電動(dòng)汽車熱管理技術(shù)研究進(jìn)展

摘要：電動(dòng)汽車熱管理技術(shù)是駕乘安全與舒適的重要保證，是電動(dòng)汽車發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)之一。本文從電動(dòng)汽車熱管理需求、發(fā)展歷程以及關(guān)鍵零部件技術(shù)發(fā)展幾個(gè)方面，梳理總結(jié)了電動(dòng)汽車熱管理技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，并進(jìn)一步從環(huán)保制冷劑替代，智能化控制與乘員艙舒適性提升方面對電動(dòng)汽車熱管理未來技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了闡述與展望，以期為業(yè)內(nèi)同行提供參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車熱管理熱泵 系統(tǒng)構(gòu)架 技術(shù)進(jìn)展

純電動(dòng)汽車的綜合能效高、環(huán)境污染相對較小，是我國優(yōu)先發(fā)展的新能源汽車形式，隨著純電動(dòng)汽車相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大。受制于動(dòng)力電池的能量密度與材料性質(zhì)，純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵問題，而整車熱管理系統(tǒng)的需求與能耗逐步引起了行業(yè)的廣泛關(guān)注。行駛的機(jī)動(dòng)性使汽車面臨的環(huán)境氣候條件復(fù)雜多變，對于純電動(dòng)汽車而言，沒有了傳統(tǒng)燃油汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)熱系統(tǒng)，汽車熱系統(tǒng)在滿足車室環(huán)境控制的同時(shí)，還需要滿足電池/電機(jī)/電控溫度控制、換熱器除霜、車窗玻璃除霧等需求，熱管理技術(shù)是汽車駕乘安全與舒適的重要保證，已成為電動(dòng)汽車發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)。

1 電動(dòng)汽車熱管理需求

乘員艙是汽車行駛過程駕駛?cè)藛T所處的環(huán)境空間，為保證駕駛?cè)藛T舒適的駕駛環(huán)境，乘員艙熱管理需要控制車室內(nèi)環(huán)境的溫度、濕度、送風(fēng)溫度等。乘員艙在不同情況下的熱管理需求如表 1 所示。

表1 乘用車乘員艙空調(diào)需求

動(dòng)力電池溫控是保障電動(dòng)汽車高效安全運(yùn)行的重要前提，在溫度過高時(shí)將引發(fā)漏液、自燃等現(xiàn)象，影響駕駛安全; 溫度過低時(shí)，電池充放電能力均會有一定的衰減。由于能量密度高、輕量化，鋰電池成為電動(dòng)汽車應(yīng)用最廣泛的動(dòng)力電池。鋰電池溫控需求以及根據(jù)文獻(xiàn)所估算出的不同狀況下電池?zé)嶝?fù)荷如表 2 所示。隨著動(dòng)力電池能量密度的逐步提升、工作環(huán)境溫區(qū)范圍的拓展以及快充速度的攀高，動(dòng)力電池溫控在熱管理系統(tǒng)中的重要性也更加突出，不僅需要滿足不同路況、不同充放電模式等車輛使用工況下的溫控負(fù)荷變化，電池組間溫度場均勻性與熱失控防控，還需要滿足嚴(yán)寒、高熱高濕地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)等不同環(huán)境工況下的所有溫控需求。

表 2 鋰電池溫控需求及熱負(fù)荷

電機(jī)與電控是電動(dòng)汽車關(guān)鍵的能量輸出環(huán)節(jié)，電機(jī)工作過程中由于線圈電阻發(fā)熱、機(jī)械摩擦生熱等原因會產(chǎn)生大量熱量，溫度過高導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部短路、磁體的不可逆退磁等問題。根據(jù)當(dāng)前電動(dòng)汽車市場不同車型電機(jī)配置情況，乘用車電機(jī)與電控溫控需求以及考慮電機(jī)效率和電機(jī)功率情況下的電機(jī)發(fā)熱功率如表 3 所示。隨著電動(dòng)汽車的普及以及應(yīng)用場景的增多，汽車動(dòng)力需求不斷提升，電動(dòng)汽車電機(jī)需要更高的功率、扭矩以及轉(zhuǎn)速，同時(shí)也意味著更高的發(fā)熱量，因此電機(jī)系統(tǒng)的熱管理需求逐漸提高。

表 3 乘用車電機(jī)、電控溫控需求以及電機(jī)發(fā)熱功率

2 電動(dòng)汽車熱管理技術(shù)發(fā)展歷程

整車熱管理是電動(dòng)汽車發(fā)展的核心技術(shù)之一，涉及乘員艙溫濕環(huán)境調(diào)控、動(dòng)力系統(tǒng)溫控、玻璃防霧除霧等多目標(biāo)管理。根據(jù)熱管理系統(tǒng)架構(gòu)與集成化程度，將電動(dòng)汽車熱管理的發(fā)展歸納為三個(gè)階段，如圖 1 所示。從單冷配合電加熱到熱泵配合電輔熱再到寬溫區(qū)熱泵與整車熱管理逐步耦合，電動(dòng)汽車整車熱管理技術(shù)逐漸朝著高度集成化、智能化的方向發(fā)展，并且在寬溫區(qū)、極端條件下的環(huán)境適應(yīng)性能力逐漸提升。

