电动汽车热管理系统设计及应用进展

黎帅

电动汽车热管理系统设计及应用进展

黎帅

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511434）

电动汽车的热管理直接关系到电池电机的性能和使用时的安全。电动汽车行驶时，电机需要冷却，乘员舱和电池温度需要保持在适宜的水平，热量在前端冷却模块中耗散至空气。文章在分析电动汽车的冷却考核工况，重要零部件热负荷情况的基础上，对格栅、导流密封、前端模块等结构特点进行了分析，比较了多个畅销车型的热管理回路，分析了其优缺点。

电动汽车；热管理系统；前端模块；回路设计

引言

燃油车的巨大保有量给化石资源和大气环境带来了很大压力。随着排放标准的日益严苛，更加绿色清洁、零排放的电动汽车正越来越引起人们的重视。电动汽车通常采用高功率密度电机，各种电子电器和电池在运行过程中发热量较高，而车厢的安装空间狭小，恶劣复杂的工况也加剧了散热的困难性。电动汽车出现冒烟和起火事故屡见不鲜，对电动汽车的热管理系统进行合理设计至关重要。

文献[1]总结了电动汽车中热管理相关的三大热管理系统，即空调回路、电池回路、电机回路。文献[2]梳理了电动汽车电机冷却系统的研究现状，比较了风冷系统和液冷系统的结构和特点。文献[3]分析了动力电池的冷却方式。文献[4]在2017年比较了BWM i3、model-S等国外电动车和荣威E50、帝豪EV等国内电动车冷却系统的构型，对国内电动车改进系统能量利用和提高续航里程提供了建议。文献[5]研究了需冷却电器散热量和对冷却液的温度要求，通过改变电器的布置顺序减少了对散热器散热能力的要求。文献[6]对电动汽车动力系统的冷却系统控制流程进行一维仿真，通过控制风扇档位和水泵PWM，减少用电功率，增加整车5km续航。文献[7,8]搭建了完整的电动汽车一维冷却系统模型，实现了对冷却系统进行优化设计。文献[9,10,11,12]采用三维仿真的方法对机舱和电池的温度场进行了研究。

近年来，自主品牌量产电动汽车的热管理系统应用有了很大的进展，但是鲜见于文献。本文主要介绍了电动汽车冷却考核工况，热管理系统组成、典型车辆的热管理风侧设计，典型车辆的热管理水侧和液侧设计对比分析了各自的优缺点，描述了目前面临的主要研究问题，并在此基础上对电动汽车用电机冷却系统进行进一步探讨。

1 电动汽车的冷却考核工况（热平衡）

现行的推荐标准《GB/T 12542-2009 汽车热平衡能力道路试验方法》规定了测定装有发动机汽车，测定热平衡能力的道路试验方法。

电动汽车的冷却性能考核尚无国家标准，一般汽车制造商会要求在高温大负荷工况下，电机冷却回路中的水温低于65°C，电池最高温度小于55°C。高温大负荷环境模拟工况可设计如下，湿度40-50%，光照1100W/Km2，车速可设置如下，①环境温度40°C，以40km/h在7.2%坡度路面行驶30min；②环境温度45°C，以120km/h在3%坡度路面行驶30min。

2 重要零部件的热负荷（空调、电机、电池）与冷却方式

通常电动汽车热管理系统主要由四部分组成，即电机冷却回路，空调回路，电池回路，采暖回路。

冷却回路的零部件包括电驱动散热器、水壶、电动水泵、充电机（OBC）、DC/DC、电机控制器、永磁同步电机，由冷却管路依次连在一起。目前应用较多的冷却剂是由水、乙二醇、抗腐蚀与抗泡沫添加剂配比组成的混合溶液，大大降低了冷却液的凝固点，可使电机有效地防冻，还具有防腐防水垢的功能。

空调回路包括冷凝器，压缩机，膨胀阀，发器。

电池适宜的工作温度为25-50°C，否则电池的性能将出现明显的下降。因此需要在高温和严寒条件下，能对整个电池冷却液回路进行冷却和加热。

电动车没有发动机这一稳定的热源，冬天乘员舱采暖时需要高压PTC（Positive Temperature Coefficient）提供热量。

3 典型车辆的热管理风侧设计

车辆运行过程中产生的热量最终在前端冷却模块处耗散至空气中。对于纯电动汽车来说，前端冷却模块一般只包含电驱动散热器、冷凝器和散热风扇，有的还有电池慢冷散热器。一般而言，提高风侧的对流换热系数是提高前端模块冷却效率最有效的方法。为了降低整车的风阻，电动汽车往往只开了下格栅（如图1所示），有时也在上格栅开很小的孔，如比亚迪元和荣威Ei5开孔的高度都不足10mm。

图1 典型车辆的下格栅开口形状

为了降低被前端模块加热的气流回流至前端模块的前方，再次经过前端模块被反复加热，近年来往往会增加导流密封的设计（如图2所示）。在前端模块和前保险杠间增加导流罩，如图所示，并在冷凝器和散热器间增加密封棉。这样做的好处一方面避免了热风回流，另一方面可以减少格栅进入的气流不经过前端模块造成的漏流。

图2 典型车辆的导流板

前端冷却模块的布置构型对风侧的影响也较大。有研究表明冷凝器放在前面，散热器放在后面的构型，冷凝器进风温度较低，冷却气流被冷凝器加热后进入散热器，散热器要做的较大较厚才能满足散热的需求。散热器放在前面，冷凝器放在后面的构型，散热器可以做的较小，冷却气流被散热器加热后进入冷凝器，但是随着冷凝器进风温度升高，造成冷凝压力升高。一方面空调的性能降低，压缩机的振动变强；另一方面，增大空调回路的负荷，造成耗电量增加。

