一種電動汽車整車熱管理系統探討

吳建平

（四川信息職業技術學院，四川 廣元 628040）

電動汽車熱管理系統研發中利用驅動電機、DC/DC轉換器、電池系統產生的余熱提供系統之間所需要的熱量，利用前端裝置散熱器在系統之間進行降溫處理。這樣可以避免開啟PTC加熱器及空調系統，減少能源消耗，有效提高續航里程。

1 電動汽車熱管理系統

電動汽車熱管理系統主要包括驅動電機系統、DC/DC 轉換器、電池熱管理系統（冷熱平衡）、乘員艙空調系統（制冷與供暖）等系統。驅動電機與DC/DC系統在整車運行過程中一直處于放熱的狀態，在溫度超過一定極限之后，會影響零部件的運行效率，嚴重的情況下還可能造成安全事故[1]。動力電池一般在溫度25 ℃時，其可靠性與效率均處于一個最佳狀態。動力電池在低溫環境下，無論充電還是啟動都需要在一定的溫度區間內，長時間的運行中，此時電池系統處于大電流放電狀態，這個過程中會產生余熱，若溫度超過極限，將會嚴重影響車輛運行效率，極端情況下可能導致自燃。同時，無論在低溫還是高溫環境下，乘員艙也同樣需要整車提供一個舒適的溫度環境，即電動汽車熱管理系統主要是控制車輛子系統在一個合理的溫度區間范圍之內，并提供一個舒適的乘車環境。溫度降低主要通過電動壓縮機與前端裝置散熱器構成的相關循環回路對整車動力電池、驅動電機、電機控制器、DC/DC 轉換器進行降溫處理；低溫加熱主要通過PTC加熱器、熱泵技術、余熱處理對電池系統或者乘員艙提供熱量。這些復雜的子系統零部件通過整車布置在適當的控制策略下就構成了電動汽車熱管理系統。

2 電動汽車整車熱管理系統的控制策略

對現有電動汽車整車熱管理系統的工況模式控制策略進行分析，其整車熱管理系統示意圖如圖1所示。

圖1 電動汽車整車熱管理系統

該系統主要由前端裝置、HVAC總成、換熱模塊、電池系統、電機系統、DC/DC系統、PTC加熱器、閥門、水泵等部件組成。這些子系統之間相互關聯，在傳感器的感應下通過控制閥門的開閉，風機轉速的大小，利用驅動電機及DC/DC轉換器余熱、電池系統余熱、PTC加熱器加熱、空調系統制熱模式形成相應零部件之間的制熱回路，利用前端裝置散熱器降溫、空調系統制冷形成相應零部件之間的制冷回路，從而控制車輛零部件在一個最佳的溫度區間并提供一個舒適的乘車環境。

2.1 冬季低溫環境

冬季低溫環境下，電池充電電流小，造成充電時間長，嚴重影響充電效率，在極端低溫條件下，整車甚至無法啟動，所以在充電前或者啟動前需要進行電池預熱處理。同樣，冬季低溫環境下，乘員艙也需要進行供暖，以提高乘員的舒適度。即在冬季低溫環境的時候，整車熱管理系統主要為電池預熱和乘員艙供暖兩種熱量處理模式，主要的工況模式有低溫電池系統單獨預熱、低溫低速電機余熱加熱電池組、低溫電機余熱供暖乘員艙、低溫電機余熱（前端裝置散熱器）冷卻、熱泵供熱、PTC加熱器供暖乘員艙等幾種模式。整車低溫充電或啟動前，幾乎都采用PTC加熱器單獨對電池系統進行加熱處理，也就是低溫電池系統單獨加熱模式[2]。利用電機余熱進行乘員艙供暖及電池加熱，這樣的方法避免了在特殊情況下直接使用空調系統、PTC加熱器兩種方式，節約了車輛電能，有利于減少整車能源消耗，提高了整車續航里程。下面將重點介紹利用電機余熱處理的工況模式。