圖 1 電動(dòng)汽車熱管理構(gòu)型發(fā)展趨勢

2. 1 第一階段 PTC 供熱

在電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化起步階段，基本是以電池、電機(jī)等動(dòng)力系統(tǒng)的替代為核心技術(shù)發(fā)展起來的，車室空調(diào)、車窗除霧、動(dòng)力部件溫控等輔助系統(tǒng)是在傳統(tǒng)燃油汽車熱管理技術(shù)基礎(chǔ)上逐步改進(jìn)而來的。純電動(dòng)汽車空調(diào)與燃油汽車空調(diào)都是通過蒸氣壓縮循環(huán)來實(shí)現(xiàn)制冷功能，兩者的區(qū)別是燃油汽車空調(diào)壓縮機(jī)由發(fā)動(dòng)機(jī)通過皮帶間接驅(qū)動(dòng)，而純電動(dòng)車則直接使用電驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)來驅(qū)動(dòng)制冷循環(huán)。燃油汽車冬季制熱時(shí)直接利用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱對乘員艙進(jìn)行供熱，不需要額外的熱源，而純電動(dòng)車的電機(jī)余熱無法滿足冬季制熱的需求，因此冬季制熱是純電動(dòng)汽車需要解決的問題。正溫度系數(shù)加熱器( positive temperature coefficient，PTC) 由 PTC 陶瓷發(fā)熱元件與鋁管組成，具有熱阻小、傳熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，并且在燃油汽車的車身基礎(chǔ)上改動(dòng)較小，因此早期的電動(dòng)汽車采用蒸氣壓縮制冷循環(huán)制冷加 PTC 制熱的方式來實(shí)現(xiàn)乘員艙的熱管理，例如圖 2 所示的早期三菱公司的 i-MIEV 電動(dòng)汽車。與燃油汽車由燃料提供能量不同，電動(dòng)汽車由動(dòng)力電池提供能量。電動(dòng)汽車正常運(yùn)行時(shí)，動(dòng)力電池放電產(chǎn)熱，溫度升高，需要對電池進(jìn)行降溫。電池冷卻的方法主要有空氣冷卻、液體冷卻、相變材料冷卻、熱管冷卻，由于空氣冷卻結(jié)構(gòu)簡單、成本低、便于維護(hù)，在早期的電動(dòng)車上得到廣泛應(yīng)用。這一階段的熱管理主要形式是各個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)分別滿足熱管理的需求。

圖 2 早期電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)

2. 2 第二階段熱泵技術(shù)應(yīng)用

在實(shí)際使用過程中電動(dòng)汽車冬季供熱能耗需求較高，從熱力學(xué)角度來說 PTC 制熱的 COP 始終小于 1，使得 PTC 供熱耗電量較高，能源利用率低，嚴(yán)重制約了電動(dòng)汽車的行駛里程。而熱泵技術(shù)利用蒸氣壓縮循環(huán)將環(huán)境中的低品位熱量進(jìn)行利用，制熱時(shí)的理論 COP 大于 1，因此使用熱泵系統(tǒng)代替 PTC 可以增加電動(dòng)汽車制熱工況下的續(xù)航里程。圖 3 所示為寶馬 i3 車型采用熱泵系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)冬季制熱。此外，一汽奔騰與紅旗、上汽榮威等也在部分車型上采用了熱泵系統(tǒng)。然而在低溫環(huán)境下，傳統(tǒng)熱泵系統(tǒng)制熱量衰減嚴(yán)重，無法滿足電動(dòng)汽車低溫環(huán)境制熱需求，需要額外的加熱器輔助加熱，因此熱泵加 PTC 圖 3 寶馬 i3 電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng) Fig．3 Heat pump of BMW-i3 輔熱的制熱方式成為電動(dòng)汽車冬季低溫環(huán)境下乘員艙制熱的主要方式。隨著動(dòng)力電池容量與功率的進(jìn)一步提升，動(dòng)力電池運(yùn)行過程的熱負(fù)荷也逐漸增大，傳統(tǒng)的空冷結(jié)構(gòu)無法滿足動(dòng)力電池的溫控需求，因此液冷成為當(dāng)前電池溫控的主要方式。并且，由于人體所需的舒適溫度和動(dòng)力電池正常工作所處的溫度相近，可以通過在乘員艙熱泵系統(tǒng)中并聯(lián)換熱器的方式來分別滿足乘員艙與動(dòng)力電池制冷的需求。通過換熱器以及二次冷卻間接帶走動(dòng)力電池的熱量，電動(dòng)汽車整車熱管理系統(tǒng)集成化程度有所提高。雖然集成化程度有所提升，但這一階段的熱管理系統(tǒng)只對電池制冷與乘員艙制冷進(jìn)行了簡單整合，電池、電機(jī)余熱未得到有效利用。

