熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)汽車(chē)河南科技大學(xué)車(chē)輛與交通工程學(xué)院NewEnergyVehicles新能源整車(chē)熱管理系統(tǒng)概述第五章核心內(nèi)容：系統(tǒng)有何區(qū)別與傳統(tǒng)燃油車(chē)不同熱管理部件的溫控需求各自獨(dú)立架構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)工作集成架構(gòu)的設(shè)計(jì)原則及方案學(xué)習(xí)目標(biāo)：掌握系統(tǒng)組成、需求及架構(gòu)，明確各部件控溫要求與技術(shù)方案。建立系統(tǒng)思維，關(guān)注綠色高效趨勢(shì)，培養(yǎng)工程實(shí)踐意識(shí)。5.1.1傳統(tǒng)燃油汽車(chē)與新能源汽車(chē)熱管理系統(tǒng)對(duì)比

傳統(tǒng)燃油汽車(chē)熱管理包括對(duì)空調(diào)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)系統(tǒng)的熱管理。新能源汽車(chē)包含混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē),一般來(lái)說(shuō)，完整的純電動(dòng)汽車(chē)熱管理系統(tǒng)應(yīng)綜合集成包括車(chē)內(nèi)環(huán)境熱管理、動(dòng)力電池?zé)峁芾砗万?qū)動(dòng)電機(jī)熱管理在內(nèi)的三大熱管理系統(tǒng);混合動(dòng)力汽車(chē)的熱管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)更為復(fù)雜,不僅要對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行熱管理,還要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱管理。5.1.1傳統(tǒng)燃油汽車(chē)與新能源汽車(chē)熱管理系統(tǒng)對(duì)比

5.1.1新能源汽車(chē)熱管理系統(tǒng)核心變革

核心部件替代：以“三電系統(tǒng)”（電池、電機(jī)、電控）替代傳統(tǒng)燃油汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器。新增關(guān)鍵部件：電池冷卻板、電池冷卻器、PTC加熱器、電動(dòng)壓縮機(jī)5.1.1三電系統(tǒng)組成

電池部分電機(jī)部分電控部分5.1.2熱管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)-熱管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)（一）

空調(diào)系統(tǒng)：能耗占比高（15%-30%），制熱依賴(lài)

PTC加熱器或熱泵系統(tǒng)，熱泵系統(tǒng)成發(fā)展方向電池系統(tǒng)：對(duì)溫度敏感（最佳25-40℃），液冷技術(shù)成主流，2023年插混車(chē)型液冷方案采用率超80%電機(jī)冷卻：從傳統(tǒng)水冷向油冷、混合冷卻發(fā)展，油冷可與減速器油冷集成電控冷卻：高功率電子部件依賴(lài)液冷，低功率部件需低成本風(fēng)冷方案5.1.2熱管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)-單冷空調(diào)與PTC電加熱系統(tǒng)

系統(tǒng)組成：?jiǎn)卫淇照{(diào)（壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器）+PTC加熱器（風(fēng)暖、液暖）優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可移植性強(qiáng)，但PTC加熱效率低（<1），冬季續(xù)駛里程衰減嚴(yán)重（配圖展示冬季續(xù)駛里程對(duì)比數(shù)據(jù)圖表）5.1.2熱管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)-新能源汽車(chē)熱管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案的發(fā)展

熱泵系統(tǒng)形式：四通換向閥系統(tǒng)（商用車(chē)為主）、三通閥+三換熱器系統(tǒng)（乘用車(chē)為主）熱泵系統(tǒng)分類(lèi)：直接式熱泵（艙內(nèi)換熱器直接換熱）、間接式熱泵、中間補(bǔ)氣熱泵（低溫性能好）、余熱回收熱泵（回收電池/電機(jī)余熱）5.1.2新能源汽車(chē)熱管理技術(shù)核心發(fā)展方向

綠色高效化：環(huán)保工質(zhì)替代（CO?、R290、R1234yf）、熱泵技術(shù)優(yōu)化、系統(tǒng)集成化功能一體化：兼顧安全、動(dòng)力、續(xù)駛、舒適、耐久目標(biāo)，子系統(tǒng)協(xié)同控制結(jié)構(gòu)模塊化：零部件集成（儲(chǔ)液器+回?zé)帷Q熱器+閥件）、功能性模塊（前端模塊、空調(diào)箱模塊）控制智能化：模型預(yù)測(cè)控制、實(shí)時(shí)路況融合、用戶需求個(gè)性化功能一體化結(jié)構(gòu)模塊化控制智能化5.2熱管理系統(tǒng)基本功能需求