2.1.1 低溫啟動余熱加熱電池組

冬季環境溫度較低的時候，電池系統不可能進行大電流放電，車輛啟動速度及車輛子系統工況將受到嚴重影響，這就需要提高電池組內部溫度，從而實現大電流放電，保證電池在一個適當的工作溫度區間之內。由于整車在啟動過程中，驅動電機、DC/DC轉換器就會一直產生余熱，可以利用這部分余熱對電池系統單獨進行加熱處理。在控制管路中，驅動電機、DC/DC轉換器、電池組通過閥門管件串聯構成水路循環即可，驅動電機、DC/DC轉換器產生的余熱一直加熱回路中的冷卻液，從而電池組得到了熱量供應，這樣就避免了采用PTC直接加熱的方式，減少了能源消耗，增加了車輛續航里程。

2.1.2 低溫啟動余熱加熱乘員艙

低溫環境下，整車在進行正常行駛以后，電池由于自身放熱、驅動電機及DC/DC轉換器的余熱作用使其熱量得到了保證。在一個合適的溫度區間之內，隨著整車的繼續運行，在一個時間范圍之內，驅動電機、DC/DC轉換器產生的余熱會突破電池系統的熱量極限，這時熱管理系統中就產生了多余的熱量，這個多余的熱量可以利用起來直接對乘員艙進行加熱，滿足乘客的舒適度需求。乘員艙供暖傳統的做法是直接采用PTC加熱方式，這樣做會耗費大量的電能，而利用驅動電機、DC/DC轉換器產生的余熱對乘員艙進行熱量供應，會大大降低對電池電能的消耗，從而節約大量電能。若乘員艙熱量需求較多，由于系統中連接了PTC加熱器，也可以適當打開PTC加熱器進一步在適當范圍之內提高所需熱量的供應[3]。

如圖2粗線箭頭所示，驅動電機余熱產生的熱冷卻水經過四通閥，四通閥a與d端口導通；三通閥4的b與c端口打開，a端口關閉；三通閥2與三通閥5的端口關閉；冷卻液在水泵1的作用下經過PTC，三通閥1的a端口關閉，b與c端口打開，進入到HVAC總成換熱器模塊；三通閥6的a端口關閉，b與c端口打開，冷卻液在水泵2的作用下又回到驅動電機、DC/DC轉換器進水口，從而形成了整個回路。在這個循環回路中，DC/DC、電機產生的余熱對冷卻液進行加熱直接通過管路循環進入到HVAC總成換熱器中，在風機的作用下將熱空氣吹入乘員艙即可滿足乘員的供暖需求，若所需熱量較多也可以適當打開PTC加熱器進一步在適當范圍之內提高所需要的熱量。

圖2 低溫啟動余熱加熱乘員艙

2.2 春秋常溫環境

春秋常溫環境下，車輛在正常行駛過程中，一般情況下不使用空調系統，在這樣的情況下，驅動電機、DC/DC轉換器、電池系統在車輛行駛過程中均會產生大量的余熱，整車熱管理系統主要進行驅動電機、DC/DC轉換器、電池系統的冷卻處理。根據熱量的累積情況采用串聯冷卻和單獨冷卻等幾種方式進行，一般情況下，傳統的做法是直接采用空調系統進行降溫處理，啟動空調系統會大量耗費車輛電能。在一定熱量累積的條件下，可利用前端裝置散熱器對串聯的電池組、驅動電機、DC/DC轉換器進行冷卻處理，在熱量達到一定程度時，再開啟空調系統，分別單獨控制驅動電機及DC/DC轉換器、電池系統的溫度在一個區間范圍之內。春秋季節，也可能出現不一樣的氣候特點，溫度的高低變化不太明顯的情況下，溫度適當降低的時候，可利用電機余熱加熱乘員艙，溫度適當升高的時候，可利用前端裝置散熱器進行降溫處理[4]。現將對利用前端裝置散熱器冷卻處理模式進行分析。