圖 3 寶馬 i3 電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)

2. 3 第三階段 寬溫區(qū)熱泵及整車熱管理集成一體化技術(shù)發(fā)展

傳統(tǒng)熱泵空調(diào)在高寒環(huán)境下制熱效率低、制熱量不足，制約了電動(dòng)汽車的應(yīng)用場景。因此，一系列提升熱泵空調(diào)低溫工況下性能的方法得以開發(fā)應(yīng)用。通過合理增加二次換熱回路，在對動(dòng)力電池與電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻的同時(shí)，對其余熱進(jìn)行回收利用，以提高電動(dòng)汽車在低溫工況下的制熱量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，余熱回收式熱泵空調(diào)與傳統(tǒng)熱泵空調(diào)相比，制熱量顯著提升。各熱管理子系統(tǒng)耦合程度更深的余熱回收式熱泵以及集成化程度更高的整車熱管理系統(tǒng)在特斯拉 Model Y、大眾 ID4．CＲOZZ 等車型上已得以應(yīng)用( 圖 4) 。但當(dāng)環(huán)境溫度更低， 且余熱回收量更少時(shí)，僅通過余熱回收依然無法滿足低溫環(huán)境下的制熱量需求，仍需使用 PTC 加熱器來彌補(bǔ)上述情況下制熱量的不足。但隨著電車整車熱管理集成程度的逐漸提升，可以通過合理的增大電機(jī)發(fā)熱量的方式來增加余熱的回收量，從而提高熱泵系統(tǒng)的制熱量與 COP，避免了 PTC 加熱器的使用，在進(jìn)一步降低熱管理系統(tǒng)空間占用率的同時(shí)滿足電動(dòng)汽車在低溫環(huán)境下的制熱需求。除電池、電機(jī)系統(tǒng)余熱回收利用外，回風(fēng)利用也是降低低溫工況下熱管理系統(tǒng)能耗的方式。研究結(jié)果表明，低溫環(huán)境下，合理的回風(fēng)利用措施能夠在避免車窗起霧、結(jié)霜的同時(shí)使電動(dòng)汽車所需制熱量下降 46% ～ 62%，最大能夠降低約 40%的制熱能耗。日本電裝也開發(fā)了相應(yīng)的雙層回風(fēng) /新風(fēng)結(jié)構(gòu)，能夠在防起霧的同時(shí)降低 30%由通風(fēng)引起的熱損失。這一階段電動(dòng)汽車熱管理在極端條件下的環(huán)境適應(yīng)能力逐漸提升，并朝著集成化、綠色化的方向發(fā)展。

圖 4 集成熱管理系統(tǒng)

為進(jìn)一步提高電池高功率情況下的熱管理效率， 降低熱管理復(fù)雜程度，將制冷劑直接送入電池組內(nèi)部進(jìn)行換熱的直冷直熱式電池溫控方式也是目前的一個(gè)技術(shù)方案，一種電池包與制冷劑直接換熱的熱管理構(gòu)型如圖 5 所示。直冷技術(shù)能夠提高換熱效率與換熱量，使電池內(nèi)部獲得更均勻的溫度分布，減少二次回路的同時(shí)增大系統(tǒng)余熱回收量，進(jìn)而提高電池溫控性能。但由于電池與制冷劑直接換熱技術(shù)需要通過熱泵系統(tǒng)的工作提高冷熱量，一方面電池溫控受限于熱泵空調(diào)系統(tǒng)的啟停，并對制冷劑環(huán)路的性能有一定影響，另一方面也限制了過渡季節(jié)的自然冷源利用，因此該技術(shù)仍需通進(jìn)一步的研究改進(jìn)與應(yīng)用評估。

圖 5 電池與制冷劑直接換熱的系統(tǒng)原理
3 關(guān)鍵部件研究進(jìn)展

電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)由多個(gè)部件組成，主要包括電動(dòng)壓縮機(jī)、電子閥、換熱器、各種管路以及儲液器等主要部件。其中，壓縮機(jī)、電子閥和換熱器是熱泵系統(tǒng)最核心的部件。隨著電動(dòng)汽車輕量化的需求不斷提升，系統(tǒng)集成化程度不斷深入，電動(dòng)汽車熱管理部件也在向輕量化、集成化、模塊化的方向不斷發(fā)展。為提高電動(dòng)汽車在極端條件下的適用性，能夠在極端條件下正常工作并滿足汽車熱管理性能需求的部件也在相應(yīng)的開發(fā)應(yīng)用。

