熱管理系統(tǒng)設(shè)計汽車河南科技大學車輛與交通工程學院NewEnergyVehicles新能源集成熱管理系統(tǒng)工作模式高效協(xié)同

智能調(diào)控第6章第六章什么是集成熱管理系統(tǒng)？通過整合電池、電機、及乘員艙等熱管理需求，實現(xiàn)能量協(xié)同調(diào)控的智能系統(tǒng)。核心目標？保障電池最佳工作溫度（25-40℃）電機散熱優(yōu)化乘員艙舒適性降低整車能耗，延長續(xù)航熱管理系統(tǒng)控制策略設(shè)計對于提高新能源汽車的性能、安全性、能效和駕駛體驗至關(guān)重要。隨著新能源汽車技術(shù)的不斷進步，熱管理系統(tǒng)的設(shè)計和控制策略也在不斷完善，以滿足更加嚴格的性能和安全標準。第六章核心內(nèi)容：1.直冷液冷兩種系統(tǒng)的對比及工作模式2.特殊工況下的應(yīng)對方案3.核心部件的控制方法4.集成熱管理系統(tǒng)控制方法6.1常規(guī)模式-乘員艙獨立制冷流經(jīng)順序：壓縮機四通換向閥艙外換熱器電子膨脹閥1艙內(nèi)換熱器四通換向閥壓縮機6.1常規(guī)模式-乘員艙獨立制熱流經(jīng)順序：壓縮機四通換向閥艙內(nèi)換熱器電子膨脹閥1艙外換熱器四通換向閥壓縮機6.1常規(guī)模式-動力電池獨立制冷（液冷）流經(jīng)順序：制冷劑壓縮機艙外換熱器電子膨脹閥2板式換熱器3（chiller）壓縮機冷卻液動力電池膨脹水箱板式換熱器3（chiller）電子水泵2動力電池6.1常規(guī)模式-動力電池獨立制熱流經(jīng)順序：制冷劑壓縮機板式換熱器3（chiller）電子膨脹閥2艙外換熱器壓縮機冷卻液動力電池膨脹水箱板式換熱器3（chiller）電子水泵2動力電池6.1常規(guī)模式-電機獨立冷卻流經(jīng)順序：電機散熱器膨脹水箱電子水泵1電機6.1常規(guī)模式-電機余熱回收（用于極低溫情況）流經(jīng)順序：制冷劑壓縮機四通換向閥艙內(nèi)換熱器電子膨脹閥1艙外換熱器四通換向閥壓縮機冷卻液電機板式換熱器1膨脹水箱電子水泵1電機6.1常規(guī)模式-乘員艙電池集成制冷流經(jīng)順序：乘員艙：壓縮機艙外換熱器電子膨脹閥1艙內(nèi)換熱器壓縮機電池：制冷劑：壓縮機-艙外換熱器-電子膨脹閥2-板式換熱器3（chiller）-三通閥1-壓縮機冷卻液：電池-板式換熱器3（chiller）-電子水泵2-電池6.1常規(guī)模式-乘員艙電池集成制熱流經(jīng)順序：乘員艙：壓縮機艙內(nèi)換熱器電子膨脹閥1艙外換熱器壓縮機電池：制冷劑：壓縮機-三通閥1-板式換熱器3（chiller）-電子膨脹閥2-艙外換熱器-壓縮機冷卻液：電池-板式換熱器3（chiller）-電子水泵2-電池6.1常規(guī)模式-余熱型制熱流經(jīng)順序：乘員艙：壓縮機-艙內(nèi)換熱器-電子膨脹閥1-艙外換熱器-壓縮機電池：制冷劑：壓縮機-艙內(nèi)換熱器-電子膨脹閥3-板式換熱器2（chiller）-壓縮機冷卻液：電池-板式換熱器2（chiller）-電子水泵2-電池電機：制冷劑：壓縮機-艙內(nèi)換熱器-四通閥1-電子膨脹閥4-電磁閥5-四通閥2-壓縮機冷卻液：電機-板式換熱器1-（chiller）-電子水泵1-電機6.1常規(guī)模式-動力電池加熱流經(jīng)順序：電池：電池-膨脹水箱-四通閥4-四通閥3-電子水泵2-多路切換閥-電池電機：電機-板式換熱器1-膨脹水箱-多路切換閥-電子水泵1-電機6.1常規(guī)模式-乘員艙制冷流經(jīng)順序：乘員艙：壓縮機-艙外換熱器-電子膨脹閥-艙內(nèi)換熱器-氣液分離器-壓縮機（最上方艙內(nèi)換熱器停止工作）6.1常規(guī)模式-乘員艙制熱流經(jīng)順序：乘員艙：壓縮機-艙內(nèi)換熱器-電子膨脹閥-板式換熱器-氣液分離器-壓縮機電機：電機-板式換熱器-水泵-電機此時"冷卻液由電控和電機的排熱加熱"然后把熱量轉(zhuǎn)移到制冷劑中"作為制熱的熱源"實現(xiàn)熱量再利用6.1常規(guī)模式-動力電池制冷（直冷）流經(jīng)順序：電池：壓縮機-艙外換熱器-電子膨脹閥-電池冷板（直冷）-氣液分離器-壓縮機6.1常規(guī)模式-動力電池制熱流經(jīng)順序：電池：壓縮機-電池冷板（直冷）-電子膨脹閥-板式換熱器-氣液分離器-壓縮機電機：電機-板式換熱器-電機6.2特殊工況-極寒工況（一）低溫對動力電池性能的重大影響性能嚴重衰減-20°C