序號(hào)功能功能描述1電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冷卻冷卻電機(jī)、電控，防止過(guò)熱2電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)余熱利用回收電機(jī)、電控余熱用于采暖或電池預(yù)熱3電池冷卻高溫下降低電池溫度，維持25-40℃4電池加熱低溫下提升電池溫度，保證充放電性能5電池余熱利用回收電池余熱用于采暖6乘員艙冷卻夏季降低艙內(nèi)溫度，維持24-28℃7乘員艙加熱冬季提升艙內(nèi)溫度，維持18-20℃8除霜/除霧清除風(fēng)窗玻璃霜霧，保證視野9室外換熱器化霜清除換熱器霜層，保證換熱效率5.2整車(chē)設(shè)計(jì)考核工況與指標(biāo)

考核類(lèi)別具體工況考核指標(biāo)系統(tǒng)熱安全低溫快充、低溫行駛、高溫爬坡、低溫爬坡、低溫高速行駛快充時(shí)間增加率、續(xù)駛里程衰減率、三電系統(tǒng)溫度限制熱舒適性乘員艙采暖、除霜/除霧、除濕、室外換熱器化霜、高溫快充+乘員艙制冷艙內(nèi)溫度達(dá)標(biāo)時(shí)間、除霜/除霧速率、除濕效果、化霜速率、電池與乘員艙溫度穩(wěn)定性全氣候用戶使用便利性（以CLTC為主）各類(lèi)氣候（極寒、高溫、常溫）下的行駛、充電車(chē)輛啟動(dòng)成功率、充電效率、續(xù)駛里程穩(wěn)定性5.2.1乘員艙熱管理需求

核心需求：溫度調(diào)節(jié)、濕度控制、除霜除霧、空氣質(zhì)量保障5.2.2電池?zé)峁芾硇枨?/p>

溫度對(duì)電池的影響：高溫（>40℃）縮短壽命、低溫（<0℃）容量衰減、溫差（>5℃）影響一致性（配圖展示溫度對(duì)電池容量、壽命的影響曲線）電池工作溫度范圍：最佳25-40℃，極限-20-60℃（配圖展示電池溫度-性能關(guān)系圖）電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)功能：溫度監(jiān)測(cè)、高溫散熱、低溫加熱、均溫控制、有害氣體通風(fēng)（配圖展示電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)功能模塊）5.2.2電池?zé)峁芾硇枨?/p>

電池溫度-性能關(guān)系溫度對(duì)電池容量、壽命的影響曲線5.2.3驅(qū)動(dòng)電機(jī)熱管理需求

電機(jī)產(chǎn)熱來(lái)源：線圈電阻發(fā)熱、機(jī)械摩擦、電路器件功耗電機(jī)冷卻方式：風(fēng)冷（低功率）、液冷（水冷、油冷，高功率）5.2.4車(chē)輛其他熱管理需求

電控系統(tǒng)：車(chē)載充電機(jī)（OBC）、DC-DC變換器、高壓配電箱，需散熱

散熱需求數(shù)據(jù)：OBC效率90-95%，發(fā)熱量5-10%；DC-DC功率1-3kW，效率90-95%，發(fā)熱量5-10%5.3.1獨(dú)立熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——乘員艙熱管理

熱泵系統(tǒng)核心組件組成：艙內(nèi)換熱器（HVAC）、四通換向閥、電子膨脹閥、氣液分離器、壓縮機(jī)、艙外換熱器。架構(gòu)類(lèi)型組成特點(diǎn)優(yōu)缺點(diǎn)適用場(chǎng)景三換熱器構(gòu)型含3個(gè)換熱器（艙內(nèi)冷凝器、蒸發(fā)器+艙外換熱器），通過(guò)截止閥控流閥件控制簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、除霜不影響艙內(nèi)溫度乘用車(chē)四通換向閥構(gòu)型含2個(gè)換熱器，通過(guò)四通換向閥切換功能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但振動(dòng)敏感、除霜致艙內(nèi)降溫對(duì)成本敏感的車(chē)型5.3.1獨(dú)立熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——乘員艙熱管理

5.3.1獨(dú)立熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——乘員艙熱管理

燃料電池電動(dòng)汽車(chē)：利用燃料電池余熱（發(fā)電效率40-60%，余熱40-60%）加熱冷卻液，通過(guò)暖風(fēng)芯體采暖?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)：發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)用發(fā)動(dòng)機(jī)余熱采暖，純電模式用電動(dòng)壓縮機(jī)制冷、熱泵/電加熱采暖5.3.1獨(dú)立熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——電池?zé)峁芾?/p>