3. 1 電動(dòng)壓縮機(jī)

壓縮機(jī)是空調(diào)系統(tǒng)的心臟，與燃油車不同，電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)由獨(dú)立的電動(dòng)壓縮機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，為滿足應(yīng)用場景的需要，電動(dòng)汽車壓縮機(jī)還必須滿足輕量化、高效化和可靠性高的需求。渦旋式壓縮機(jī)體積小、重量輕、效率高，因此成為目前車用電動(dòng)壓縮機(jī)的主要形式。在低溫環(huán)境下，壓縮機(jī)吸氣壓力較低，使吸氣密度與質(zhì)量流量較低，同時(shí)還使壓縮機(jī)運(yùn)行壓力比增大，等熵效率降低，造成冬季制熱效率低、制熱量不足的問題。此外，壓比過大還會造成壓縮機(jī)排氣溫度過高，導(dǎo)致潤滑油碳化失效，嚴(yán)重影響壓縮機(jī)運(yùn)行的安全。因此需要增強(qiáng)壓縮機(jī)在低溫環(huán)境下的制熱能力，同時(shí)降低壓縮機(jī)排溫。渦旋壓縮機(jī)補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)原理如圖 6 所示，中間補(bǔ)氣能夠引入額外的中間壓力的低溫制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)，降低壓縮機(jī)的排氣溫度和比功。因此適用于電動(dòng)汽車的中間補(bǔ)氣式壓縮機(jī)成為提升電動(dòng)壓縮機(jī)低溫工況下性能的重要技術(shù)方案。補(bǔ)氣式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容主要集中在補(bǔ)氣口開口位置、數(shù)量、幾何結(jié)構(gòu)等方向上，相關(guān)研究內(nèi)容如表 4 所示。Han Xinxin 等研制了一種適用于電動(dòng)客車的噴射補(bǔ)氣式熱泵系統(tǒng)， 測試結(jié)果表明，在－20 ℃ /20 ℃ 測試工況下，噴射補(bǔ)氣式熱泵系統(tǒng)的 COP 為 1. 60，比無噴射補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng)的 COP 提高 14. 5%。除研究工作外，純電動(dòng)客車大溫差高能效熱泵空調(diào)已在實(shí)車上得以驗(yàn)證，上海松芝、湖南華強(qiáng)等電動(dòng)客車空調(diào)企業(yè)均推出了噴射補(bǔ)氣準(zhǔn)二級壓縮的低環(huán)溫?zé)岜每照{(diào)系統(tǒng)。

圖 6 渦旋壓縮機(jī)補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)及補(bǔ)氣系統(tǒng)原理表 4 補(bǔ)氣壓縮機(jī)性能研究

油循環(huán)率對電動(dòng)壓縮機(jī)性能的影響也十分顯著，系統(tǒng)的油循環(huán)率是通過壓縮機(jī)內(nèi)置的油分離 器來控制實(shí)現(xiàn)的。油循環(huán)率在約 5%時(shí)，系統(tǒng)能夠達(dá)到最佳性能，不同進(jìn)油口結(jié)構(gòu)對油分離效率影響較大，并且當(dāng)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在某個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)，油分離效率將達(dá)到最佳。因此，在對電動(dòng)壓縮機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮油分離器與電動(dòng)壓縮機(jī)的適配性。

3. 2 換熱器

換熱器是汽車熱管理系統(tǒng)重要部件，換熱能力對 系統(tǒng)整體效率影響較大，并且換熱器空間占用率較高，因此電動(dòng)汽車換熱器朝著高效化、結(jié)構(gòu)緊湊化發(fā)展。結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效率高的微通道換熱器成為電動(dòng)汽車換熱器的首選，并廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)。微通道換熱器存在流量分配不均導(dǎo)致?lián)Q熱器表面溫度分布不均以及由于結(jié)霜引起換熱能力下降的問題。提升微通道換熱器性能的關(guān)鍵在于合理的流量分配方式與除霜技術(shù)。關(guān)于流量分配的相關(guān)研究如表 5 所示。較低的溫度、較小的風(fēng)量以及較大的濕度是引起換熱器結(jié)霜的主要因素。A． J． Mahvi 等的研究結(jié)果表明，提高換熱器表面的疏水性能夠延遲結(jié)霜，保持較高的傳熱效率。除了對換熱器表面進(jìn)行處理以防止換熱器結(jié)霜之外，合理的除霜策略也必不可少。換熱器除霜策略主要包括熱氣旁通除霜、逆循環(huán)除霜等。熱氣旁通除霜會導(dǎo)致車輛冬季制熱性能不足，除霜速度緩慢。逆循環(huán)除霜的方式無法保證乘員艙內(nèi)溫度的穩(wěn)定。有學(xué)者提出將逆循環(huán)除霜與熱氣旁通除霜相結(jié)合的復(fù)合除霜方式，能夠在有效降低能耗的同時(shí)，保證乘員艙溫度的穩(wěn)定性。

