純電動汽車整車熱管理系統探究

（貴州電子信息職業技術學院，貴州 凱里 556000）

純電動汽車車型在新能源汽車中占比較高，與傳統汽車相比，除懸架系統、底盤系統、車身控制系統一致外，較大區別為動力來源。傳統汽車動力來源是以燃油為能源的發動機做功提供動力，新能源汽車以動力電池（儲電量>75%）結合驅動電機、電機控制器為動力來源。傳統汽車整車熱管理主要涉及發動機溫度控制，以發動機驅動空調系統為座艙制冷的制冷系統，以發動機自身散熱的熱量來源為座艙提供制熱的暖風系統。純電動汽車整車熱管理系統包括驅動電機、室內散熱器、兩通電磁閥、第一三通電磁閥、雙腔散熱器、充電機、DC/DC 等。DC/DC 變換器在大電流工況下產生較多的熱量，動力電池最佳工作溫度為25℃，且以動力電池為能量來源的空調制冷系統和PTC 制暖系統為座艙提供適宜的環境溫度。由于PTC 耗能較高，嚴重影響在低溫環境下的純電動汽車續航里程。因此，非常有必要對純電動汽車整車熱管理系統進行精細化能量管理[1-4]。

1 傳統燃油汽車與純電動汽車整車熱管理系統對比

1.1 傳統燃油汽車整車熱管理系統

燃油汽車整車熱管理系統主要涉及發動機溫控、座艙制冷、座艙制暖，其余如變速箱、進排氣散熱由于相關性較小，本文不再贅述。1）發動機溫控系統主要由散熱風扇、散熱器、節溫器、電子水泵、副水箱、冷卻液水道等其余附屬裝置組成。發動機最佳工作溫度為90℃左右，長時間停放的車輛在剛啟動時由于發動機溫度與環境溫度較為一致，遠低于最佳工作溫度（90℃），在發動機低溫啟動時由于眾所周知的熱脹冷縮原理導致發動機內部運動構建間隙收縮致使摩擦增加，不僅增加了油耗，也導致構件之間的磨損加劇。因此，在發動機啟動階段需要迅速將溫度提升至最佳工作溫度（90℃），此時冷卻系統中的節溫器是關閉狀態，冷卻液進行小循環為發動機進行“暖機”預熱工作。暖機結束后，發動機達到最佳工作溫度（90℃），隨著工況的增加燃油爆燃熱損的增多，發動機溫度逐步上升超過最佳工作溫度（90℃），溫度的過高增加將會導致金屬元器件膨脹，不僅使其力學性能下降，增加零部件形變和斷裂的危險，而且過高的溫度也導致潤滑油性能下降，極易導致潤滑不足而加劇零件磨損，同時過高的溫度導致進氣量減少致使燃燒不充分引起功率下降。因此，在發動機工作階段需要將溫度降低至最佳工作溫度（90℃），此時冷卻系統中的節溫器是打開狀態，冷卻液進行大循環為發動機進行“高溫”散熱，將多余熱量經過散熱器散失至大氣之中。2）座艙制冷采用發動機曲軸通過皮帶帶動空調壓縮機做功，通過制冷劑吸收座艙內部熱量調整座艙內部溫度。3)座艙制暖利用發動機燃料燃燒散失的熱量經過暖水管帶入座艙實現座艙內部溫度控制。

1.2 純電動汽車整車熱管理系統

純電動汽車熱管理主要涉及動力電池、驅動電機、電機控制器、DC-DC 轉換器、電動壓縮機、PTC 等部件的熱管理。動力電池最佳工作溫度為25℃，由于動力電池實際工況為大電流放電和充電，在工作過程中會產生大量的熱量，值得注意的是動力電池在低溫啟動、低溫充電時由于BMS 動力電池內部溫度較低而對充電電流進行限制，僅能夠在十幾安培甚至幾安培的限制下進行充電，嚴重影響充電效率。同樣，動力電池溫度過高，放任不管的話將嚴重影響動力電池的性能，甚至導致動力電池自燃。驅動電機和電機控制器、DC-DC 轉換器實際工況均為大電流，極易產生熱量，同時系統均處于密閉空間，容易導致熱量聚集導致溫度上升，設備高溫將導致電極功率的降低，甚至是電極繞組、DC-DC 轉換器內部的IGBT 燒毀，導致車輛無法正常使用。純電動空調系統中電動壓縮機采用動力電池提供的高壓直流電作為工作能源，純電動空調系統還兼具燃油汽車不具備的如低溫時為動力電池提供充電預熱和高溫時散熱，放電時預熱和散熱等功能。

