混動汽車熱管理系統的研究現狀

摘 要：隨著新能源技術的崛起，混合動力汽車作為一種綠色、高效、節能的交通工具，逐漸受到了人們的青睞。熱管理系統作為汽車關鍵的組成部分，對于保障車輛運行的穩定性和安全性發揮著至關重要的作用。文章從動力電池熱管理、乘客艙熱管理、發動機熱管理和電驅系統冷卻四個方面對混動汽車熱管理技術進行系統性研究，全面了解其技術現狀。

關鍵詞：新能源 混合動力汽車 熱管理系統

近年來，混合動力汽車在汽車產業中備受矚目。它融合了傳統汽車與純電動汽車的優勢，既可實現純電動、零排放行駛，也能通過混動驅動增加車輛的續駛里程。由于混動汽車包含了多個動力源，使得其熱管理系統相對復雜很多。本文對混動汽車熱管理各個子系統的關鍵技術進行剖析，全面了解其研究現狀與存在的挑戰，以期對該領域的發展提供有益的參考。

1 混動汽車熱管理結構

混動汽車熱管理系統包括電池熱管理、乘客艙熱管理、發動機熱管理和電驅系統冷卻，其系統原理如圖1所示。電池熱管理包含電池冷卻和加熱需求；乘客艙熱管理主要包含制冷和采暖需求；發動機熱管理系統包含冷卻系統、潤滑系統和進排氣系統；電驅系統冷卻包括車載充電機（OBC）、直流轉換單元（DCDC）、電機及其控制器（MCU）的散熱需求。

2 動力電池熱管理

動力電池熱管理指在不同工況下保持電池組件的均勻溫度分布，防止過冷或過熱，從而確保電池工作時的安全穩定性。

2.1 電池冷卻

電池冷卻的散熱方式主要包含自然冷卻、風冷、液冷、冷媒直冷和相變冷卻[1-2]。

2.1.1 自然冷卻

自然冷卻指在沒有外部輔助冷卻系統的情況下，依靠自然的熱對流和散熱來維持電池的適當溫度，如圖2（a）所示。這種被動的冷卻方式散熱效果差，易受環境溫度影響。混動汽車通常涉及高功率密度和更高溫度的工作條件，往往需要使用主動冷卻系統來確保電池的性能和壽命。

2.1.2 風冷

一些混動車型使用強制風冷的散熱方式，其借助風扇等散熱設備來加強空氣流動，提高冷卻效果，如圖2（b）所示。相較于自然冷卻，風冷的噪聲和能耗也會增大。

2.1.3 液冷

目前多數混動汽車使用液冷系統進行電池冷卻，其通過水泵驅動冷卻液在電池內循環進行散熱，如圖2（c）所示。該方式相對于風冷散熱效率高，均溫性好但結構復雜，成本較高。

2.1.4 冷媒直冷

冷媒直冷是將空調回路的制冷劑引入電池內部蒸發器或直冷板中，通過吸熱以達到冷卻目的，如圖2（d）所示。該方式散熱效率高、響應速度快，但控制難度大、成本較高。目前，該技術主要應用于高性能混動汽車。

2.1.5 相變冷卻

相變冷卻是一種利用相變材料（PCM）在相變過程中釋放或吸收潛熱的特性，對電池進行溫度調節的技術。該技術結構簡單、潛熱量大且均溫性好，但單一的PCM往往存在熱導率低的缺點，需要加入導熱增強材料以形成復合相變材料（CPCM）。研究表明，CPCM冷卻方式散熱性能要更好[3]。目前相變材料技術還處于研發階段，隨著技術的進步，其有望于熱管理領域得到廣泛應用。

2.2 電池加熱

電池的加熱方式主要有正溫度系數熱敏電阻（PTC）加熱和余熱回收兩種，系統原理如圖3所示。

2.2.1 PTC加熱

PTC是電池加熱的核心部件，在低溫環境下，PTC產生的熱量通過液體在電池周圍或內部循環，以提高電池溫度。該方式原理簡單且加熱效率高，但會增加汽車能耗與制造成本。

2.2.2 余熱回收

余熱回收一種利用發動機或驅動系統在工作過程中產生的熱量來加熱電池的技術。首先，余熱回收裝置將發動機或電驅系統產生的熱量收集起來，其后在低溫環境下，傳熱介質將收集的熱量傳遞給電池。余熱回收是一種節能、環保的溫度控制技術，但相比PTC加熱，這種技術結構較復雜且成本較高。

3 乘客艙熱管理

乘客艙熱管理不僅影響駕乘舒適性，也牽扯到能耗問題。如何在不同氣候條件下實現高效的制冷和采暖，是其研究的關鍵。

3.1 乘客艙制冷

傳統空調制冷系統包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器等部件。該系統是將有限的制冷劑封閉在制冷回路中，重復地將制冷劑壓縮、冷凝、膨脹、蒸發，通過制冷劑的氣液兩相循環，對車內空氣進行冷卻[4]。這種系統結構簡單，成本低，但能耗較大。

