純電輕型商用車熱管理架構創新與能效優化研究

Research on Thermal Management Architecture Innovation and Energy Efficiency Optimization for Pure-Electric Light Commercial Vehicles

Liu Jiahong Liu Fei Liu Jing AnhuiJianghuai Automobile Company Limited，Hefei 23oo71，China

Abstract：Withtherapid popularizationofpure-electric lightcommercialvehicles inthefieldofurbanlogistics，theenergyconsumptionof teirtheralmanagementsystemshasbecomeakeyfactorafectigthevehicle'sdrivingrange.TradiionalPositiveTemperatureCoeficient（PTC）heatingsolutionshaveelativelylowenergeiciencymakingitimperativetointroducehgheficiency heatpumpandwasteheatrecoverytechnologiesBasedonthethemalmanagementrequirementsofanautomotivelighttruckplatfo andthelatesttehnologicaltrendsintheindustr，thispapesystematicallanalyzsandoptimiesfourtealmanagementchit turesolutions.Byntegatingeatpuptechologyulti-ortvalvecontrol，andstemitegrationdsign，thalmanagto lutiontailoredforpure-electricligttucksisproposed，imingtoacheveanoptimalbalanceamongsystemenergyeficiency，cost， andspatiallayout.Theresearchcombinessimulatioanalysis withreal vehicletestdata，providingapracticaltechnical pathwayand theoretical basis for thedesignand developmentof thermal managementsystems forpure-electric lightcommercial vehicles.

KeyWords：Heatpumptechnology;Wasteheatrecovery;Mult-portvalve;Integrated waterway;Energyeficiencyoptimization

1前言

隨著新能源技術的快速發展和環保政策的持續推進，純電輕型商用車在城市物流和短途運輸領域扮演著越來越重要的角色。然而，與傳統燃油車相比，電動商用車的熱管理系統面臨著更為復雜的挑戰：一方面需要管理電池、電機和電控系統的工作溫度，另一方面還需保證乘員艙的舒適性，所有這些功能都需要依賴有限的電池能量實現。在低溫環境中，傳統PTC加熱器的能效極低，制熱能效比（COP）約為1，可能導致車輛續航里程下降高達 50% 以上[1]。

為應對這一挑戰，熱泵技術與余熱回收系統逐漸成為行業研究熱點。熱泵系統能夠通過逆卡諾循環原理，將環境中的低品位熱源或車輛部件的廢熱轉化為可用熱能，COP值可達到2～4甚至更高，顯著降低對電池能量的消耗。研究表明，在 -10^°C 環境中，采用熱泵系統可使冬季續航里程改善 35% 以上，成為解決電動商用車冬季續航短問題的關鍵技術。

2行業技術趨勢分析

純電輕型商用車熱管理技術近年來呈現出三個明顯的發展趨勢：a.從分散式獨立系統向高度集成化系統發展;b.從單一功能組件向多功能協同控制演進；c.從被動溫度控制向智能預測管理進化。根據行業數據顯示，2023年我國新能源汽車產銷分別完成958.7萬輛和949.5萬輛，同比分別增長 35.8% 和 37.9% ，其中新能源商用車產銷也已占到了商用車產銷量的 11.5% 和 11.1% 這一市場快速增長為熱管理技術創新提供了強大動力。

在技術路線方面，熱泵技術已成為最具前景的發展方向。傳統方案多采用PTC加熱器進行采暖，能效低且能耗高。而熱泵系統通過制冷劑的氣液轉換，將空氣中的熱量轉化為自身的內能，COP值比PTC加熱系統高出2～3倍，可有效延長 20% 以上的續駛里程。特斯拉ModelY的熱泵系統甚至在不同環境溫度下均能保持較高能效，即使在極低溫度下，仍可保證COP大于等于1，而PTC能效系數則通常小于19。表1給出了不同熱管理系統方案性能對比情況。