低溫環(huán)境下，僅能輸出60%左右電量。需要精確溫度管理（動力電池高效工作溫度范圍為

15°C-35°C）（二）低溫熱管理系統(tǒng)的核心目標提升低溫行駛性能延長動力電池使用壽命實現(xiàn)動力電池的快速加熱外部加熱法(技術(shù)相對成熟，易實現(xiàn))1.間接加熱：基于流體，對空氣、液體或相變材料進行加熱，間接加熱動力電池。2.電熱元件直接加熱將加熱元件（如PTC加熱器、電熱膜、帕爾貼元件）貼附在電池表面直接加熱，結(jié)構(gòu)緊湊，加熱效率高。6.2特殊工況-極寒工況(一)PTC加熱器預(yù)熱系統(tǒng)按照系統(tǒng)熱負荷計算需要的PTC總體數(shù)量。(二)電熱膜預(yù)熱方案核心特點：加熱功率依靠加載的電壓調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍寬。供電方式對比：串聯(lián)供電：電路簡單，但內(nèi)阻差異會導致加熱功率不均，對電熱膜一致性要求高。并聯(lián)供電：加熱功率差異小，但線路復(fù)雜，成本較高。方案電熱膜控制方式調(diào)壓控制主要優(yōu)點功率調(diào)節(jié)范圍寬主要挑戰(zhàn)電芯間溫度均衡性6.2特殊工況-極寒工況(三)帕爾貼效應(yīng)元件預(yù)熱工作原理：基于熱電效應(yīng)，電流通過時一側(cè)吸熱、一側(cè)放熱，將放熱面貼合電池實現(xiàn)加熱。關(guān)鍵設(shè)計：需與導熱硅膠、鋁板緊密配合，并搭配散熱裝置以提升效率和控制溫度。功率控制：通過調(diào)節(jié)電流大小和方向，實現(xiàn)精準的加熱功率調(diào)節(jié)。供電方式對比：串聯(lián)：電流相同，元件電阻差異導致功率不均。并聯(lián)：電壓相同，工作穩(wěn)定可靠，相互影響小，但布線更復(fù)雜。方案帕爾貼效應(yīng)元件預(yù)熱控制方式調(diào)流控制主要優(yōu)點控溫精準主要挑戰(zhàn)系統(tǒng)復(fù)雜、功率不均6.2特殊工況-極寒工況6.2特殊工況-極寒工況(四)液冷預(yù)熱系統(tǒng)構(gòu)成：液冷散熱器、冷卻液循環(huán)管路、熱交換器、泵。核心挑戰(zhàn)：控制復(fù)雜。如果液體循環(huán)系統(tǒng)的控制權(quán)限在整車控制器而不在BMS，通常需要充電機、整車控制器(VCU)和BMS三方協(xié)同控制。獨特優(yōu)勢：熱容量大，保溫持久：預(yù)熱后，冷卻液可作為儲熱單元，停止循環(huán)即可長時間保溫。提升續(xù)駛里程：續(xù)航提升效果顯著(五)相變材料(PCM)預(yù)熱工作原理：利用材料相變（如固-液）過程中吸收/釋放大量潛熱的特性。應(yīng)用形式：將PCM填充于導熱殼體中與電池接觸。將電池直接浸泡在絕緣性良好的PCM中。系統(tǒng)特點：通常與其他熱管理手段（風冷、熱管）聯(lián)合使用，由外部熱源提供熱量。相變材料本身是巨大的儲熱單元，預(yù)熱后能長時間起到保溫恒溫作用。6.2特殊工況-極寒工況(六)熱管預(yù)熱工作原理：全封閉空間，工質(zhì)在加熱端蒸發(fā)吸熱，在冷卻端冷凝放熱，利用相變實現(xiàn)極高效率的熱量傳遞。微型熱管特點：尺寸?。ㄎ⒚准墸瑑?nèi)部無吸液芯，依靠尖角毛細作用回流。核心角色：熱管是被動的熱量傳遞裝置必須配合其他熱管理裝置。(七)激勵交流電預(yù)熱核心原理：利用小幅值交流電直接作用于電芯，通過短周期充放電激勵電池內(nèi)部電化學物質(zhì)自身發(fā)熱。顯著優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)簡單：無需額外加熱元件。加熱均勻、效率高潛在挑戰(zhàn)：該技術(shù)對電池長期壽命的影響仍需進一步研究與驗證。6.2特殊工況-極寒工況（九）高效雙模熱泵系統(tǒng)直接式熱泵(專熱專用)特點：在空調(diào)箱內(nèi)置冷凝器，直接與艙內(nèi)空氣換熱。優(yōu)勢：效率更高。間接式熱泵(一熱多用)特點：通過板式換熱器，將制冷劑的熱量傳遞給冷卻液。優(yōu)勢：高溫冷卻液可連接多條回路。雙模融合效能：在