表 5 微通道換熱器換熱性能研究

隨著電動(dòng)汽車熱管理各子系統(tǒng)之間的耦合程度逐漸加深，需要結(jié)構(gòu)更加緊湊、換熱能力更強(qiáng)的換熱器來完成子系統(tǒng)之間的熱量傳遞，因此板式換熱器成為例如電子冷卻器等換熱器的形式首選。板式換熱器由帶有波紋的板片疊加而成，常見的波紋形式有人字波紋、球形波紋、平直波紋等，如圖 7 所示。為滿足更高的換熱量需求，提高電池冷卻器傳熱效率，可以通過合理設(shè)計(jì)換熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加入口效應(yīng)，提高湍流度等方式使其達(dá)到更高的傳熱系數(shù)。

圖 7 板式換熱器板片結(jié)構(gòu)

回?zé)崞鞯氖褂媚軌蛱岣咧评鋭┰谂蛎涢y進(jìn)口的過冷度，是提升汽車空調(diào)性能的一種優(yōu)化方案。套管式換熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、壓降小的特點(diǎn)，能夠滿足汽車空調(diào)回?zé)崞鞯男枨?。?yīng)用于汽車空調(diào)的回?zé)崞髦饕峭S套管式回?zé)崞?，為增?qiáng)換熱能力，通常會在換熱器內(nèi)部增加肋片，不同肋片的同軸套管式回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)如圖 8 所示。受制于車身空間限制，直管式套管換熱器長度會受到限制，導(dǎo)致回?zé)崃坎蛔恪Ｈ鐖D 9 所示的螺旋管套管式回?zé)崞髂軌蛟龃蠡責(zé)崃?，但會使制冷劑壓降有所上升。隨著系統(tǒng)集成程度的提高，回?zé)崞魍ǔ傻焦苈分?，或是?nèi)置于氣液分離器之中，降低空間占用率的同時(shí)減少有害過熱。

圖 8 同軸套管式回?zé)崞?/strong>

圖 9 螺旋管套管式回?zé)崞?/strong>
3. 3 集成化部件

熱管理系統(tǒng)耦合程度的加深提高了熱管理的效 率，但新增的閥件與管路使系統(tǒng)更為復(fù)雜。為簡化管路流程，降低熱管理系統(tǒng)空間占用率，熱管理系統(tǒng)部件在朝著集成化的方向發(fā)展。電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)包括多個(gè)載冷劑回路，這些回路又各自包括膨脹水壺、電磁閥等部件，這些部件通過管道連接，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且占用大量的空間。為降低熱管理系統(tǒng)載冷劑回路的復(fù)雜程度，特斯拉在 Model Y 車型上首次采用了八通閥，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)中的冗余管路和閥件，如圖 10 所示，這是一個(gè)擁有 8 個(gè)進(jìn)出口通路的閥組，可以通過切換來實(shí)現(xiàn)不同管路組合的聯(lián)通，大幅降低系統(tǒng)管路復(fù)雜程度的同時(shí)滿足熱管理系統(tǒng)多種工作模式的切換。小鵬汽車通過如圖 11 所示的集成式水壺結(jié)構(gòu)，將原本多個(gè)回路的水壺以及相應(yīng)的閥件、水泵集成到一個(gè)水壺之上，大幅降低載冷劑回路的復(fù)雜程度，降低空間占用率，同時(shí)降低管路中的壓降與熱損失，提高系統(tǒng)的綜合效率。

圖 10 特斯拉八通閥

圖 11 集成膨脹水壺及其熱管理系統(tǒng)

除載冷劑回路外，制冷劑回路集成化程度的提高也能夠降低熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜程度，比亞迪提出一種閥組集成模塊如圖 12 所示，包括多個(gè)電磁膨脹閥與通斷閥，并將板式換熱器集成到閥組之上，能夠完成熱管理系統(tǒng)多種運(yùn)行模式的切換，降低管路數(shù)量的同時(shí)減少制冷劑充注量。

圖 12 比亞迪集成閥組

為進(jìn)一步降低熱管理系統(tǒng)空間占用率，提高系統(tǒng)的集成程度，進(jìn)一步將控制器、板式換熱器、壓縮機(jī)等主要部件集成為一體，同時(shí)將原本熱管理系統(tǒng)眾多的管路功能通過基板來實(shí)現(xiàn)的理念也在電動(dòng)汽車熱管理行業(yè)開始逐步發(fā)展，這樣的高度集成可以使管路的數(shù)量大幅降低有利于熱管理系統(tǒng)的智能化控制與輕量化的發(fā)展。當(dāng)然，對于系統(tǒng)的維護(hù)而言，集成式系統(tǒng)也帶來了維護(hù)與檢測成本提高的問題，需要同時(shí)解決集成件中零部件的標(biāo)準(zhǔn)化和可替換問題。