表1不同熱管理系統方案性能對比

另一方面，系統集成化已成為行業共識。宇通商用車有限公司提出的熱管理系統可通過一套熱泵空調系統同時滿足駕駛室制冷、動力電池制冷及駕駛室采暖的需求。這種集成設計不僅提高了系統的整體效率，還減少了零部件數量，降低了整體重量和成本。河南海威新能源科技有限公司開發的純電動卡車集成熱管理系統，通過四通閥實現四種熱管理功能的調整，大大簡化了系統復雜度[2]。

智能控制策略是另一重要趨勢。一汽解放汽車有限公司申請的商用車電池溫控系統專利，可根據環境溫度和電池包狀態實時調控電池包溫度。這種智能溫控系統能夠根據實時工況調整熱管理策略，最大化提升能量利用效率。德力新能源汽車有限公司開發的輕型物流車熱管理系統，通過兩個電控三通閥的聯合控制，將兩套液冷系統連接起來，根據不同工況的散熱需求，既可以保證兩個系統獨立工作，也可以改變兩套系統的循環路徑達到快速升溫，有效降溫[3]。

3系統架構設計與優化

基于行業技術趨勢分析和江淮輕卡平臺的具體需求，本文提出并優化了四種熱管理架構方案，每種方案都針對特定的應用場景和性能目標進行了精心設計。

3.1方案一：水路分散式布局與多通閥余熱利用

方案一（圖1）采用了相對保守但成熟可靠的設計思路，通過分散式水路設計和多通閥（如五通閥）實現冷卻回路在不同部件間的靈活切換與耦合。該系統的核心特點是利用電機運行產生的廢熱，通過閥體切換將其引導至電池包，用于低溫預熱，實現基本的余熱利用。乘員艙采暖則采用傳統的WPTC（水暖式PTC）加熱器方案，直接對冷卻液進行加熱。

該方案的主要優勢在于結構相對簡單，基于現有技術，開發風險低，成本可控。但其主要局限性在于乘員艙采暖完全依賴高能耗的PTC，整車冬季能耗較高，續航里程受影響大。針對這一不足，優化了控制策略，通過在冷啟動階段構建冷啟動小循環回路，使驅動電機、動力電池溫度快速提升，進入理想充放電溫度區間。溫度提升后，系統可切換至大循環工況，合理控制驅動電機溫度，保證電驅動始終保持合理區間。

圖1熱管理架構方案一

3.2方案二：水路分散式與多通閥/LCC間接熱泵

方案二（圖2）在方案一的基礎上引入了熱泵系統，顯著提升了系統能效。該架構的核心是在傳統空調回路中增加一個低溫冷卻器（LCC），作為熱泵系統的蒸發器，用于吸收電機循環冷卻液中的廢熱。吸收的熱量通過熱泵循環提升品位后，通過艙內冷凝器為乘員艙提供采暖。當電機余熱不足時，由WPTC作為輔助熱源補充。

圖2熱管理架構方案二

這一方案的最大優勢是實現了電機余熱的高效回收利用，大幅提升了乘員艙采暖能效（ COPgt;2 ，顯著延長冬季續航。系統支持多種工作模式：制冷、制熱、除霜等，能根據環境條件和車輛狀態自動選擇最優運行策略。參考河南海威新能源科技有限公司的專利，該系統通過四通閥可實現四種熱管理功能的調整，熱管理功能的調整簡單有效[4]。

然而，該方案也面臨著系統復雜度增加的問題，需開發并匹配LCC、熱泵壓縮機、雙路EXV等新部件，開發成本和周期相應增加。我們通過模塊化設計和標準化接口降低了這一復雜性，使系統更易于維護和升級。

