电动汽车热管理技术研究进展

文章编号:0253－4339(2022)03－0015－14 doi:10.3969/j.issn.0253－4339.2022.03.015 电动汽车热管理技术研究进展 邹慧明1，2唐坐航1，2杨天阳1，2田长青1，2 (1中国科学院理化技术研究所空间功热转换技术重点实验室北京100190;2中国科学院大学北京100049) 摘要电动汽车热管理技术是驾乘安全与舒适的重要保证，是电动汽车发展的核心关键技术之一。本文从电动汽车热管理需求、发展历程以及关键零部件技术发展几个方面，梳理总结了电动汽车热管理技术的研究现状与发展趋势，并进一步从环保制冷剂替代，智能化控制与乘员舱舒适性提升方面对电动汽车热管理未来技术发展进行了阐述与展望，以期为业内同行提供参考。关键词电动汽车;热管理;热泵;系统构架;技术进展 中图分类号:U469.72;TB65文献标识码:A ＲeviewofＲesearchonThermalManagementTechnologyforElectricVehicles ZouHuiming1，2TangZuohang1，2YangTianyang1，2TianChangqing1，2 (1．KeyLaboratoryofTechnologyonSpaceEnergyConversion，TechnicalInstituteofPhysicsandChemistry，CAS，Beijing，100190，China;2．UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing，100049，China) AbstractThermalmanagementtechnologyforelectricvehiclesguaranteessafetyandcomfortofdriving，anditisoneofthekeytechnolo-giesinthedevelopmentofelectricvehicles．Theresearchprogressanddevelopmenttrendsofthermalmanagementtechnologywereintro-ducedconsideringthethermalmanagementdemand，developmenthistory，andkeycomponents．Trendsandprospectsofthefuturetechno-logicaldevelopmentofthermalmanagementinelectricvehiclesarediscussedintheworkperspectiveofeco-friendlyrefrigerants，intelligentcontrol，andimprovementofpassengercabincomfort．Wehopethisreviewservesasacomprehensivereferencefortheadvancesinthisfield． Keywordselectricvehicle;thermalmanagement;heatpump;systemconfiguration;technicalprogress 新能源汽车是全球汽车行业的重要发展方向，也是我国汽车产业转型升级的重要发展战略。2009年国家“十大产业振兴规划”中将新能源汽车作为重点支持产业，前景非常广阔。2012年4月18日国务院常务会议讨论通过了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020年)》，争取到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量达到50万辆，到2020年超过500万辆。截止2020年底，我国新能源 汽车保有量达到492万辆，基本实现规划目标。2020年11月2日，国务院办公厅正式发布《新能源汽车产业发展规划(2021—2035年)》，为推动新能源汽车产业高质量、可持续发展指明了方向。 纯电动汽车的综合能效高［1］、环境污染相对较小［2］，是我国优先发展的新能源汽车形式，随着纯电动汽车相关技术不断发展，产业规模逐渐扩大。受制于动力电池的能量密度与材料性质，纯电动汽车的续航里程成为制约其发展的关键问题，而整车热管理系统的需求与能耗逐步引起了行业的广泛关注。行驶 的机动性使汽车面临的环境气候条件复杂多变，对于纯电动汽车而言，没有了传统燃油汽车的发动机热系统，汽车热系统在满足车室环境控制的同时，还需要满足电池/电机/电控温度控制、换热器除霜、车窗玻璃除雾等需求，热管理技术是汽车驾乘安全与舒适的重要保证，已成为电动汽车发展的核心关键技术。 1电动汽车热管理需求 乘员舱是汽车行驶过程驾驶人员所处的环境空间，为保证驾驶人员舒适的驾驶环境，乘员舱热管理需要控制车室内环境的温度、湿度、送风温度等。乘员舱在不同情况下的热管理需求如表1所示。 动力电池温控是保障电动汽车高效安全运行的重要前提，在温度过高时将引发漏液、自燃等现象，影响驾驶安全;温度过低时，电池充放电能力均会有一定的衰减。由于能量密度高、轻量化，锂电池成为电动汽车应用最广泛的动力电池［4］。锂电池温控需求［5］以及根据文献［6－8］所估算出的不同状况下电 收稿日期:2022－02－18;修回日期:2022－03－04 池热负荷如表2所示。随着动力电池能量密度的逐步提升、工作环境温区范围的拓展以及快充速度的攀高，动力电池温控在热管理系统中的重要性也更加突出，不仅需要满足不同路况、不同充放电模式等车辆使用工况下的温控负荷变化，电池组间温度场均匀性与热失控防控，还需要满足严寒、高热高湿地区、夏热冬冷地区等不同环境工况下的所有温控需求。 表1乘用车乘员舱空调需求［3］ Tab．