熱泵系統是一種以逆循環的方式將熱量從低溫區轉移到高溫區的裝置，其充分運用傳統空調蒸發吸熱和冷凝放熱的過程，通過改變制冷劑的流動方向實現制冷和制熱兩種功能[5]。如圖4所示，熱泵制冷時，車外換熱器為冷凝器，車內換熱器為蒸發器。熱泵空調壓縮機將高溫低壓的氣態制冷劑A，壓縮成高溫高壓的液態制冷劑B，經過冷凝器放熱后成為低溫高壓的液態制冷劑C；再通過膨脹閥，成為低溫低壓的氣態制冷劑D；通過蒸發器與車內空氣熱交換，車內溫度降低，制冷劑溫度升高，成為高溫低壓的氣態制冷劑A，進入下一輪制冷循環。如此往復，實現乘客艙制冷的目的。熱泵技術具有能效比（COP）高、環保節能的特點，但其在傳統空調上進行了結構調整，因而增加了一定的布置難度和成本[6]。

3.2 乘客艙采暖

混動汽車的采暖方式主要包括PTC加熱采暖、熱泵采暖、余熱采暖。

3.2.1 PTC加熱

該方式利用PTC產生的熱量來加熱空調系統的空氣，從而為乘客艙提供暖氣。其具有結構簡單、加熱速度快和熱效率高的特點，但能耗較高。

3.2.2 熱泵采暖

熱泵采暖是將車外冷空氣中的熱量轉移到車內，從而提高車內溫度。該方式受溫度影響較大，通常在-15℃以上可實現較好的性能。在極寒環境下，其COP下降明顯，往往需要與其他采暖方式配合使用以提升采暖效果[6]。

3.2.3 余熱采暖

發動機余熱采暖是一種將發動機工作過程中產生的余熱通過換熱器傳遞到乘客艙，從而為乘客艙提供暖氣的技術[7]。該技術節能、高效、環保，因而在汽車工業中得到廣泛應用。此外，動力電池及驅動電機在工作過程中產生的余熱也可以回收利用，用于乘客艙采暖。

4 發動機熱管理系統

發動機熱管理系統包含冷卻系統、潤滑系統和進排氣熱管理系統，系統結構如圖5所示。

4.1 冷卻系統

冷卻系統包含發動機本體冷卻和變速箱油冷。本體冷卻指通過水泵驅動冷卻液在發動機內循環流動，吸收其工作中產生的熱量，然后通過散熱器散發到空氣中。變速箱油冷循環指通過冷卻液對變速箱機油進行冷卻。

4.2 潤滑系統

潤滑系統是發動機熱管理系統的關鍵部分，其通過機油泵將機油從油底殼中抽取出來，并將機油輸送到發動機內部的各個部件，機油在各個部件之間形成一層油膜，以減少摩擦，同時將發動機和各個摩擦副產生的熱量帶走，隨后機油傳遞到油底殼中，在油底殼中冷卻后重新開始循環。

4.3 進排氣熱管理系統

進氣系統將新鮮空氣輸送到發動機中與燃油混合，以形成可燃混合氣體。排氣系統將發動機燃燒后的廢氣排到大氣中。合適的進排氣溫度可以改善發動機的燃燒效率，降低排放，并減少催化器的熱負荷，從而提高其轉換效率。在增壓發動機中，增壓后的空氣經過中冷器冷卻后再進入氣缸，可以提高進氣量，增加空氣密度。此外，廢氣再循環（EGR）系統將一部分廢氣增壓后，通過中冷器降溫重新送回缸內，降低廢氣燃燒溫度可以減少氮氧化物（NOx）的生成，并提高發動機的燃油經濟性。

5 電驅系統冷卻

電驅系統在運行時會產生一定的熱量，電驅系統過熱將導致其性能下降、壽命縮短，嚴重的可能帶來安全隱患。目前，混動汽車電驅系統冷卻主要包括風冷和液冷技術。

5.1 風冷

風冷系統通過風扇促進外部空氣流動，對電驅回路進行散熱。這種系統結構簡單、成本低、重量輕且體積小，但冷卻效果較差，因此適用于低功率密度或經濟型的電驅動系統。

5.2 液冷

液冷系統在混動車型中應用較多，其在電驅回路內布置冷卻液循環管道，將熱量傳遞到冷卻液中，再通過散熱器散發到環境中。這種技術能夠使電驅系統在不同工況下都能保持相對穩定的溫度。

6 結語

本文綜合分析了混動汽車熱管理系統的技術現狀，強調了它們在提高汽車性能、增強能效、延長零部件壽命等方面的重要性。未來通過技術的不斷創新和系統的不斷優化，混動汽車將更好地適應能源環境的挑戰，推動整個汽車行業朝著更加智能、高效、環保的方向邁進。

參考文獻：

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[3]孫玥，張冠華，陳凱盛，等.基于石蠟/月桂酸/膨脹石墨的軟包鋰離子電池控溫性能[J].新能源進展，2023，11（05）：457-463.

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