3.3方案三：水路集成式布局與LCC間接熱泵

方案三（圖3）代表了高度集成化的設計理念，在方案二的基礎上進行了進一步優化。它將傳統分散的儲液壺、水泵、閥體等部件集成在一個模塊化水壺中，大幅減少管路連接，降低泄漏風險，減輕重量，節省布置空間。這種集成設計不僅減少了管路阻力與熱損失，還降低了水泵能耗，使系統整體能效得到進一步提升。

圖3熱管理架構方案三

該方案的主要優勢包括：a.集成化程度高，減少了零部件數量和系統體積；b.能耗優化明顯，由于減少了管路阻力與熱損失，水泵能耗得以降低；c.可靠性提升，減少了潛在的泄漏點，提高了系統長期運行的穩定性。宇通商用車的熱管理系統采用了類似的集成設計，通過一套熱泵空調系統同時滿足駕駛室制冷、動力電池制冷及駕駛室采暖的需求，提高了熱管理系統的集成度，實現了系統的輕量化，且節約了零部件并降低了成本。

雖然該方案需要開發全新的集成式水壺模塊，前期投入和設計難度最高，但從全生命周期成本考慮，其帶來的空間節省、重量減輕、可靠性提升和長期能耗優勢，使其成為最具長期競爭力的方案。

3.4方案四：水路分散式布局與WPTC輔助直接熱泵

方案四（圖4）采用了一種創新性的直接熱泵設計，將原乘員艙內的PTC加熱器芯體替換為車內冷凝器。熱泵系統在制熱時，制冷劑直接在該冷凝器中放熱，效率高于通過LCC-冷卻液二次換熱的間接式熱泵系統。WPTC作為低溫補償熱源，在極端條件下提供輔助加熱。

根據性能測試，該方案在 700P 車型上可實現4400W（ 的制熱性能，在 100P 車型上達到4300W（ ），在微貨車型上達到4000W（ ）的制熱能力。這種性能表現顯著優于傳統PTC方案，能夠滿足大多數寒冷環境下的乘員艙采暖需求。

然而，這一方案的挑戰在于制冷劑管路需要進入乘員艙，存在潛在的泄漏安全風險，且對車內冷凝器的性能、噪音控制和成本提出了更高要求。為此，設計了多重安全防護系統，包括高壓檢測、泄漏監測和快速切斷裝置，確保系統安全可靠。此外，通過優化換熱器設計和控制策略，降低了系統噪音，提高了乘坐舒適性。

圖4熱管理架構方案四

4性能對比與分析

為評估各方案的實際性能，建立了基于一維仿真軟件（AMESim）的整車熱管理模型，模擬了不同環境溫度下 （-10～45^°C 的系統表現。模型包含電池、電機、乘員艙、空調系統（含熱泵回路）冷卻水路等關鍵子系統，設置了CLTC城市循環等典型工況進行測試。四種方案在 -10^°C 環境下的性能對比，如表1所示。

表2四種方案在-10°C環境下的性能對比

仿真結果顯示：在 -10^°C 環境下，方案一（PTC基準）的熱管理能耗占整車能耗的 35% 以上，續航折損嚴重；方案二與方案四均能將熱管理能耗占比降低至 15% 220% ，續航里程相比方案一提升約 16%～22% ；方案三（集成式熱泵）由于其更低的水路阻力與熱損失，水泵功耗顯著降低，綜合COP最高，熱管理能耗占比進一步降至 14%～17% ，續航提升幅度達到 23%～25% ，表現最優。

這些結果與行業其他研究相符。據研究顯示，熱泵型集成式熱管理系統在 -10^°C 環境下，相比傳統PTC方案可改善續駛里程 35% 以上。特斯拉ModelY的熱泵系統在不同環境溫度下均能保持較高能效，即使在極低溫度下，仍可保證COP大于等于19。

從成本效益分析角度，雖然方案三的前期開發成本較高，但其運行成本最低，從全生命周期成本考慮最具優勢。方案四雖然理論COP最高，但其安全風險和系統復雜度也較高，需要更多的安全防護措施。方案二在成本和性能之間取得了較好平衡，適合作為過渡方案或中端車型的選擇。

