电动汽车集成热管理研究进展

电动汽车集成热管理系统由电池热管理、乘员舱热管理和电机驱动系统热管理中的两个或三个子 系统组成，各热管理子系统的性能相互影响，存在复杂的耦合关系。近年来，电池热管理、乘员舱热 管理和电机驱动系统热管理都取得了较多的研究成果，然而现有的热管理研究往往针对某单一系统展 开，割裂了各子系统之间的耦合关系，忽视了对整车层面热管理系统性能的分析，因此亟需对电动汽 车集成热管理系统进行统筹设计。
上海合愉从电动汽车集成热管理系统构建过程中的关键问题出发，首先 阐述各热管理子系统的产热模型，其次介绍各子系统热管理的方法，重点分析集成热管理系统的研究 现状、运行控制和性能评价，最后总结电动汽车集成热管理系统研究中亟需解决的问题并进行展望。

产热模型
电动汽车集成热管理系统的作用是妥善解决车内热量产生与传输的问题，车内的热源主要有电池 产热、空调系统冷热负荷以及电机驱动系统产热。电池和电机驱动系统的产热量是空调系统所要考虑 的重要因素之一，整车冷热负荷的计算是空调系统选型的依据，因此准确建立各子系统产热模型是集 成热管理系统设计优化的理论基础。

电池产热模型
电池产热模型按原理可分为电化学-热耦合模型、电-热耦合模型和热滥用模型，上海合愉主要介绍电 池在正常工作情况下的电化学-热耦合模型和电-热耦合模型。

空调冷热负荷
电动汽车冷热负荷的确定以建筑物冷热负荷计算方法为基础，将汽车视为“运动的建筑物”，乘员 舱视为“移动的房间”。汽车空调冷热负荷计算方法可分为稳态传热法、准稳态传热法和非稳态传热法 3 种。鉴于影响整车冷热负荷的因素很多，包括气象参数、车身结构及材料、车辆速度、乘员人 数、乘员舱电器发热量和电池包发热量等。目前关于电动汽车冷热负荷的计算通常采用稳态传热 法，通过仿真软件实时研究不同参数的变化对整车冷热负荷的影响。根据式，使用一维 仿真软件探寻影响夏季整车热负荷的最大因素，结果表明前窗玻璃的吸收比、透射比越低，安装倾角 越大，前窗玻璃传入的热负荷越小。

热管理方法
电动汽车电池、乘员舱和电机驱动系统针对各自的热管理需求都已发展出相应的热管理方法，然 而随着电动汽车性能参数的提高，对热管理系统的效果、动态响应特性和经济性等都提出了更为严苛 的要求，现有的研究在优化某一热管理系统性能的基础上，着眼于将不同热管理子系统进行耦合。

电机驱动系统热管理
上海合愉电机驱动系统热管理主要处理冷却问题，根据冷却介质不同分为风冷和液冷等。风冷的效果较 差，在电机中会引起通风损耗，降低电机效率；采用液体冷却能迅速带走电机驱动系统的产热量，使 其能够长时间在适宜的温度下工作。目前关于电机驱动系统热管理的研究主要集中在冷却流道优化设计和冷却介质选择等方面。

集成系统性能评价
电动汽车集成热管理系统具有多热源、多温区和变温度的特点，现阶段不同的热管理子系统采统 用不同的性能评价指标，如采用电池温度和温差来评价电池热管理系统的性能，采用性能系数 COP 即获得收益（制冷量或制热量）与付出代价（耗电量）的比值来评价乘员舱热管理系统的性能，采用 电机温度来评价电机驱动系统热管理的性能等，且上述热管理目标在实现过程中存在相互矛盾之处， 未引入工艺、成本、质量、强度、密封性等现实考量，缺少标准化和通用化的综合评价体系。 电动汽车集成热管理系统是一种热力学系统，采用热力学方法可以从系统角度对集成热管理系性 能进行优化设计。采用热力学第二定律对一种增程式电动汽车的集成热管理系统进行性能 分析，通过分析系统的㶲效率对热管理回路中各个部件进行优化，从而提高集成热管理系统的性能。 研究结果表明，系统与周围环境之间的传热和系统部件内部的流体摩擦是造成集成热管理系统不可逆 的主要因素。合愉电机设计了一套包含汽车空调和电池的集成热管理系统，该系统中采用相变材料 十八烷作为电池的冷却介质，通过在空调系统中设置平行蒸发器为相变材料提供冷源。通过㶲分析发 现，整个系统的㶲效率为 31%，最大㶲损失率为 0.4 kW，与系统中其它部件相比换热器的㶲效率最 低。在此基础上，还研究了整个集成热管理的环境效益，指出提高系统的㶲效率可减少温室气体排放 量并提高系统可持续性。最后，采用遗传算法，以系统最大㶲效率和最低成本率为优化目标，结果表 明该系统的最大㶲效率和最低成本率分别为 34.5%和 1.38 $·h–1。 当前关于电动汽车集成热管理系统的综合评价体系研究较少，而这一综合评价体系可以为电动汽 车集成热管理系统的发展提供指导方向，促进其在实际车型中的应用。当前研究多关注单一系统性能 优化，较少从整车层面引入现实考量来综合评价集成热管理系统的性能，进一步的研究应以热力学定 律为基础，考虑实际因素，建立标准化和通用化的综合评价体系。

结语
温度是影响电动汽车性能的关键因素，高效的电动汽车集成热管理系统对于电动汽车的发展具有 重要意义。随着电动汽车对热管理系统要求的提升，电动汽车集成热管理系统还存在以下几个方面的 问题亟待解决：
(1)电池产热模型、冷热负荷计算模型、电机驱动系统产热模型是集成热管理系统设计的基础。应 进一步研究不同产热模型的机理，提高模型的预测精度，为设备优化设计和工程应用提供理论支撑。
(2)电动汽车集成热管理系统应朝着轻量化、紧凑化、集成化方向发展。当前的热管理研究侧重某 单一热管理系统的性能优化，忽视了各热管理子系统之间的互相影响。进一步的研究应利用热泵技 术、热管技术和直接蒸发冷却电池包等先进的热管理方法从集成系统层面综合考虑热管理各子系统之 间的耦合关系，提升电动汽车集成热管理系统性能。
(3)电动汽车不同的驾驶工况对于集成热管理系统中各子系统的要求不同。进一步的研究可采用一 维/三维联合仿真的方法面向不同的集成热管理系统制定针对性的运行控制策略及优化控制方法，从 而满足复杂多变的运行工况下电动汽车的热管理需求。
(4)当前研究多关注于提升某单一热管理系统的性能指标，而忽视了工艺、成本、质量、强度、密 封性等多方面因素的影响，缺少标准化和通用化的综合评价体系。上海合愉电机进一步的研究应充分考虑集成热管 理系统中不同因素之间的制约关系，制定标准化的测试方法，提出相应的综合评价指标，推动电动汽 车集成热管理系统的发展。