比亚迪元、荣威Ei5、帝豪Gse整车尺寸重量、下格栅尺寸和芯体尺寸（手工测量）分别如下表1所示。

表1 典型车辆的整车参数

4 典型车辆的冷却回路水侧设计

零部件既有冷却的需求，同时也有散热的需求，传统的冷却回路水侧通过一个回路将电驱动相关的部件串联在一起，如荣威Ei5（见图3所示）。

图3 荣威Ei5冷却回路

2018款荣威Ei5另一个特点是电池风冷，并用了热泵空调。因此不需要乘员舱采暖回路，电池冷却和加热回路。2019款的荣威Ei5电池取消了风冷，已采用冷却液冷却。

比亚迪元的电机冷却回路与荣威Ei5大致相同。空调回路由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。电池采用快冷方式，电池回路的热量通过板式换热器（Chiller）将热量交换到空调回路中，最终在冷凝器处耗散到空气中，冬天使用时，动力电池和乘员舱都有加热需求。比亚迪元设计了一个通过四通换向阀将电池冷却回路和暖风回路串联或者并联，如图4所示，红色线条是暖风回路，黑色线条是电机和电池的冷却回路，蓝色线条是空调的冷媒回路。动力电池有冷却需求时，四通阀的方向沿实线，电池和暖风为两个独立的回路。有共同的采暖需求时，四通阀的方向沿虚线所示，电池和暖风组合成为一个串联的回路。

图4 比亚迪元热管理回路

此方案较为合理，控制简单，成本较低，可以为电池回路节省一个水壶和一个PTC，具有良好的效果。

吉利帝豪Gse设计了一个复杂的板式换热器chiller（如图5所示），红色线条是暖风回路，黑色线条是电机和电池的冷却回路，蓝色线条是空调的冷媒回路。一方面电池回路中的热量可通过chiller交换到空调回路中；另一方面暖风回路中的热量可通过chiller交换到电池回路中，巧妙地实现了对电池的冷却和加热。该冷却回路的另一设计特色是通过一进两出的三通换向阀，实现了利用电机中的余热来加热电池回路。

图5 帝豪Gse热管理回路

在前端冷却模块中散热器布置在冷凝器前，进风温度较低，可以把散热器尺寸做的很小（Z向高度为135mm）以节省成本。

该车型的缺点是Chiller工艺和控制复杂。此部件无法通过铸造的方式生产，需要数控机床铣出，并使用钎焊安装金属的水管连接口，有两个电磁阀控制管路的通断，预计生产成本较高。

以上三款电动车的热管理系统设计都体现了自主品牌较高的设计水准和良好的创意，具有良好的借鉴意义。

5 结论

随着产销量持续增长，电动汽车具有良好的发展前景。采用不同的方法关联配合电动汽车上的热管理系统，合理进行热管理系统的设计可以在减重降本的基础上，保证整车的使用可靠性和乘坐舒适性，并提高能量的利用效率，增加车辆的续航里程。自主品牌主机厂近年来在热管理系统创新设计方面体现出了良好的技术实力。

[1] 方财义,汪韩送,罗高乔,et al.纯电动汽车热管理系统的研究[J].电子设计工程, 2014, 22(04):137-139.

[2] 李翠萍,管正伟,丁秀翠, et al.电动汽车用电机冷却系统设计及发展综述[J].微特电机, 2019(1).

[3] 党超.电动汽车电池热管理系统研究[J].内燃机与配件,2018, 276(24):194-196.

[4] 徐俊芳,牟连嵩,刘双喜.国内外典型纯电动汽车空调系统方案解析[J].汽车与配件, 2017(32):73-75.

[5] 李龙强,李龙飞.串联式冷却系统在纯电动汽车的设计[J].时代汽车,2019(02):109-111.

[6] 张玲,董瑞新,张红涛.电动汽车冷却系统设计[J].汽车电器, 2017(2).

[7] 李贵初.纯电动汽车冷却系统能量优化方法的研究[D].哈尔滨工业大学, 2013.

[8] 王健,许思传,陈黎.基于AMESim的纯电动汽车热管理系统的优化设计[J].佳木斯大学学报(自然科学版), 2011,29(5):656-660.

[9] 崔程玮.纯电动汽车多热力系统耦合动力舱集成分析[D].吉林大学,2017.

[10] 周杨.纯电动汽车冷却系统数值分析[D].华中科技大学,2015.

[11] 王迪.电动汽车锂电池温度场研究及优化设计[D].南京航空航天大学,2015.

[12] 沈帅.纯电动汽车电池箱热特性研究及热管理系统开发[D].吉林大学,2013.

The Design and Application of Thermal Management System for Electric Vehicle

Li Shuai

（GAC Automotive Research & Development Center, Guangdong Guangzhou 511434）

The thermal management of electric vehicles is directly related to the comfort of the human body and the securi -ty in usage. When the electric vehicle is running, the motor needs to be cooled, the passenger compartment and the battery temperature need to be kept at an appropriate level.The heat is dissipated to the air in the front-end cooling module. Based on the analysis of the cooling assessment conditions of electric vehicles and the thermal load of important components, the structural characteristics of the grille, diversion seal and front-end module were analyzed. The cooling circuits of several popular models were compared. According to the main problems currently faced bythermal management system.

electric vehicle; thermal management system; front-end module; cooling circuits

U461

A

1671-7988(2019)13-08-04

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黎帅（1992-），男，汉，硕士研究生学历，就职于广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，研究方向为汽车尾气温差发电、发动机舱热管理，广汽研究院热管理工程师。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.13.003