基于冷熱循環的純電動汽車集成管路布置研究

宋瀚 周松濤 許洋洋 王稼農

（東風汽車集團有限公司技術中心）

在電動汽車的布置中，冷熱系統的布置是重點，這也是電動車和傳統燃油車的關鍵差異，電動車的冷熱相關的零部件多，種類復雜，管線也很多，涉及到電動車控制器、電機、加熱器及水泵等一系列零部件，所以在整車機艙及下裝的布置的時候，如何統籌地管控零部件的布置，定義零部件的管口位置是布置的重點，這不僅影響整車的性能，也對各個機構產生影響。文章基于某電動車的冷熱循環系統布置，結合機艙布置研究，集成某些相關的系統零部件，可以減少支架和相關管線，控制成本、美觀機艙、節約空間，有利于機艙和下車體的相關管路布置。

1 電動車冷熱循環定義

1.1 傳統車與電動車熱管理差異

當前新能源汽車尤其是純電動汽車動力系統的根本性變化正在重塑汽車的熱管理系統架構，熱管理系統已經成為了新能源汽車相較于傳統汽車最大差異點，主要差異點如下：1）新能源汽車新增動力電池熱管理系統；2）相比較發動機，動力電池、電驅電控系統要求更高級別和可靠的溫度控制；3）為提升續駛里程，電動車需要進一步提高熱管理效率。

綜上所述，可見傳統的燃油車熱管理系統是圍繞發動機構建的（發動機帶動壓縮機、水泵運轉，座艙制暖來源于發動機廢熱）。因為純電動車沒有發動機，空調壓縮機和水泵需電動化，并采用其他方式（PTC或者熱泵）為座艙制暖。新能源汽車的動力電池需要精細的散熱和加熱管理，相比于燃油車，新能源汽車新增動力電池和電控、電機的熱管理回路，增加熱交換器、閥體、水泵及PTC等。

1.2 電動車相關件溫度要求

電動汽車的冷卻性能考核尚無國家標準，一般汽車制造商會要求在高溫、大負荷工況下，電機冷卻回路中的水溫低于65℃，電池最高溫度小于50℃[1]。

電池適宜的工作溫度為25~50℃，超標的環境溫度會嚴重影響電池包的性能，所以高效的熱管理系統是維持電池性能和安全性的關鍵所在，因此需要在高溫和嚴寒條件下，對整個電池進行冷卻和加熱。電動車沒有發動機這一穩定的熱源，冬天乘員艙采暖時需要高壓加熱器PTC（Positive Temperature Coefficient）提供熱量。

目前常用的電池散熱系統主要有風冷和液冷式[2]，隨著電池容量、功率提高，高效的液體冷卻已經成為了主要的電池冷卻方式。

2 布置輸入

2.1 冷卻關鍵布置零部件

圖1示出純電動汽車冷熱循環系統中常見的零部件，如熱交換器、四通閥、水泵及PTC等。冷卻系統的零部件的相關功能和布置要求如表1所示。

圖1 冷卻系統零部件梳理圖

表1 冷卻系統零部件布置規范

2.2 純電動車原理圖解析

該電動車屬于2+2前后雙電機設計，冷熱循環一共有4條回路，電機回路、電池回路、空調冷卻回路及空調暖風回路。相關回路如圖2所示，相關系統零部件功能如表2所示。

表2 冷熱循環圖功能解析

圖2 電動車冷熱循環原理圖

其中回路1作為最重要的回路，負責給大三電中的電機、電控和小三電進行冷卻，其中小三電是集成了OBD、DCDC、PDCU 3種功能。其中電機是油冷，冷卻水路通過電機自帶的板式交換器的熱交換進行冷卻，前機艙的零部件屬于串聯，后機艙的零部件屬于串聯結構，整體可以進行并聯設計，其中三通閥1可以看為一個節溫器裝置，當電機等部件低溫時，回路1可不經過散熱器裝置，可以看做一個小回路，當部件溫度升高后，三通閥開通，回路2經過低溫散熱器，可以看做一個中等回路。

