基于冷热循环的纯电动汽车集成管路布置研究

宋瀚 周松涛 许洋洋 王稼农

（东风汽车集团有限公司技术中心）

在电动汽车的布置中，冷热系统的布置是重点，这也是电动车和传统燃油车的关键差异，电动车的冷热相关的零部件多，种类复杂，管线也很多，涉及到电动车控制器、电机、加热器及水泵等一系列零部件，所以在整车机舱及下装的布置的时候，如何统筹地管控零部件的布置，定义零部件的管口位置是布置的重点，这不仅影响整车的性能，也对各个机构产生影响。文章基于某电动车的冷热循环系统布置，结合机舱布置研究，集成某些相关的系统零部件，可以减少支架和相关管线，控制成本、美观机舱、节约空间，有利于机舱和下车体的相关管路布置。

1 电动车冷热循环定义

1.1 传统车与电动车热管理差异

当前新能源汽车尤其是纯电动汽车动力系统的根本性变化正在重塑汽车的热管理系统架构，热管理系统已经成为了新能源汽车相较于传统汽车最大差异点，主要差异点如下：1）新能源汽车新增动力电池热管理系统；2）相比较发动机，动力电池、电驱电控系统要求更高级别和可靠的温度控制；3）为提升续驶里程，电动车需要进一步提高热管理效率。

综上所述，可见传统的燃油车热管理系统是围绕发动机构建的（发动机带动压缩机、水泵运转，座舱制暖来源于发动机废热）。因为纯电动车没有发动机，空调压缩机和水泵需电动化，并采用其他方式（PTC或者热泵）为座舱制暖。新能源汽车的动力电池需要精细的散热和加热管理，相比于燃油车，新能源汽车新增动力电池和电控、电机的热管理回路，增加热交换器、阀体、水泵及PTC等。

1.2 电动车相关件温度要求

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℃，电池最高温度小于50℃[1]。

电池适宜的工作温度为25~50℃，超标的环境温度会严重影响电池包的性能，所以高效的热管理系统是维持电池性能和安全性的关键所在，因此需要在高温和严寒条件下，对整个电池进行冷却和加热。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加热器PTC（Positive Temperature Coefficient）提供热量。

目前常用的电池散热系统主要有风冷和液冷式[2]，随着电池容量、功率提高，高效的液体冷却已经成为了主要的电池冷却方式。

2 布置输入

2.1 冷却关键布置零部件

图1示出纯电动汽车冷热循环系统中常见的零部件，如热交换器、四通阀、水泵及PTC等。冷却系统的零部件的相关功能和布置要求如表1所示。

图1 冷却系统零部件梳理图

表1 冷却系统零部件布置规范

2.2 纯电动车原理图解析

该电动车属于2+2前后双电机设计，冷热循环一共有4条回路，电机回路、电池回路、空调冷却回路及空调暖风回路。相关回路如图2所示，相关系统零部件功能如表2所示。

表2 冷热循环图功能解析

图2 电动车冷热循环原理图

其中回路1作为最重要的回路，负责给大三电中的电机、电控和小三电进行冷却，其中小三电是集成了OBD、DCDC、PDCU 3种功能。其中电机是油冷，冷却水路通过电机自带的板式交换器的热交换进行冷却，前机舱的零部件属于串联，后机舱的零部件属于串联结构，整体可以进行并联设计，其中三通阀1可以看为一个节温器装置，当电机等部件低温时，回路1可不经过散热器装置，可以看做一个小回路，当部件温度升高后，三通阀开通，回路2经过低温散热器，可以看做一个中等回路。

回路2是对电池包进行冷却和加热的回路[3]，电池包自带内置水泵，通过板式交换器1和空调的暖风回路3和冷凝回路4进行冷热交换，当环境温度过低时，暖风回路3开启，通过板式交换器1对电池包进行加热处理，当环境温度过高时，冷凝回路4开启，通过板式交换器1对电池包进行冷却处理，这样使得电池包一直处于恒温状态，功能上一直处于最佳状态。另外回路1和回路2通过四通阀连接，四通阀不通电时，1和2两个回路相互独立，当环境温度过低时，当通电后，回路1和回路2相互贯通，处于水路大循环状态，水路1可以给水路2进行加热处理。

回路3和回路4都属于空调系统，其中回路3是暖风系统，因为电动车没有发动机这个热源，需要外部获取热源，回路3通过热交换器2交换回路4中空调压缩机压缩产生的高温高压气体产生的温度，并且回路3中有PTC加热器，当温度过低时，可以通电加热，加热空调暖风水管内的水，回路3进入空调暖风系统，吹风提供暖气，另外回路3使用三通阀2，不通电时，可以自身形成一个小回路，通电时，回路3通过热交换器1对回路1进行加热。

回路4是空调冷却管路，除了和回路3有热交换之外，此回路通过节流阀和前空调、后空调、回路2的热交换器2对接，可以理解为3条小回路，节流阀对接的这3条回路都有电控截止阀，电控此路是否贯通。

通过这样1套冷热循环系统，可以让电池包正常充放电并且不影响电池包寿命，电机、小三电等一系列系统都能达到很好的降温效果。

3 电动车管路布置要点

3.1 零部件集成要点

在原有冷热循环图的基础上，可以考虑采用局部零部件的集成处理。特斯拉车型热管理系统对比如表3所示。

表3 特斯拉冷却系统对比

此件集成了侧面的2个水泵、切换阀、换热器、膨胀阀、五通阀门以及冷却液壶。五通阀控制各回路之间的耦合关系，是热管理系统实现不同工作模式的核心部件，是热管理的中枢机构，此件可以实现电池冷却回路和电驱冷却回路的串联，也可以通过电机堵转制热帮助电池升温，特斯拉Model 3的冷却系统高度集成提升了零部件的模块化程度，如图3所示，减少了管路用量，也节省了布置空间，值得推广借鉴。

图3 特斯拉高集成度智能膨胀壶

3.2 车型零部件集成要点

基于之前的基础原理热循环图，可以参照特斯拉车型进行优化，可以做一些简单的集成化处理，如表4所示，如将水泵和水室集成为一个，三通阀和四通阀等集成处理，这样一些处理可以减少支架和相关管路的数量，也能最大的化的节约空间，降低布置的难度。

表4 零部件局部集成化处理

3.3 布置效果点检

如图4所示，经过集成优化后，做横梁进行固定处理，相关件都尽量布置在横梁上，管路尽量沿着横梁进行布置，布置完毕后，节约出来的空间做行李箱结构处理。

图4 布置后效果图

4 结论

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提高能量的利用效率，增加车辆的续驶里程。文章通过详细分析，通过多个三通、四通阀集成后，进行冷热循环控制、大小循环控制，结合热管理图优化设计阶段管线布置，满足保安防灾要求，也同时总结了纯电动汽车机舱保安防灾问题的管线的相关布置方法及注意要点，值得推广到后续的车型开发项目。