4 電動(dòng)汽車整車熱管理發(fā)展趨勢

雖然當(dāng)下電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)與早期相比，在集成化與節(jié)能高效等方面已經(jīng)取得了較大發(fā)展，但在制冷劑替代、全氣候?qū)挏貐^(qū)熱泵系統(tǒng)開發(fā)、智能化控制等方面仍面臨較大挑戰(zhàn)。

4. 1 環(huán)保制冷劑

2016 年《基加利修正案》將氫氟碳化物納入管控范圍，車用空調(diào)制冷劑替代成為行業(yè)的共性痛點(diǎn)。關(guān)于潛在替代制冷劑的研究應(yīng)用主要集中于 Ｒ1234yf、 CO2 與 Ｒ290，上述制冷劑主要物理性質(zhì)如表 6 所示。Ｒ1234yf 與傳統(tǒng)制冷劑 Ｒ134a 熱力學(xué)性能相近，容易 實(shí)現(xiàn)制冷劑的替換，但價(jià)格相對較高。Ｒ290 和 CO2作為天然環(huán)保制冷劑，具有價(jià)格相對低廉的優(yōu)勢。CO2無毒、不可燃、具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性，并且在超臨界狀態(tài)下放熱時(shí)具有較大的溫度滑移，因此具有優(yōu)異的制熱性能。Ｒ290 熱泵系統(tǒng)具有優(yōu)異的制冷、制熱性能，但由于 Ｒ290 是易燃性制冷劑，解決 Ｒ290 可燃性帶來的安全隱患是實(shí)現(xiàn) Ｒ290 熱泵系統(tǒng)在電動(dòng)汽車上應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

表 6 三種典型制冷劑的物理性質(zhì)

4. 2 基于環(huán)保制冷劑的熱管理系統(tǒng)

Ｒ1234yf 與 Ｒ134a 制冷劑熱力性質(zhì)十分接近，可以在 Ｒ134a 熱管理系統(tǒng)上直接使用 Ｒ1234yf 進(jìn)行替 換，但系統(tǒng)性能會略有降低。C． Zilio 等的研究結(jié)果表明，諸如優(yōu)化膨脹閥和使用變排量壓縮機(jī)等較小的改進(jìn)可以使 Ｒ1234yf 制冷劑系統(tǒng)獲得相似的系統(tǒng)性能。Ｒ1234yf 具有弱可燃性，可以通過增加二次回路的方式來降低燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。由于專利以及合成技術(shù)等原因，Ｒ1234yf 較高的價(jià)格成為制約其推廣應(yīng)用的阻礙。

作為價(jià)格低廉、環(huán)境友好的自然制冷劑，目前 CO2熱泵系統(tǒng)已開始在實(shí)車上應(yīng)用，但仍存在夏季制冷量不足、極寒條件下制熱效率低等問題，研究領(lǐng)域的工作目標(biāo)主要是進(jìn)一步提升 CO2熱泵系統(tǒng)的性能，尤其是高溫環(huán)境下制冷性能的提升。王丹東等開發(fā)的適用于低溫環(huán)境的 CO2熱泵系統(tǒng)如圖 13( a) 所示，該 CO2熱泵系統(tǒng)在膨脹閥與室內(nèi)換熱器之間增加了一個(gè)換熱器。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在低溫環(huán)境下啟動(dòng)時(shí)制熱量可達(dá) 3. 6 kW，COP 為 3. 15。中間冷卻式熱泵系統(tǒng)能夠顯著提升熱泵系統(tǒng)性能。Chen Yiyu 等開發(fā)的中間冷卻式跨臨界 CO2圖 13 CO2 熱泵系統(tǒng)原理 Fig．13 Principle of CO2heat pump system 熱泵如圖 13( b) 所示，制冷模式時(shí)，壓縮機(jī)中間冷卻熱量通過中間冷卻器排出車外; 制熱模式時(shí)，中間冷卻的熱量通過室內(nèi)蒸發(fā)器得以回收利用，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在制冷、制熱工況下性能皆有所提升。Zou Huiming 等提出利用噴射器替代節(jié)流閥，其系統(tǒng) 流程如圖 13( c) 所示，計(jì)算結(jié)果表明噴射器的使用能夠提高壓縮機(jī)的進(jìn)口壓力，降低壓縮機(jī)的工作壓比，提高 CO2熱泵系統(tǒng)綜合性能。雖然 CO2熱泵系統(tǒng)的制熱性能優(yōu)異，但由于跨臨界 CO2熱泵循環(huán)工作壓力較高，對系統(tǒng)的安全性與可靠性提出了更高的要求。

