的進(jìn)步，熱管理系統(tǒng)正朝向一體化、集成化發(fā)展，這涉及電池管理、座艙環(huán)境控制以及電機(jī)的溫度調(diào)節(jié)。一體化熱管理系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)車輛的所有熱源和熱負(fù)荷，優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的熱效率，達(dá)到降低能耗和提高車輛的續(xù)航能力的目的。

b.結(jié)構(gòu)模塊化：通過推廣標(biāo)準(zhǔn)化和互換性強(qiáng)的組件，顯著優(yōu)化了整個(gè)熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)。模塊化設(shè)計(jì)不僅簡(jiǎn)化了制造過程，還降低了后期的維護(hù)難度和成本。同時(shí)可以推動(dòng)跨車型的部件共享，加速了新技術(shù)的推廣應(yīng)用。

c.控制智能化：通過結(jié)合先進(jìn)的傳感器、控制算法和數(shù)據(jù)分析等手段，智能化系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和外部環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整，優(yōu)化能效，提高乘坐舒適度，還可預(yù)測(cè)維護(hù)需求，降低故障率，延長(zhǎng)組件壽命。

d.新技術(shù)探索：隨著新材料和新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，新能源汽車熱管理系統(tǒng)也在不斷探索創(chuàng)新解決方案，比如太陽能增益技術(shù)和余熱回收技術(shù)。這些技術(shù)不僅能提高能源利用率，還能降低環(huán)境影響。

5 結(jié)語

本文全面探討了新能源汽車熱管理系統(tǒng)的需求、熱管理技術(shù)現(xiàn)狀以及未來的發(fā)展趨勢(shì)。通過多種技術(shù)創(chuàng)新，熱管理系統(tǒng)不僅能提升電動(dòng)汽車的整體性能，還能顯著提高能效和乘客舒適度。面對(duì)全球碳減排的壓力和環(huán)保要求，新能源汽車的高效熱管理技術(shù)不僅能提升電動(dòng)汽車的續(xù)航里程和性能，還有助于降低能源消耗和環(huán)境影響。展望未來，隨著材料科學(xué)、傳感器技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理能力的進(jìn)步，預(yù)計(jì)新能源汽車的熱管理技術(shù)將更加高效、智能和環(huán)境友好。

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作者簡(jiǎn)介：

李鈺，男，1989年生，助教，研究方向?yàn)樾履茉雌嚒?/p>

基金項(xiàng)目：山西工程職業(yè)學(xué)院2022年度院級(jí)課題“新能源汽車發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)研究”（KY2022-09）；山西工程職業(yè)學(xué)院2024年度橫向技術(shù)服務(wù)項(xiàng)目“工程機(jī)械質(zhì)量管理技術(shù)服務(wù)”（HX-202459）