-15°C

環(huán)境下無需PTC輔助，即可維持乘員艙舒適溫度。大幅降低低溫能耗，突破普通熱泵

-10°C

的工作溫度下限。（八）電機堵轉(zhuǎn)技術(shù)預(yù)熱核心原理：將電機繞組作為加熱電阻使用，同時收集電機產(chǎn)生的廢熱給電池加熱。工作模式：當乘員艙與電池同時有制熱需求時，通過八通閥將電機與電池的冷卻液回路串聯(lián)。電機堵轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量熱量，加熱自身冷卻液。冷卻液流入電池循環(huán)系統(tǒng)，為電池快速加熱。核心優(yōu)勢：能量高效利用：充分利用電機廢熱，減少額外能耗，有效提升續(xù)航里程。6.2特殊工況-極寒工況（十）三熱源逐級加熱熱量“接力”四步流程：電驅(qū)生熱：電機堵轉(zhuǎn)控制算法，快速加熱電驅(qū)系統(tǒng)冷卻液。壓縮機接力：優(yōu)化控制策略，吸收電驅(qū)熱量并疊加壓縮機自身做功產(chǎn)生的熱量。加熱器匯聚：通過液冷冷凝器，將前兩級熱量匯聚至加熱器回路。注入電池：通過九通閥控制，將匯聚后的全部熱量導入電池回路，快速加熱電池。（十一）三角循環(huán)痛點問題：超低溫環(huán)境下，壓縮機入口制冷劑易液化，引發(fā)液擊風險，損壞壓縮機且限制三角循環(huán)方案：通過改進系統(tǒng)回路，提高壓縮機入口制冷劑溫度。帶來的優(yōu)勢：防止液擊：保障壓縮機安全運行。釋放性能：允許壓縮機運行在更高轉(zhuǎn)速，從而顯著提升系統(tǒng)整體制熱量。6.2特殊工況-高溫工況場景矛盾需求模式目標低溫環(huán)境+

大功率快充（用戶常在車內(nèi)等待）。電池包：快充產(chǎn)生大量廢熱，急需冷卻以防過熱。乘員艙：低溫環(huán)境下，用戶需要制熱以保障舒適性。一套系統(tǒng)，同時、獨立、高效地滿足電池冷卻與乘員艙制熱需求。（一）高溫快充

核心挑戰(zhàn)場景熱負荷劇增潛在風險系統(tǒng)優(yōu)先級熱負荷與冷卻能力的矛盾夏季、長時間高速行駛。電機、電池持續(xù)高功率運行，產(chǎn)生大量廢熱。電機永磁體退磁，性能下降。威脅三電系統(tǒng)（電池、電機、電控）