回路2是對電池包進行冷卻和加熱的回路[3]，電池包自帶內置水泵，通過板式交換器1和空調的暖風回路3和冷凝回路4進行冷熱交換，當環境溫度過低時，暖風回路3開啟，通過板式交換器1對電池包進行加熱處理，當環境溫度過高時，冷凝回路4開啟，通過板式交換器1對電池包進行冷卻處理，這樣使得電池包一直處于恒溫狀態，功能上一直處于最佳狀態。另外回路1和回路2通過四通閥連接，四通閥不通電時，1和2兩個回路相互獨立，當環境溫度過低時，當通電后，回路1和回路2相互貫通，處于水路大循環狀態，水路1可以給水路2進行加熱處理。

回路3和回路4都屬于空調系統，其中回路3是暖風系統，因為電動車沒有發動機這個熱源，需要外部獲取熱源，回路3通過熱交換器2交換回路4中空調壓縮機壓縮產生的高溫高壓氣體產生的溫度，并且回路3中有PTC加熱器，當溫度過低時，可以通電加熱，加熱空調暖風水管內的水，回路3進入空調暖風系統，吹風提供暖氣，另外回路3使用三通閥2，不通電時，可以自身形成一個小回路，通電時，回路3通過熱交換器1對回路1進行加熱。

回路4是空調冷卻管路，除了和回路3有熱交換之外，此回路通過節流閥和前空調、后空調、回路2的熱交換器2對接，可以理解為3條小回路，節流閥對接的這3條回路都有電控截止閥，電控此路是否貫通。

通過這樣1套冷熱循環系統，可以讓電池包正常充放電并且不影響電池包壽命，電機、小三電等一系列系統都能達到很好的降溫效果。

3 電動車管路布置要點

3.1 零部件集成要點

在原有冷熱循環圖的基礎上，可以考慮采用局部零部件的集成處理。特斯拉車型熱管理系統對比如表3所示。

表3 特斯拉冷卻系統對比

此件集成了側面的2個水泵、切換閥、換熱器、膨脹閥、五通閥門以及冷卻液壺。五通閥控制各回路之間的耦合關系，是熱管理系統實現不同工作模式的核心部件，是熱管理的中樞機構，此件可以實現電池冷卻回路和電驅冷卻回路的串聯，也可以通過電機堵轉制熱幫助電池升溫，特斯拉Model 3的冷卻系統高度集成提升了零部件的模塊化程度，如圖3所示，減少了管路用量，也節省了布置空間，值得推廣借鑒。

圖3 特斯拉高集成度智能膨脹壺

3.2 車型零部件集成要點

基于之前的基礎原理熱循環圖，可以參照特斯拉車型進行優化，可以做一些簡單的集成化處理，如表4所示，如將水泵和水室集成為一個，三通閥和四通閥等集成處理，這樣一些處理可以減少支架和相關管路的數量，也能最大的化的節約空間，降低布置的難度。

表4 零部件局部集成化處理

3.3 布置效果點檢

如圖4所示，經過集成優化后，做橫梁進行固定處理，相關件都盡量布置在橫梁上，管路盡量沿著橫梁進行布置，布置完畢后，節約出來的空間做行李箱結構處理。

圖4 布置后效果圖

4 結論

電動汽車具有良好的發展前景。采用不同的方法關聯配合電動汽車上的熱管理系統，合理進行熱管理系統的設計可以提高能量的利用效率，增加車輛的續駛里程。文章通過詳細分析，通過多個三通、四通閥集成后，進行冷熱循環控制、大小循環控制，結合熱管理圖優化設計階段管線布置，滿足保安防災要求，也同時總結了純電動汽車機艙保安防災問題的管線的相關布置方法及注意要點，值得推廣到后續的車型開發項目。