电动汽车集成热管理系统评估方法及实验验证

电动汽车传统分布式热管理系统存在能耗高、余热无法回收等问题，严重影响续航。同时，现有研究缺乏针对集成热管理系统的综合评估方法，难以适配复杂多变的环境与驾驶工况。

为此，本研究搭建了热管理系统评估框架，系统整合出 27 种可行的系统工作模式，提出一种新的集成热管理系统评估方法，并设计了一种带余热回收功能的集成热管理系统，通过实验验证其制冷、制热及除霜性能。实验表明，配备该余热回收功能的系统在不同工况下可使续航里程提升13%-15%。

图1. 电动汽车热管理部件及系统开发流程

电动汽车集成热管理系统主要包含动力电池、电机及电控系统三大模块，通过各部件协同工作，实现座舱与部件的冷热控制，保障乘员舒适性的同时维持各部件温度在最佳工作温度范围内，如图1(a)所示。

系统开发遵循V型流程，从车辆设计目标与需求出发，结合车内空间约束确定系统架构，完成组件设计与建模后，通过仿真验证可行性，需要模拟的组件包括加热、通风和空调模块、热交换器、压缩机和膨胀阀。最终经部件测试与整车验证得到适配目标车辆的热管理系统，如图1(b)所示。

图2.电动汽车的驾驶条件与系统功能要求

根据环境温度分布，将驾驶工况划分为超高温、高温、中高温、中低温、低温、超低温六种典型工况，并结合车辆启动、行驶、快慢充等状态，进一步细化为六种运行工况，如图2(a)所示。

图2(b)展示了热管理系统中四个温度控制环节在不同工况下的目标温度范围，例如，夏季座舱目标温度为20-24°C，冬季为18-22°C。系统根据实际温度与设定目标的差异，切换制冷或供暖模式。具体工作模式见图2(c)。

图3.电动汽车系统工作模式

图3(a)为目标电动汽车热管理系统的示意图，其中呈现了10种不同的系统工作模式，其中废热回收模式（RWH）是目标热管理系统中最为关键的运行模式。它通过循环冷却电机与控制器系统进行废热回收，并将热量用于座舱加热。随后根据每个温控系统选择的工作模式，将整个电动汽车系统的27种不同工作模式进行整合，为评估系统对不同驾驶条件的适应能力提供了依据，如图3(b)所示。图3(c)展示了基于以上模式在不同条件下的热管理评估。图3(d)概述了热管理系统的冷却回路在37℃下的运行情况，它与系统模式2相匹配。当温度达到−8℃时，有10种系统模式可调节温度。模式9可同时利用热泵与PTC分别为座舱和电池加热，如图3(e)所示。

图4.热管理系统三种不同工作模式的对比

为确保电动汽车各部件处于适宜工作温度，不同车型均配备专属热管理系统。选取特斯拉Model Y、上汽荣威Ei5及自主研发的电动汽车热管理系统进行对比研究，图4(a)、(b)、(c)为这三款系统的结构示意图。通过热管理系统评估，结果显示三者分别可实现12种、3种和21种工作模式，如图4(d)。系统运行需兼顾安全、舒适与成本，在不同环境温度下选择对应模式，例如35-65℃时采用模式2，-15-0℃时可选用模式4、5等多种模式。综合来看，具备多模式适应能力的热管理系统能够在满足部件温度需求的同时，通过结构简化与模式优化实现高效、低成本运行。

目标热管理系统通过划分能量流，确保四个核心部件在适宜条件下工作。分析表明空调系统负责车厢制冷制热，动力电池、电机及控制器在运行时产生热量，由冷水机组及低温水箱的水循环进行热交换，PTC则专用于冬季车厢电辅热。通过系统模拟可再现各部件的能量分布。表1所示为40 km/h车速下不同温度条件的能量分布情况。

表1.能量分布

系统根据环境温度自动调节座舱温度，高于24℃时制冷，低于24℃时加热（表1中H和C分别代表加热和冷却）。ACHP系统性能受温度影响显著，可在不同温区间提供最大能量输出。电池、电机及控制器产生的热量相对稳定，温度变化对其影响较小。电池在正常运行时的散热需求约为3kW，快充时增至5kW。低温环境中，电池自身产热已可维持运行。PTC加热器最大功率为3kW，仅在空调系统无法满足座舱供暖需求时启用。

风机、冷凝器风扇及水泵1、2的能耗相对较低。系统的主要耗能部件包括座舱、电池、电机及电控器。通过模拟系统各部件的能耗，本研究根据热管理系统评估模式，梳理了27种不同工作模式下的能量交换情况。不同工作模式下的能耗如表2所示。

表2.不同工作模式下的最大能耗需求

针对电动汽车热管理系统性能指标，需进行集成热管理系统测试，从实验角度验证自主设计系统的性能。在制冷和制热工况下测试了系统性能系数(COP，定义为系统制冷量或制热量与压缩机功率的比值)，同时在除霜工况下测试了系统性能。所用实验工况如表3所示。