的安全性與可靠性。當冷卻能力不足時，優(yōu)先滿足三電系統(tǒng)冷卻需求，必要時犧牲乘員艙舒適性。（二）高溫高速6.2特殊工況-高溫工況（二）高溫高速系統(tǒng)根據(jù)乘員艙需求，為電機冷卻智能選擇最高效的路徑：模式一：獨立散熱模式觸發(fā)條件：電機需冷卻，且乘員艙無制熱需求或熱泵無法工作。執(zhí)行策略：調(diào)節(jié)電磁三通閥，使電機冷卻液流經(jīng)低溫散熱器。效果：對電機回路降溫。散熱器冷卻模式6.2特殊工況-高溫工況（二）高溫高速模式二：廢熱回收模式觸發(fā)條件：電機需冷卻，且乘員艙有制熱需求（熱泵工作）。執(zhí)行策略：調(diào)節(jié)電磁三通閥，冷卻液流經(jīng)電機回路換熱器。效果：將電機廢熱傳遞給熱泵系統(tǒng)，用于加熱乘員艙，實現(xiàn)能量高效回收利用。熱泵制熱模式6.2特殊工況溫度平衡模式模式溫度平衡模式觸發(fā)條件與目標電無冷/熱需求，但電芯間溫差過大。系統(tǒng)執(zhí)行策略水泵開啟，旁通散熱器，內(nèi)部循環(huán)以使溫度均勻6.2特殊工況低溫冷卻模式模式低溫冷卻模式觸發(fā)條件與目標需冷卻，且環(huán)境溫度<電池溫度。系統(tǒng)執(zhí)行策略冷卻液引入低溫散熱器，利用環(huán)境空氣散熱。6.2特殊工況-復(fù)合工況1.空調(diào)制熱+電池制冷適用場景：冬季持續(xù)行駛快速充電空調(diào)制熱+電池制冷6.2特殊工況-復(fù)合工況2.空調(diào)制冷+電池制熱適用場景：實際中幾乎沒有使用機會。進入電池制熱模式的條件是電池溫度低于6℃，在這樣的環(huán)境中一般不需要使用空調(diào)制冷?？照{(diào)制冷+電池制熱6.2特殊工況-復(fù)合工況3.空調(diào)制冷+電池制冷用于電池制熱板式換熱器以及空調(diào)制熱的切換閥關(guān)閉。適用場景：高溫夏季空調(diào)制冷+電池制冷6.2特殊工況-復(fù)合工況4.空調(diào)制熱+電池制熱用于冷凝器和電池制冷的切換閥和制冷用膨脹閥關(guān)閉。適用場景：冬季低溫冷啟動空調(diào)制熱+電池制熱6.3集成熱管理系統(tǒng)控制策略傳統(tǒng)熱管理vs整車集成熱管理：集成熱管理需綜合散熱、加熱、保溫等措施，維持零部件適宜溫度。場景復(fù)雜→熱管理模式多、架構(gòu)變化大→需模式切換控制策略滿足實際需求。Tcab>Tcab_h→乘員艙獨立制冷模式Tab<Tcab_l-乘員艙制熱模式再結(jié)合電機出口冷卻液溫度Tmot_cTmot_c<Trwh_l→乘員艙獨立制熱Tmot_c>Trwh_l→電機余熱回收制熱6.3集成熱管理系統(tǒng)控制策略Tbat>Tbat_h→電池獨立制冷模式Tbat<Tbat_l→電池獨立制熱模式Tmot_c>Tmot_set→電機獨立冷卻模式6.3集成熱管理系統(tǒng)控制策略系統(tǒng)部件控制策略-壓縮機轉(zhuǎn)速控制電動壓縮機（PWM控制轉(zhuǎn)速，動態(tài)匹配負荷）。作用：直接決定熱管理系統(tǒng)的制冷/制熱能力。開關(guān)控制：制冷模式：實際溫度>目標溫度→壓縮機最高速運行；反之停止。制熱模式：實際溫度<目標溫度→壓縮機最高速運行；反之停止。核心：滯回比較器→避免溫度小幅波動導致壓縮機頻繁啟停。PID控制：輸入：目標溫度與實際溫度的差值；輸出：連續(xù)調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速，使溫度穩(wěn)定在目標值附近。6.3集成熱管理系統(tǒng)控制策略四類保護機制（保障壓縮機異常時安全停機）：LIN/CAN通信保護：通信錯誤超時→停機，恢復(fù)后重啟；過溫保護：IGBT溫度過高→停機，溫度恢復(fù)后重啟；過電流保護：輸入電流超限→停機，避免IGBT損壞；過電壓保護：高/低電壓超限→停機，保護電器部件。電子膨脹閥優(yōu)勢：先進節(jié)流元件，響應(yīng)極快（全閉→全開僅需幾秒）；可控性強，可精準調(diào)節(jié)制冷劑流量，提升蒸發(fā)器換熱效率與系統(tǒng)穩(wěn)定性。目標過熱度→與實際過熱度求差→控制算法（PID/PI）→電子膨脹閥→蒸發(fā)器→反饋實際過熱度。6.3集成熱管理系統(tǒng)控制策略電子膨脹閥開度控制壓力溫度式采集蒸發(fā)器出口壓力P1和溫度T1，過熱度=T1-TP1(TP1為P1對應(yīng)的制冷劑飽和溫度)雙溫度式采集蒸發(fā)器進出口溫度T1、T2，過熱度≈T1-T2(近似值，存在流阻誤差)6.3集成熱管理系統(tǒng)控制策略電子水泵特點：替代傳統(tǒng)機械水泵，控溫精度高，支持

PWM控制