冷卻方式工作原理優(yōu)缺點(diǎn)適用場(chǎng)景空氣冷卻風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)空氣流經(jīng)電池組，帶走熱量成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；散熱能力弱、無(wú)法預(yù)熱早期低能量密度電池液體冷卻冷卻液（水-乙二醇、油）循環(huán)，通過(guò)冷板/管道換熱換熱效率高、溫度均勻；結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高中高能量密度電池（主流）相變材料（PCM）冷卻PCM相變吸熱，維持電池溫度被動(dòng)控溫、均溫性好；導(dǎo)熱系數(shù)低、散熱慢輔助冷卻或保溫混合冷卻液冷+PCM、熱電制冷+PCM等組合兼顧多種方式優(yōu)勢(shì)；系統(tǒng)復(fù)雜高熱負(fù)荷、高均溫要求場(chǎng)景5.3.1獨(dú)立熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——電池?zé)峁芾?/p>

5.3.1獨(dú)立熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——驅(qū)動(dòng)電機(jī)熱管理

冷卻方式工作原理優(yōu)缺點(diǎn)適用場(chǎng)景風(fēng)冷自然/強(qiáng)制空氣流經(jīng)電機(jī)外殼/內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；散熱能力弱低功率電機(jī)（輔助電機(jī)）液冷-水冷冷卻液流經(jīng)電機(jī)外殼水套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本適中；換熱效率中等中功率電機(jī)液冷-油冷冷卻油直接噴淋繞組/浸泡電機(jī)換熱效率高、可集成潤(rùn)滑；成本高、密封要求高高功率/高轉(zhuǎn)速電機(jī)（主流）5.3.1獨(dú)立熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——驅(qū)動(dòng)電機(jī)熱管理

風(fēng)冷液冷油冷5.4集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——能量關(guān)系與設(shè)計(jì)原則

汽車(chē)熱管理是從系統(tǒng)和整車(chē)的角度出發(fā)，統(tǒng)籌調(diào)控整車(chē)熱量與環(huán)境熱量，保持各部件工作在最佳溫度范圍；新能源汽車(chē)熱管理系統(tǒng)有乘員艙、電機(jī)電控、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。核心部件溫度控制范圍低溫工況（溫度低于控制范圍）高溫工況（溫度高于控制范圍）乘員艙18~28℃熱泵空調(diào)制熱、PTC電加熱、余熱利用熱泵空調(diào)制冷、風(fēng)窗除霧（新回風(fēng)比例調(diào)節(jié)）動(dòng)力電池25~40℃電加熱、熱泵加熱、電池自加熱熱泵系統(tǒng)制冷、向環(huán)境直接散熱電機(jī)與電控60~120℃余熱回收（供整車(chē)熱管理）向環(huán)境散熱、余熱回收（優(yōu)先）5.4集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)原則

綜合考慮整車(chē)熱量管理需求：覆蓋三電、乘員艙、其他部件模塊化設(shè)計(jì)：功能模塊獨(dú)立（前端模塊、空調(diào)箱模塊）、靈活組合多源能量管理：統(tǒng)籌電能、余熱、環(huán)境能，提高利用率智能控制策略：傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、算法精準(zhǔn)控溫（PID、模型預(yù)測(cè)）輕量化設(shè)計(jì)：采用輕量化材料（鋁合金、塑料）、優(yōu)化結(jié)構(gòu)（配圖展示輕量化部件對(duì)比圖）5.4集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——工作方案（一）

核心邏輯：新能源汽車(chē)乘員艙制冷/制熱能量源于動(dòng)力電池，需解決純電動(dòng)汽車(chē)“余熱不足”問(wèn)題（區(qū)別于傳統(tǒng)燃油車(chē)）供熱方式分類(lèi)：?jiǎn)卫淇照{(diào)加PTC電加熱系統(tǒng)、蒸汽壓縮式熱泵系統(tǒng)、噴射補(bǔ)氣式熱泵系統(tǒng)、余熱回收式熱泵系統(tǒng)5.4集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——單冷空調(diào)方案與間接式熱泵

單冷空調(diào)方案：組成：?jiǎn)卫淇照{(diào)（壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器，電動(dòng)壓縮機(jī)由動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)）+加熱裝置（PTC電加熱、燃燒加熱）PTC電加熱優(yōu)勢(shì)：無(wú)明火、升溫快、自控恒溫、安全性高（應(yīng)用最廣）燃燒加熱應(yīng)用：從傳統(tǒng)燃油車(chē)拓展至純電動(dòng)汽車(chē)，分水路/油路/空氣三路循環(huán)5.4集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——單冷空調(diào)方案

間接式熱泵方案：核心結(jié)構(gòu)：板式換熱器（制熱工況冷凝器）+二次回路（冷卻液循環(huán)）+暖風(fēng)芯體工作流程：壓縮機(jī)高壓高溫制冷劑→板式換熱器換熱→高溫冷卻液→暖風(fēng)芯體→加熱艙內(nèi)空氣優(yōu)勢(shì)：降低空調(diào)箱設(shè)計(jì)成本（沿用傳統(tǒng)空調(diào)箱）、減少高壓電風(fēng)險(xiǎn)；不足：二次換熱有熱損失、壓縮機(jī)冷凝壓力高（易超壓）5.4集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——直接式熱泵方案