實驗結果表明，該熱管理系統可有效管控設定熱邊界下的電池產熱，電池箱溫度被有效控制在最佳工作溫區以內。這種有效的熱管理對于保證電池壽命和車輛安全性至關重要，尤其是在商用車經常面臨的高負載運行條件下。

5討論與挑戰

在純電輕型商用車熱管理系統的發展過程中，面臨著多個方面的技術挑戰和實施難點，需要深入分析和討論。

5.1技術實施中的挑戰

系統復雜度與可靠性的平衡是首要挑戰。隨著熱管理系統功能的增強和集成度的提高，系統復雜度呈指數級增長。以方案三為例，高度集成的模塊化設計雖然減少了外部管路連接，但內部結構變得更為復雜，對設計和制造工藝提出了更高要求。集成式熱管理系統的維護成本也相對較高，需要專業的技術支持。為解決這一問題，引入了故障預測與健康管理（PHM）技術，通過傳感器網絡和人工智能算法，實時監測系統狀態，預測潛在故障，提前進行維護。

低溫環境下的性能保障是另一重大挑戰。雖然熱泵系統在中等低溫環境下表現優異，但在極端低溫（如-20% 以下）環境中，其性能仍然會顯著下降。這是因為環境與車內溫差過大，熱泵系統吸熱難度增加，導致COP值降低。為應對這一挑戰，提出了混合式加熱策略，結合熱泵、PTC和相變材料（PCM）的多源加熱方案。研究表明，基于相變儲能的動力電池熱管理系統可以利用多管換熱器夏季儲冷用于吸收電池產熱，冬季儲熱為乘員艙提供熱量。這種多源熱管理策略能夠有效擴展熱泵系統的工作溫度范圍，保證在極端環境下的性能。

5.2兼容性與標準化問題

純電輕卡熱管理系統的另一個關鍵挑戰是平臺兼容性和標準化。不同車型、不同用途的商用車對熱管理系統的需求各不相同。例如，冷鏈物流車對制冷系統有更高要求，而寒區用車則更關注制熱性能。這就需要熱管理系統具備良好的可擴展性和模塊化設計。

通過借鑒河南海威新能源科技有限公司的集成熱管理系統設計，提出了平臺化 + 定制化的策略：基礎平臺采用統一的設計標準和接口規范，針對不同車型和用途提供不同的功能模塊和控制策略。這種設計既能夠實現規模化生產的成本優勢，又能滿足不同用戶的個性化需求。

標準化問題也亟待解決。目前行業內熱管理系統的標準尚未統一，各廠商采用的組件規格、接口設計和控制協議各不相同，這增加了零部件供應商的難度和系統的整體成本。因此，建議由行業領先企業牽頭，組建產業聯盟，共同制定熱管理系統標準化接口和通信協議，促進行業健康發展。

5.3未來技術方向

基于當前技術發展和市場需求分析，識別出以下幾個未來技術發展方向：

a.以 CO₂ 為工質的熱泵系統。 CO₂ 作為天然制冷劑，具有良好的環保特性（ （oDP=0，GWP=1 ）和低溫性能，在 -20^°C 以下環境中仍能保持較高COP值，非常適合電動汽車的熱管理需求[5]。

b.智能控制算法的深度應用。隨著人工智能技術的發展，熱管理系統的控制策略正從基于規則的控制向基于模型預測控制（MPC）和深度學習的方向發展。通過大數據分析和機器學習算法，系統能夠學習駕駛員的習慣和車輛運行環境，預測未來熱負荷變化，提前調整系統運行狀態，實現超前的智能熱管理。

c.相變材料的廣泛應用。相變材料具有高儲能密度和等溫相變的特性，非常適合作為熱管理系統的儲能介質。研究表明，相變儲能多管換熱器冬季儲熱可在1h內提供 1948.1kJ 熱量用于乘員艙供暖。這種相變儲能系統不僅可以提高熱管理效率，還能實現能量的時空轉移，進一步提高系統能效。