圖 13 CO2 熱泵系統(tǒng)原理

Ｒ290 作為另一種潛在的可替代環(huán)保自然制冷劑，具有優(yōu)異的制冷、制熱性能。Liu Cichong 等對 Ｒ290 熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的制熱性能進(jìn)行了研究，在－10 ℃工況下，與傳統(tǒng)的 Ｒ134a 制冷劑系統(tǒng)相比，Ｒ290 熱泵的制熱量與 COP 分 別 提 升 55% 和 12. 3%。為提高 Ｒ290 系統(tǒng)的安全性，黃廣燕等搭建了 Ｒ290 熱泵系統(tǒng)及其二次換熱回路，如圖 14 所 示，結(jié)果表明在－25 ℃的環(huán)境溫度下，Ｒ290 系統(tǒng)的制熱 COP 能夠達(dá)到 2. 16，具有優(yōu)異的制熱性能。但 Ｒ290 的可燃性嚴(yán)重限制了其推廣應(yīng)用。奧特佳公司提出了以 Ｒ290 為制冷劑的二次回路電動(dòng)汽車熱泵技術(shù)及其產(chǎn)品，如圖 15 所示，將可燃的 Ｒ290 回路置于前艙，通過不可燃的二次回路間接對車艙內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)熱管理系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)的同時(shí)，最大程度減少制冷劑的充注量。

圖 14 負(fù)荷側(cè)采用二次換熱回路的 Ｒ290 熱泵系統(tǒng)

圖 15 奧特佳 Ｒ290 二次回路熱泵系統(tǒng)

另一方面，混合制冷劑可以克服純自然制冷劑自身物性的局限性，也是未來新型制冷劑熱泵系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。Yu Binbin 等對 CO2 /Ｒ41 混合制冷 劑應(yīng)用于汽車熱泵系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究。測試結(jié)果表明，在最佳配比下，該混合制冷劑的系統(tǒng)性能與純 CO2制冷劑相比有所提升。理化所團(tuán)隊(duì)也對 CO2/ Ｒ290 混合制冷劑進(jìn)行了研究，初步研究結(jié)果表明， CO2/Ｒ290 混合制冷劑的制冷制熱性能與混合比緊 密相關(guān)，通過混合 Ｒ290 和 CO2，有效降低了 Ｒ290 的 可燃性和系統(tǒng)的運(yùn)行壓力，關(guān)于該混合制冷劑的最佳 混合比與系統(tǒng)特性還有待未來進(jìn)行深入研究。

4. 3 智能化控制與乘員艙舒適性提升

電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)的高效智能化與乘員艙熱舒適性成為提高出行品質(zhì)的關(guān)鍵保證。根據(jù)汽車本身行駛狀況的不同，電動(dòng)汽車各系統(tǒng)的熱負(fù)荷會出現(xiàn)動(dòng)態(tài)波動(dòng)，并且電動(dòng)汽車熱系統(tǒng)耦合程度不斷加深，對熱管理系統(tǒng)的控制提出了更高的要求。因此智能化、一體化、精細(xì)化的控制方式將會是降低整車能耗、提高舒適性的控制方式。

熱泵系統(tǒng)傳統(tǒng)的控制方式是通過開關(guān)控制、PID 控制等方法分別對各個(gè)獨(dú)立的熱管理對象與熱管理執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，根據(jù)設(shè)定值與實(shí)際值的偏差，通過調(diào)節(jié)壓縮轉(zhuǎn)速、膨脹閥開度、電加熱器功率、循環(huán)泵功率、電子風(fēng)扇風(fēng)量等參數(shù)，使各控制參數(shù)維持在設(shè)定的范圍。但隨著熱管理一體化程度的加深，PID 控制在處理復(fù)雜的動(dòng)態(tài)控制過程中容易使系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)或是震蕩等問題，造成能耗升高的同時(shí)降低駕駛的舒適性。多支路耦合的復(fù)雜熱泵系統(tǒng)的控制方法是當(dāng)前電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)控制技術(shù)的研究重點(diǎn)。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的帶余熱回收的中間補(bǔ)氣熱泵系統(tǒng)，補(bǔ)氣支路流量與主路流量對系統(tǒng)性能有重要影響，韓欣欣對中間補(bǔ)氣壓力等關(guān)鍵參數(shù)以及主路與支路流量分配特性及其控制開展了研究，得到流量分配比與壓力比的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)存在最佳流量配比使系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。對于 CO2熱泵氣冷器側(cè)溫度壓力多變的特點(diǎn)，Hu Bin 等成功將極值搜索控制方法( ESC 控制方法) 應(yīng)用于跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)最優(yōu)排氣壓力的控制上，增加擾動(dòng)的梯度搜索尋優(yōu)控制方法可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的精細(xì)化控制，通過對當(dāng)前排氣壓力施加小幅度的擾動(dòng)信號，同時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)性能的波動(dòng)情況，通過數(shù)學(xué)分析尋找系統(tǒng)性能最佳的狀態(tài)點(diǎn)，進(jìn)而確定系統(tǒng)所需控制的最佳排氣壓力。除 ESC 控制方案外，基于模型預(yù)測的 MPC 控制方法無論是對局部系統(tǒng)還是全局系統(tǒng)的尋優(yōu)控制上也都能夠?qū)崿F(xiàn)快速穩(wěn)定的控制，MPC 控制方法也在CO2熱泵系統(tǒng)控制上得以應(yīng)用，但 MPC 方法過于依賴模型，需要大量的仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行支持，隨著未來信息交互技術(shù)的發(fā)展與模型精確程度提高，MPC 控制方法將達(dá)到更高的精確性。