表3.实验工况

图5所示为实验过程中目标车辆内各个传感器点的分布情况以及目标车辆的真实车辆热管理系统的分布，包括换热器、PTC单元、水箱、膨胀阀、水泵等部件。

图5.实验系统部件

通过在试验台上进行上述工况的实验验证，对目标电动汽车的蒸汽压缩热泵系统在不同工况下的性能进行评估，确定其是否符合VTS标准。

图6.制冷工况下的性能参数

图6所示为制冷工况下各性能参数随时间的变化曲线。系统吸气温度和压力在达到稳定前会先下降，而排气温度和压力则呈现相反趋势，舱内各测点温度先快速下降后逐渐缓和并趋于稳定，如图6(b)。系统制冷量在小范围内波动，COP在稳定前略有下降，最终稳定在3.32左右，如图6(c)所示。如图6(d)所示为制冷工况下的压力-温度关系图。

实验结果表明整个制冷过程主要在前10分钟内完成。10分钟后，出风口温度可降至15℃以下。20分钟后，驾驶员或前排乘客位置的头部温度低于28℃，并在此后略有下降。30分钟后，温度稳定在25℃以下，符合VTS标准要求。实验验证了目标车辆的制冷功能满足性能要求。

图7.制热工况下的性能参数

图7所示为制热工况下各性能参数随时间的变化曲线。系统排气温度与压力先迅速上升后趋于平稳，吸气参数则呈现相反变化趋势，如图7(a)。舱内出风温度随系统运行同步上升，如图7(b)所示。室外环境温度为-8℃时，系统制热量与性能系数随温度降低而下降，如图7(c)。实验显示，运行40分钟后舱内温度显著上升并趋于稳定，驾驶员脚部温度达到18℃，满足VTS标准要求。

图8.除霜工况下的除霜过程

图8所示为环境温度为-18℃的除霜工况下，座舱温度随时间变化曲线。座舱出风口持续送出暖风，车内温度逐步上升。挡风玻璃的结霜面积随时间逐渐减小。实验初期结霜层完全覆盖挡风玻璃，4分钟后开始局部消融，10分钟后仅余少量霜层，15分钟时霜层完全消除。实验结果表明，该热管理系统除霜性能良好。

在废热回收研究中，电动汽车的续航里程是关键指标。假设车辆以恒定速度行驶且热泵系统持续运行，续航里程可通过电池总容量、放电效率、系统能耗及车辆行驶功率等参数计算得出。

该蒸汽压缩热泵系统的电池功耗可表示为：

基于上述原理，设定车速为100km/h，舱内目标温度为24℃，电动汽车的废热相当于3 kW，计算并比较了不同环境温度下，有无废热回收功能时的续航里程，结果如图9所示。

图9.电动汽车里程

如图9所示，采用余热利用的蒸汽压缩热泵系统在-17℃、0℃和10℃环境温度下的行驶里程降低了32%~37%，而未利用余热的系统则降低了45%~52%。采用余热利用的系统行驶里程比没有余热利用的系统高出13%~15%。因此，环境温度越低，采用余热利用的电动汽车行驶里程提升效果越显著。在低温环境下，余热利用的优势会更加明显。

在不使用余热回收的情况下，电池能量直接用于座舱加热，尤其在低温环境下会显著增加能耗，缩短续航。余热回收系统通过利用电机等部件产生的废热进行供暖，减少了对电池的直接消耗，从而有效提升了续航里程。低温时部件废热更多，电池供暖需求更低，因此系统的节能效果更为明显。因此，余热回收是低温环境下高效且关键的热管理运行模式。

本研究针对某目标车型设计了一套集成式热管理系统，并与特斯拉Model Y和荣威Ei5的热管理系统工作模式进行了对比研究。通过实验研究了该系统的制冷性能、制热性能及除霜性能。此外，还考虑了废热回收系统对电动汽车续航里程的影响。主要贡献与成果如下：

(1)本研究提出了基于 27 种可行工作模式的集成热管理系统评估方法。该方法明确了不同工况下，座舱、动力电池、电机及电控系统的热管理需求。为兼顾舒适性、安全性及经济性，系统以组件最少、成本最低为原则选取最优工作模式。最终，通过热管理系统所能支持的工作模式数量，有效评估其性能与工况适应能力。

(2)设计了适配该评估方法的集成热管理系统，可实现 21 种工作模式，工况适配性远超荣威Ei5与特斯拉Model Y。通过模式切换，系统能满足不同温度下各部件的不同热管理需求，虽然结构复杂度与设备成本较高，但环境适配性优势显著。

(3)对车辆集成热管理系统的制冷、制热和除霜性能表现进行了实验研究。指定时间内，该系统在制冷和制热模式下以及除霜模式下结霜区域的温度均符合 VTS 要求，从而验证了所设计的集成热管理系统满足实际工况的需求。

(4)与不回收余热的系统相比，余热利用蒸汽压缩热泵系统可有效节省电池电量，提高电动汽车的行驶里程。在−17℃、0℃和10℃的工作温度下，利用余热的热泵系统的行驶里程减少了32%~37%，而没有回收余热的热泵系统的行驶里程减少了45%~52%，且环境温度越低，这一差异越显著。

https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.116571（点击下方“阅读原文”可跳转此链接）

整理：王浩然

排版：刘可

审核：李康