新能源汽车热管理（三）趋势及案例

承接（二）

三、新能源汽车热管理发展趋势

在汽车轻量化、集成化发展的趋势之下，整车热管理与整车的EEA、软硬件等发展方式具有类似的进化方向，都将从结构简单、零件众多、体积较大、技术难度低的分布式到复杂度高、零件少、体积小、技术要求高的一体化演变。在上章节的介绍中，我们知道对于传统燃油车而言，其热管理系统主要有两大部分，而新能源汽车的热管理则有三大区域，在分布式的整车热管理系统中，由于各系统各自为政且功能相互独立，这对于汽车的整体能量管理、成本管理等都方面存在较大的资源浪费。

为了实现能量/资源的整合，新一代的一体化热管理系统应势而生，该系统将采用更高效的热泵空调代替PTC作为主要热源，同时可根据各零部件的温控需求，主动控制电子压缩机、加热器、阀体等开启或关闭，通过改变循环回路达到减少能量浪费的目的，另外还可利用电机余热的回收或电机发热等方式作为补充热源来拓展工作温域，而作为附件的冷却管路、控制阀、水泵等零部件使用结构更紧凑的集成式，可减少对车内空间的使用。如下图比亚迪e3.0平台的热管理方案中，便将多阀门集成为一个‘阀岛’以较少空间的使用。

图18 比亚迪E 3.0热管理‘阀岛’集成

由于原本分布式朝着集成式演变，因此在系统软件的控制逻辑方面，原本分散在各控制单元中的软件将被集成到中央计算单元或域控之中，并作为软件的子模块发挥作用，通过统一的软件架构让系统软件具备更高的统一性与安全性。不过，这对于开发方而言，整体的开发能力、开发流程等方面都会迎来新的挑战。在集成式的热管理系统中，如何通过系统中的各温度传感器采集的参数对阀体等进行合理的控制，进而改变系统能量回路，以实现按比例对各子系统进行精准的能量分配是应用软件开发的关键与难点。

图19 集成式热管理与分布式热管理

四、热管理系统迭代与部分车型热管理状态

在新能源汽车发展的初期，其整车架构参考传统燃油车而来，其功能基本也是由燃油车直接转移至新能源汽车之上，因此处于此阶段的新能源汽车在动力、驱动等方面皆具备能量利用效率低的特点，其对于系统的冷却主要还是采用价格低、易维护的风冷为主，而在制热方面则是通过传统PTC的方式进行。随着新能源汽车的发展，整车热管理系统发展至今已经过5次迭代，主要还是以新能源汽车的领头羊特斯拉为主。

第一代整车热管理系统：2008年搭载于特斯拉跑车Roadster中，整套热管理系统共具备四个子回路，分别是空调系统、电机制冷、电池温控以及HVAC（乘员舱）温控，4个回路之间相互独立。由于空调系统是独立的一个回路，因此其为座舱的制冷并非直接完成，而是通过热量传输的方式进行间接的制冷，其结构如下图：

图20 第一代整车热管理

第二代整车热管理系统：空调系统间接的制冷方式对于能量的利用率是及其低下的，同时对于电能的损耗又是巨大的，因此在第二代热管理系统中，将空调与HVAC回路集成，同时通过四通阀的应用，可将电机回路和电池回路形成串联，在低温环境中可利用电机的余热为电池进行辅热。该系统于2012年被应用在Model S/X车型之中，其结构如下图：

图21 第二代整车热管理

第三代整车热管理系统：自第二代技术以来，整车热管理按照区域划分以形成定式，在此阶段热管理同样分为动力、驱动控制以及座舱空调三部分。但与第二代技术相比，其在集成度方面更近了一步，首先是将水泵、Chiller、三通阀、四通阀等零件集成为一个整体，又在电池回路中取消了原本的水暖PTC，并将ADAS等控制单元整合进冷却回路，对于电机的冷却则通过油冷技术取代水冷，以提高热管理的效率。而当在低温环境下对电池有加热需求时，以主动降低电机效率的方式控制电机堵转，将电机产生的热量通过热管理回路送至电池端为其快速加热。该技术在2017年时被应用于Model 3(图片|配置|询价)车型中。

第四代整车热管理系统：2020年，特斯拉在其Model Y车型上采用“八通阀”的高集成热管理方案，将座舱、电机、电控、动力电池等全部具有热管理需求的部件全部集成，系统通过对八通阀、电磁阀等零件的控制，可将电机电控产生的热量用于动力电池的加热，同时通过回路控制，可间接的将热量传递给座舱，实现了电机、电控、座舱、动力电池之间的热量利用。

在该系统中，取消了原本的PTC空调代之以热泵技术，为系统降低能耗的同时提升了整车续航。另外，该高度集成的热管理还可实现电机电控系统、液冷冷凝器、低温散热器的串联，使电机电控回路和冷凝器共用一个散热器。同时动力电池热管理回路也可以与Chiller（电池冷却器）回路串联，实现为动力电池降温，而动力电池产生的热量也可以间接被热泵利用，用以加热座舱。通过回路的控制，动力电池热管理回路还可以与液冷冷凝器回路进行串联，通过液冷冷凝器的热泵功能加热电池系统。其结构如下图：

图22 第四代整车热管理

第五代整车热管理系统：目前尚未被应用。与前一代的主要区别在于空调热泵将采用二氧化碳热泵技术，同时对于座舱的温控不再局限于简单的升温与降温，而是通过多技术融合的方式在座舱空间中形成智能‘微气候’，以提升用车人员的体验。对于电池的冷却采用直冷方式，通过更加精准的整车热量管理实现能量的合理分配。

在国内汽车行业竞争激烈的当下，主机厂们对于相关的技术应用亦有推陈出新，如在小鹏P7的热管理系统中，其通过一个四通阀来实现电机电控热管理回路和动力电池热管理回路的连通。如下图架构所示，当动力电池无需加热需求时，电机电控热管理回路通过电机散热器总成将热量散出，当动力电池有加热需求时，通过控制电子四通阀将电机电控热管理回路中的冷却液循环至动力电池回路中，以此将电机回路中产生的热量带至电池包以供其加热。虽然此架构下的热管理在集成度方面还尚显不足，但相比于传统的方式已进了一步，通过子系统之间热量的利用来提高整车的热管理效率，进一步提升整车的续航，这对于新能源汽车而言是必要的。

图23 小鹏P7整车“四通阀”热管理

作为国内新势力之一的理想汽车是增程混动的代表，这类车型除了需要对纯电车型中涉及到的电池、座舱、驱动进行热管理外，对于增程器总成及控制系统同样要采取有效的热管理手段。其中增程器总成中的发动机采用传统发动机的制冷方式，发电机散热系统则与驱动电机并联。子系统之间通过精准控制多向流量阀（三通阀）的开/闭，以实现增程器总成、动力电池、座舱空调和驱动系统间的热量精确传递和利用，实现能量的高效管理，其结构如下：

图24 理想汽车“三通阀”热管理

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