6結語

本研究通過對四種純電輕型商用車熱管理架構的深入分析與優化，得出以下結論：

a.高度集成化的間接式熱泵架構（方案三）在能效、空間布局和整體性能上最具潛力，是未來發展的優選方向。該方案雖然在前期結構開發上投入最大，但其帶來的空間節省、重量減輕、可靠性提升和長期能耗優勢，使其全生命周期成本和綜合技術優勢最為突出。仿真結果顯示，方案三在 -10^°C 環境下的熱管理能耗僅為4.8kW?h/100km ，相比方案一（ 8.5kW?h/100km） 降低了 43.5% ，續航里程提升可達 18% 。

b.熱泵技術與余熱回收技術的結合是提升純電輕卡冬季續航能力的關鍵技術路徑。通過回收電機、電控等部件的廢熱，并結合熱泵技術提升熱能品位，系統能夠顯著降低對電池能量的消耗。研究表明，熱泵系統在冬季制熱工況下COP可達2～4，能效是比純電動汽車領域普遍使用的PTC加熱系統更有優勢，可以有效延長10%～20% 的續駛里程。

c.智能控制策略對于最大化熱管理系統效能至關重要。結合環境溫度和電芯溫度的維度，以COP值來定義熱泵系統參與加熱程度，可以實現多種加熱模式、冷卻模式以及除濕、除霜及除霧模式的智能切換。特斯拉的熱泵系統可以有多達9種組合加熱模式、3種冷卻模式，以及除濕、除霜及除霧模式，這種精細化控制策略值得借鑒。

基于以上結論，本文對純電輕型商用車熱管理技術的發展提出以下展望：

a.未來幾年，隨著熱泵技術、集成化設計和智能控制算法的不斷進步，純電輕卡的熱管理系統將更加高效、緊湊和智能。到2025年，熱泵空調在新能源汽車的市場滲透率預計將達到 30% 。這一趨勢將推動熱管理系統從輔助功能向核心功能轉變，成為影響消費者購車決策的關鍵因素之一。

b.系統集成度將進一步提高。從最初的分散獨立系統，到現在的部分集成系統，未來將發展至全域集成熱管理系統，實現電池、電機、電控、乘員艙和輔助系統的全面熱管理一體化。這種全域集成系統不僅能夠最大化能量利用效率，還能通過統一控制和優化，進一步降低系統成本和復雜度。

c.能源多樣化將成為重要發展方向。結合熱泵、PTC、相變材料和太陽能等多種能源形式的多源熱管理系統，將能夠適應更廣泛的環境條件和使用場景，為用戶提供更加可靠和舒適的使用體驗。

總之，純電輕型商用車熱管理技術的發展將緊緊圍繞能效提升、集成化設計和智能化控制三大方向，通過不斷創新和優化，為新能源商用車的發展提供堅實的技術支撐，推動物流運輸行業向綠色、高效、智能的方向轉型。

參考文獻：

[1]董欣，楊杰，付凱強，等.純電動商用車熱泵型集成式熱管理系統研究[J].AI汽車制造業，2024（2）：18-21.

[2]中國重汽集團濟南動力有限公司.一種電動商用車的熱管理系統及方法：202211592101.3[P].2023-05-08.

[3]郭凡，劉衛芬，張佳佳.純電動商用車電池熱管理技術研究[J].汽車實用技術，2020（6）：8-10.

[4]河南海威新能源科技有限公司.一種純電動輕卡熱泵系統：CN119704988A[P].2025-03-28.

[5]田長青.新能源汽車熱系統[M].北京：機械工業出版社，2024.

作者簡介：

劉家宏，男，1987年生，助理工程師，研究方向為熱管理系統與架構設計。