直接式熱泵方案：核心結(jié)構(gòu)：艙內(nèi)換熱器（冷凝器，替代傳統(tǒng)暖風(fēng)芯體）優(yōu)勢(shì)：系統(tǒng)壓力靈活可調(diào)（受風(fēng)溫、轉(zhuǎn)速、膨脹閥開(kāi)度影響）；不足：空調(diào)箱需適配高壓電（防冷凝水漏電）、電池預(yù)熱需額外布置5.4集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——余熱回收式熱泵方案

余熱回收式熱泵方案：余熱來(lái)源：動(dòng)力電池、電機(jī)、電控、車(chē)室排風(fēng)常見(jiàn)類(lèi)型：并聯(lián)式：余熱回收換熱器與艙外換熱器并聯(lián)，雙膨脹閥調(diào)節(jié)。串聯(lián)式：余熱換熱器串聯(lián)入氣液分離器前，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但阻力大。噴射補(bǔ)氣式：補(bǔ)氣支路增設(shè)余熱換熱器，余熱利用率高，性能提升10%~15%。5.4集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——余熱回收式熱泵方案

并聯(lián)式余熱回收串聯(lián)式余熱回收噴射補(bǔ)氣式余熱回收5.4集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——不同車(chē)型專(zhuān)用方案

純電動(dòng)汽車(chē)：車(chē)室空調(diào)與電池溫控并聯(lián)式（電加熱）車(chē)室空調(diào)與電池溫控并聯(lián)式（相變材料）5.4集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——不同車(chē)型專(zhuān)用方案

純電動(dòng)汽車(chē)：車(chē)室空調(diào)與電池冷卻、電機(jī)余熱回收結(jié)合一體式熱管理系統(tǒng)5.4集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——不同車(chē)型專(zhuān)用方案

混合動(dòng)力汽車(chē)：車(chē)室空調(diào)與電池冷卻、電機(jī)余熱回收結(jié)合一體式熱管理系統(tǒng)5.4集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——不同車(chē)型專(zhuān)用方案

燃料電池電動(dòng)汽車(chē)：車(chē)室空調(diào)與電池冷卻、電機(jī)余熱回收結(jié)合一體式熱管理系統(tǒng)5.4集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——不同車(chē)型專(zhuān)用方案

燃料電池電動(dòng)汽車(chē)：燃料電池電動(dòng)汽車(chē)一體化熱管理系統(tǒng)圖5.4集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——環(huán)保工質(zhì)應(yīng)用的系統(tǒng)方案

環(huán)保工質(zhì)選擇核心要求：核心指標(biāo)：零臭氧損耗潛值（ODP=0）、低全球變暖潛值（GWP）、無(wú)毒無(wú)害、與現(xiàn)有零部件兼容（潤(rùn)滑油、密封件）、全氣候性能適配行業(yè)背景：傳統(tǒng)制冷劑（如R134a）GWP高，新能源汽車(chē)需替代工質(zhì)（R290、R152a等）5.4集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——環(huán)保工質(zhì)應(yīng)用的系統(tǒng)方案

R290方案：雙側(cè)二次回路系統(tǒng)a）雙側(cè)二次回路基本循環(huán)，制冷劑環(huán)路（封閉箱體，減少充注量）、二次介質(zhì)循環(huán)（乘員艙/電池/電機(jī)熱量調(diào)度）b)中間補(bǔ)氣循環(huán)：配合兩級(jí)膨脹閥+閃發(fā)罐，提升極冷/極熱工況性能5.4集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——環(huán)保工質(zhì)應(yīng)用的系統(tǒng)方案

R290方案：負(fù)載側(cè)單側(cè)二次回路系統(tǒng)負(fù)載側(cè)單側(cè)二次回路系統(tǒng)：空氣換熱艙外散熱器+液冷冷凝器/蒸發(fā)器，集成壓縮機(jī)/換熱器（防泄漏、減充注量）5.4集成熱管理系統(tǒng)架構(gòu)——環(huán)保工質(zhì)應(yīng)用的系統(tǒng)方案

R152a方案：基本特性：1,2-二氟乙烷（CH?FCH?F），ODP=0，GWP低，臨界溫度高于R134a（亞臨界高溫?zé)岜眠m配）應(yīng)用潛力：適用于新能源汽車(chē)高溫?zé)岜脠?chǎng)景，目前處于產(chǎn)業(yè)化驗(yàn)證階段，需進(jìn)一步驗(yàn)證與零部件兼容性R744方案：CO2作為