2 純電動汽車整車熱管理策略

熱管理主要是控制各個元器件的溫度，如作為車輛上能量源泉的動力電池最佳工作溫度為25℃，動力電池溫度過高容易導致動力電池性能下降，甚至發生電池自燃的危險，溫度過低直觀的變化是續航里程的下降及充電效率較低。因此，熱管理系統需要對相關系統進行吸熱、放熱，以實現對該系統溫度的精確控制，從而確保各系統的安全運行。整車冷、熱管理系統示意圖如圖1 所示。

圖1 整車冷、熱管理系統示意圖

2.1 動力電池熱管理

純電動汽車在運行中，動力電池持續不斷進行電子交換，不斷產生熱量，導致動力電池整體溫度不斷上升，如果不加以控制，必將嚴重影響動力電池使用性能，嚴重甚至導致車輛自燃。由此，動力電池熱管理中BMS 時時在線檢測動力電池溫度，當動力電池溫度超過安全溫度（38℃）最高限，BMS 將通過CAN 線向VCU、空調控制單元、空調壓縮機控制單元發送動力電池冷卻請求。如圖1所示，空調控制單元控制三通電磁閥B 打開熱交換器冷卻水道，水泵開始工作，同時空調壓縮機控制單元關閉制冷管路電池閥，打開熱交換器電磁閥，空調壓縮機啟動工作，制冷劑進入熱交換器，將動力電池內部流出的高溫冷卻液進行降溫，將降溫過后的冷卻液再由水泵輸送至動力電池繼續吸收動力電池高溫熱量，依次形成散熱冷卻循環降低動力電池溫度。動力電池最佳工作溫度為25℃，動力電池溫度過高容易導致動力電池性能下降，甚至發生電池自燃的危險，溫度過低直觀的變化是續航里程的下降及充電效率降低。低溫條件下尤其是低溫充電時，BMS 檢測到動力電池內部溫度較低從而開啟限制充電電流（小于十幾安培）。假如未進行動力電池低溫預熱工作，動力電池將持續在低溫狀態下以限制電流進行充電，由于充電過程中電池內部進行電子交換將會產生熱量。因此，在較長時間充電后，動力電池本體溫度不斷升高直到溫度達到最低溫度限制后，充電電流限制關閉，充電電流加大。由此可見，低溫充電大大限制了充電效率，延長了充電時間，有必要對低溫動力電池進行預熱。低溫慢充時動力電池低于3℃時開啟PTC 加熱對動力電池進行預熱，高于3℃時關閉預熱。低溫快充時動力電池低于10℃時開啟PTC 加熱對動力電池進行預熱，高于12℃時關閉預熱。動力電池在充電過程中由于電池內部進行大量的電子交換，因此將會產生大量的熱量，導致動力電池本體溫度不斷上升，假如不加以控制將會嚴重影響動力電池的性能，甚至導致電池自燃。為此BMS 時時監控動力電池溫度，當充電過程中溫度高于設定上限值時，將會開啟上述講過的動力電池散熱模式。

2.2 驅動系統、DC-DC 熱管理

驅動電機及電機控制器工作時由于繞組損耗、機械摩擦等損耗均于熱量的形式散發出來，從而引起驅動電機及電機控制器系統溫度的上升，在車輛進行慢充時，OBC 啟動工作為動力電池進行充電。于此同時，車輛會啟動DCDC 轉換器，從而為輔助電池及車輛整車低壓用電器提供12V 低壓直流電。DC-DC 轉換器負責將高壓直流電轉換成為12V 低壓直流電的任務，DC-DC 轉換器及OBC 內部的IGBT 持續不斷的工作，產生大量的熱量，必須及時散發出去以確保自身及線路正常工作。假如所產生的熱量無法及時散失出去，將導致OBC 及DC-DC 轉換器相關線路燒毀，無法正常工作，汽車無法及時補充電能。

2.3 空調系統熱管理

純電動汽車空調制冷系統與傳統燃油系統最大的不同為驅動壓縮機的動力來源不同，純電動汽車壓縮機由動力電池提供高壓直流電源。純電動汽車空調制熱系統與傳統燃油汽車采用發動機冷卻液余熱對座艙制暖模式不同，純電動汽車空調制熱系統采用高壓直流電加熱正溫度系數熱敏電阻PTC（Positive Temperature Coefficient）加熱器直接加熱空氣或水的方式進行座艙制暖的模式。當駕駛員開啟暖風時，動力電池高壓直流電進入高壓配電盒，通過OBC 內部的PTC 加熱控制器熔絲后進入PTC 加熱器，為PTC 加熱器提供動力電源，PTC 產生熱量加熱內部冷卻液，高溫的制冷劑由空調系統控制水泵將高溫冷卻液輸送至熱交換器，由鼓風機將熱交換器產生的熱量經空氣吹入座艙實現對座艙的供暖。