1Ｒequirementsforairconditionsincarroom［3］ 项目夏季冬季 车内温度/℃ 24～28 18～20 车内相对湿度/% 40～65 ＞30 车内气流速度/(m/s) 0.3～0.4 0.2～0.3 新风量/(m3/h) 20～25 15～20 热负荷/kW 3.0～9.3 1.5～6.0 表2锂电池温控需求及热负荷 Tab．2Temperaturerequirementsforlithiumbatterypackofelectricvehicle 项目参考值 电池温控范围/℃15～40 电池单元温差/℃＜5 当前主流车型电池容量/(kW·h)50～100 60km/h车速下发热功率/kW0.18 120km/h车速下发热功率/kW3.6 1C快充发热功率/kW1.5～3.0 2C快充发热功率/kW4～8 表3乘用车电机、电控温控需求以及电机发热功率Tab．3Temperaturerequirementsformotorandelectricalcontrolsystemandmotorheatgenerationofelectricvehicle 项目参考值 电机励磁线圈温度/℃＜170 控制器半导体元件温度/℃＜225 电机冷却水温/℃＜80 电控冷却水温/℃＜70 紧凑型乘用车电机发热功率/kW2.5～6.0 中型乘用车电机发热功率/kW6～10 大型乘用车电机发热功率/kW10～15 电机与电控是电动汽车关键的能量输出环节，电 机工作过程中由于线圈电阻发热、机械摩擦生热等原因会产生大量热量，温度过高导致电机内部短路、磁体的不可逆退磁等问题［9］。根据当前电动汽车市场不同车型电机配置情况，乘用车电机与电控温控需求以及考虑电机效率和电机功率情况下的电机发热功率如表3所示。随着电动汽车的普及以及应用场景的增多，汽车动力需求不断提升，电动汽车电机需要更高的功率、扭矩以及转速，同时也意味着更高的发热量，因此电机系统的热管理需求逐渐提高。 2电动汽车热管理技术发展历程 整车热管理是电动汽车发展的核心技术之一，涉及乘员舱温湿环境调控、动力系统温控、玻璃防雾除雾等多目标管理。根据热管理系统架构与集成化程度，将电动汽车热管理的发展归纳为三个阶段，如图1所示。从单冷配合电加热到热泵配合电辅热再到宽温区热泵与整车热管理逐步耦合，电动汽车整车热管理技术逐渐朝着高度集成化、智能化的方向发展，并且在宽温区、极端条件下的环境适应性能力逐渐提升。 2.1第一阶段PTC供热 在电动汽车产业化起步阶段，基本是以电池、电机等动力系统的替代为核心技术发展起来的，车室空调、车窗除雾、动力部件温控等辅助系统是在传统燃油汽车热管理技术基础上逐步改进而来的。纯电动汽车空调与燃油汽车空调都是通过蒸气压缩循环来实现制冷功能，两者的区别是燃油汽车空调压缩机由发动机通过皮带间接驱动，而纯电动车则直接使用电驱动压缩机来驱动制冷循环。燃油汽车冬季制热时直接利用发动机余热对乘员舱进行供热，不需要额外的热源，而纯电动车的电机余热无法满足冬季制热的需求，因此冬季制热是纯电动汽车需要解决的问题。正温度系数加热器(positivetemperaturecoefficient，PTC)由PTC陶瓷发热元件与铝管组成，具有热阻小、传热效率高的优点，并且在燃油汽车的车身基础上改动较小，因此早期的电动汽车采用蒸气压缩制冷循环制冷加PTC制热的方式来实现乘员舱的热管理，例如图2所示的早期三菱公司的i-MIEV电动汽车［10］。与燃油汽车由燃料提供能量不同，电动汽车由动力电池提供能量。电动汽车正常运行时，动力电池放电产热，温度升高，需要对电池进行降温。电池冷却的方法主要有空气冷却、液体冷却、相变材料冷却、热管冷却［11］，由于空气冷却结构简单、成本低、便于维护，在早期的电动车上得到广泛应用。这一阶段 的热管理主要形式是各个独立的子系统分别满足热 图1电动汽车热管理构型发展趋势 Fig．1Developmentofthermalmanagementconfigurationforelectricvehicle 管理的需求。 2.2第二阶段热泵技术应用 在实际使用过程中电动汽车冬季供热能耗需求较高，从热力学角度来说PTC制热的COP始终小于1，使得PTC供热耗电量较高，能源利用率低，严重制约了电动汽车的行驶里程［12］。而热泵技术利用蒸气压缩循环将环境中的低品位热量进行利用，制热时的理论COP大于1，因此使用热泵系统代替PTC可以增加电动汽车制热工况下的续航里程［13］。图3所示为宝马i3车型采用热泵系统来实现冬季制热。此 外，一汽奔腾与红旗、上汽荣威等也在部分车型上采 图2早期电动汽车热管理系统 Fig．2Thermalmanagementsystemofelectricvehicleatearlystage 用了热泵系统。然而在低温环境下，传统热泵系统制热量衰减严重，无法满足电动汽车低温环境制热需求，需要额外的加热器辅助加热［14］，因此热泵加PTC辅热的制热方式成为电动汽车冬季低温环境下乘员舱制热的主要方式。随着动力电池容量与功率的进一步提升，动力电池运行过程的热负荷也逐渐增大，传统的空冷结构无法满足动力电池的温控需求，因此液冷成为当前电池温控的主要方式。并且，由于人体所需的舒适温度和动力电池正常工作所处的温度相近，可以通过在乘员舱热泵系统中并联换热器的方式来分别满足乘员舱与动力电池制冷的需求。通过换热器以及二次冷却间接带走动力电池的热量，电动汽车整车热管理系统集成化程度有所提高。虽然集成化程度有所提升，但这一阶段的热管理系统只对电池制冷与乘员舱制冷进行了简单整合，电池、电机余热未得到有效利用。 图3宝马i3电动汽车热泵系统 Fig．3HeatpumpofBMW-i3 2.3第三阶段宽温区热泵及整车热管理集成一体化技术发展 传统热泵空调在高寒环境下制热效率低、制热量不足，制约了电动汽车的应用场景。因此，一系列提升热泵空调低温工况下性能的方法得以开发应用。通过合理增加二次换热回路，在对动力电池与电机系统进行冷却的同时，对其余热进行回收利用，以提高电动汽车在低温工况下的制热量。实验结果表明，余热回收式热泵空