為保證駕駛?cè)藛T的熱舒適性，需要將乘員艙溫濕度控制在合理的波動(dòng)范圍以內(nèi)。對于車內(nèi)熱濕環(huán)境控制，常規(guī)的控制方式是在前擋風(fēng)玻璃防霧、保證車輛運(yùn)行安全的前提下，針對車內(nèi)的溫濕度控制需求， 通過調(diào)節(jié)送風(fēng)量以及送風(fēng)溫度來對車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行控制。張桂英基于對雙蒸發(fā)器的電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)的研究，提出了基于不同支路膨脹閥動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性的雙蒸發(fā)器控制思路，并利用比例回風(fēng)形成連續(xù)風(fēng)幕來防止車窗玻璃結(jié)霧。針對常規(guī)熱泵空調(diào)低溫環(huán)境下乘員艙供熱不足的問題，劉稷軒通過玻璃表面結(jié)霧特性研究，以最大回風(fēng)比為目標(biāo)，通過電動(dòng)風(fēng)閥的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)最大回風(fēng)利用的控制，從而降低電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)的整體能耗。進(jìn)一步，為更好地對車內(nèi)熱濕環(huán)境進(jìn)行調(diào)控并降低熱泵系統(tǒng)能耗，理化所團(tuán)隊(duì)還提出了利用側(cè)玻璃強(qiáng)化凝結(jié)調(diào)控車內(nèi)濕度從而降低前擋玻璃除霧能耗的節(jié)能思路，并對不同涂層處理的側(cè)玻璃凝結(jié)特性開展了理論與實(shí)驗(yàn)研究，研究表明，側(cè)玻璃凝結(jié)具有一定的除濕潛力，但在涂層的覆蓋形式與耐久性方面還需進(jìn)一步開展研究。

在整車熱管理層面，乘員艙熱管理不僅包括空調(diào)送風(fēng)這一傳統(tǒng)方式，座椅加熱等新型方式也得到了研究和推廣應(yīng)用。除了熱管理主動(dòng)調(diào)節(jié)方法以外，合理的車身保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇也能降低車內(nèi)環(huán)境的波動(dòng)性，提高熱舒適性。此外，長時(shí)間舒適的駕駛環(huán)境容易令駕駛?cè)藛T產(chǎn)生疲乏，影響駕駛的安全性，智能控制系統(tǒng)通過吹風(fēng)或其他刺激手段提高駕駛?cè)藛T精神集中度的相關(guān)研究也在進(jìn)行中。

5 總結(jié)與展望

電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)從傳統(tǒng)的燃油汽車空調(diào)系統(tǒng)改進(jìn)而來，并逐漸過渡到適用于電動(dòng)汽車的熱泵系統(tǒng)。與燃油汽車不同的是，電動(dòng)汽車熱管理對象還包括電池系統(tǒng)與電機(jī)系統(tǒng)。通過三電耦合，電動(dòng)汽車整車熱管理系統(tǒng)的耦合程度以及部件的集成化程度不斷提升。

為提高電動(dòng)汽車在多環(huán)境下的適用性，進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，需要開發(fā)適應(yīng)寬溫區(qū)、極端條件下的熱泵系統(tǒng)。

隨著出行品質(zhì)的需求日益提升，需要提高熱管理對人體熱舒適性的關(guān)注度，執(zhí)行以人為本的、智能化的汽車熱管理技術(shù)和控制策略。

面對更加嚴(yán)苛的環(huán)境保護(hù)需求，應(yīng)該著重關(guān)注環(huán)保制冷劑的替代性研究，并通過余熱回收、噴射補(bǔ)氣等技術(shù)開發(fā)來完成綠色節(jié)能高效的整車熱管理系統(tǒng)的構(gòu)建。

來源：制冷學(xué)報(bào)

作者：鄒慧明1，2 唐坐航1，2 楊天陽1，2 田長青1，2

1 中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2 中國科學(xué)院大學(xué)