電池組、驅動電機、DC/DC轉換器串聯冷卻。在春秋室外常溫條件下，空調系統可以不用開啟，車輛在正常行駛過程中，由于電池系統、驅動電機、DC/DC轉換器自身產生的熱量均會超過自身需求，這時需要整車熱管理系統同時對其進行降溫處理。在傳統的車輛熱管理系統中一般采用空調系統制冷模塊直接對其降溫處理，這種方法將嚴重消耗整車電能，不利于整車的長時間運行，利用前端裝置低溫散熱器進行散熱即可實現電池組、驅動電機、DC/DC轉換器的冷卻，從而減少對空調系統的使用。這種方式形成的是驅動電機及DC/DC轉換器—前端裝置—電池組的循環回路，這個回路過程中不能將電池系統調整到驅動電機系統、DC/DC轉換器之后，因為驅動電機系統、DC/DC轉換器在車輛運行中產生大量的余熱，直接進入電池系統，會對電池組內部溫度產生一定的沖擊，從而影響放電效率，甚至影響整車安全。驅動電機系統、DC/DC轉換器的出水冷卻液經過前端裝置降溫處理后，再對電池組進行降溫，可以避免出現這樣的情況。

春秋常溫環境下，乘員對制冷需求情況不多的時候，若在怠速情況下或在低速狀態下，此時電機系統發熱很小，可利用前端裝置散熱器對乘員艙進行制冷，避免了傳統控制策略使用空調系統制冷的模式，節約了電池電能。

如圖3粗線箭頭所示，冷卻液從電機出來后，四通閥d與c端關閉，a與b端導通，三通閥3的b端關閉，a與c端口打開，冷卻液通過四通閥與三通閥3后，進入到前端裝置散熱器后，冷卻液溫度高低由冷卻風扇調整電機轉速來實現控制，從而相對應降低冷卻液的溫度。三通閥5的a端關閉，b與c端打開；三通閥4與三通閥2的端口關閉；三通閥1的a端口關閉，b與c端口打開；冷卻液在閥門的控制下，經過PTC加熱器后在水泵1的作用下經過三通閥1進入到HVAC總成換熱器模塊，由于前端裝置已經將冷卻液降溫并得到了所需要的低溫，低溫冷卻液在HVAC總成換熱器模塊流動過程中可將周圍空氣冷卻，冷卻后的空氣在風機的作用下吹進乘員艙，就為乘員艙提供了制冷需求。三通閥6的a端關閉，b與c端口打開，冷卻液經過HVAC總成降溫后又回到了電機、DC/DC轉換器的入水口，從而形成了完整的回路過程。

圖3 前端裝置常溫制冷

2.3 夏季高溫環境

在夏季環境溫度較高條件下，空調系統需要開啟，車輛在正常行駛過程中，由于電池系統、驅動電機、DC/DC轉換器自身產生的熱量均會超過自身需求，這時需要整車熱管理系統同時對其進行降溫處理。采用前端裝置低溫散熱器對驅動電機、DC/DC轉換器進行單獨降溫處理，使用空調系統單獨對乘員艙和電池組降溫[5]。

驅動電機、DC/DC轉換器與前端裝置形成串聯回路可起到降溫作用，散熱器風機根據溫度大小實時調整風機轉速，保證驅動電機、DC/DC轉換器的熱量快速散掉。空調系統制冷采用并聯分流方式進行，制冷劑從壓縮機排出后形成高溫高壓氣體，經過電磁閥后進入到冷凝器，在冷凝器的作用下變成中溫高壓的液體，冷凝器在這里起到一個氣液轉換放熱的作用。中溫高壓的液體同時經過兩個電磁閥的并聯分流，兩條支路分別在膨脹閥的降壓限流作用下，對應進入到HVAC總成的蒸發器和換熱模塊中的蒸發器，制冷劑迅速由液體蒸發成氣體，大量吸熱，造成蒸發器周圍溫度迅速降低。風機可根據用戶操作或者自動控制方式調整檔位實時進行降溫，這里的閥門可控制兩支流制冷劑流量的大小，從而保證制冷量需求的優先級。最后支流經過電磁閥回到壓縮機，整個過程就形成了電池與乘員艙并聯的制冷循環回路系統。