摘要：隨著電動(dòng)汽車的市場占有率不斷提升，汽車制造商逐步將研發(fā)重點(diǎn)轉(zhuǎn)向動(dòng)力電池和智能化控制方向。由于動(dòng)力電池的化學(xué)特性，溫度對動(dòng)力電池充放電性能與安全性會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此在電動(dòng)汽車開發(fā)中，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計(jì)具有較高的優(yōu)先級(jí)?；诂F(xiàn)存主流電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合特斯拉汽車的八通閥熱泵系統(tǒng)技術(shù)，分析了動(dòng)力電池的工作原理及其熱管理系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)針對動(dòng)力電池在低溫工況下會(huì)出現(xiàn)冷車掉電、續(xù)航里程短、充電功率下降等問題，提出了動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；動(dòng)力電池；熱管理系統(tǒng)；低溫工況

0 前言

由于傳統(tǒng)能源的不可持續(xù)性及對環(huán)境污染的日益加劇，目前各國政府和汽車制造商加快了向新能源汽車方向的轉(zhuǎn)型，重點(diǎn)推進(jìn)以純電驅(qū)動(dòng)方式為主的電動(dòng)汽車發(fā)展［1］。隨著電動(dòng)汽車市場占有率不斷提升，動(dòng)力電池和智能化控制方向正在成為電動(dòng)汽車的技術(shù)發(fā)展趨勢，但也由此產(chǎn)生了因與傳統(tǒng)汽油車結(jié)構(gòu)不同而引發(fā)的電動(dòng)汽車熱管理問題，目前還沒有找到較好的解決方案。與傳統(tǒng)汽油車不同，電動(dòng)汽車無法利用廢熱來為座艙和電池包加熱，所以在電動(dòng)汽車中，所有加熱行為均需要通過加熱源和能量源來完成，因此如何提高車輛剩余能量的利用率成為電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)的主要問題。

電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)通過管理熱量流向調(diào)節(jié)車輛各部分的溫度，主要包括車輛電機(jī)、電池及座艙部分的溫度控制，其中電池系統(tǒng)和座艙需要考慮冷熱雙向調(diào)節(jié)，而電機(jī)系統(tǒng)僅需要考慮散熱問題。

早期的電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)大部分為風(fēng)冷散熱系統(tǒng)，該類熱管理系統(tǒng)將座艙的溫度調(diào)節(jié)作為系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，很少考慮電機(jī)和電池的溫度控制問題，浪費(fèi)了三電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量。隨著電機(jī)和電池功率提升，風(fēng)冷散熱系統(tǒng)已無法滿足車輛的基本熱管理需求，熱管理系統(tǒng)進(jìn)入液冷時(shí)代。液冷系統(tǒng)不僅提高了散熱效率，也增加了電池保溫系統(tǒng)，通過控制閥體，液冷系統(tǒng)不僅可主動(dòng)控制熱量的走向，也充分地利用了車輛內(nèi)部的能量。

電池和座艙的加熱主要分為溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻加熱、電加熱膜加熱和熱泵加熱等3 種加熱方式。電動(dòng)汽車由于動(dòng)力電池的化學(xué)特性，在低溫工況下會(huì)出現(xiàn)冷車掉電、續(xù)航里程短、充電功率下降等問題，為了確保電動(dòng)汽車在各種極端工況下都能達(dá)到合適的工作條件，滿足使用需求，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)需要針對低溫工況進(jìn)行改良和優(yōu)化。

1 主流電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要包括電池的加熱、冷卻，以及均衡電池包內(nèi)部溫度等功能。溫度對于電池的使用壽命、性能和安全性均有重要的影響，所以電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是保障電池系統(tǒng)正常運(yùn)行，甚至是整車安全運(yùn)行的決定性因素。隨著電動(dòng)汽車與三電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)也不斷改變，以滿足不同系統(tǒng)和工況下的溫控需求。對應(yīng)電池冷卻和加熱2 種溫控需求，可將電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)分為電池冷卻和電池加熱2 類，如圖1 所示。

1. 1 電池冷卻方式

按照傳熱介質(zhì)不同，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可分為空氣介質(zhì)熱管理系統(tǒng)、液體介質(zhì)熱管理系統(tǒng)和相變材料熱管理系統(tǒng)3 種，其中空氣介質(zhì)熱管理系統(tǒng)又可分為自然冷卻系統(tǒng)和風(fēng)冷散熱系統(tǒng)2 種［2］。

1. 1. 1 空氣介質(zhì)熱管理系統(tǒng)

早期電動(dòng)汽車大量使用的是自然冷卻的熱管理模式。采用自然冷卻的熱管理模式時(shí)，車輛使用的電池包在每個(gè)模組之間保留5～10 mm 的間距，作為與外界熱交換的通道，但由于自然冷卻方式過于被動(dòng)，且針對不同環(huán)境工況下的應(yīng)變能力較差，故本文不作詳細(xì)討論。另一種空氣介質(zhì)熱管理系統(tǒng)為風(fēng)冷散熱模式，風(fēng)冷散熱的熱管理系統(tǒng)一般可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式2 種。被動(dòng)風(fēng)冷散熱模式完全依靠外部空氣換熱，外部冷空氣通過風(fēng)道導(dǎo)入至車輛電池包周圍，為電池包降溫，通過風(fēng)扇將熱空氣排出。主動(dòng)風(fēng)冷散熱模式則是將外部空氣通過加熱器或蒸發(fā)器，按系統(tǒng)需求進(jìn)行加熱或冷卻，再輸送至電池包進(jìn)行溫控，最后通過風(fēng)扇將廢氣排出車輛。風(fēng)冷散熱的熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

空氣介質(zhì)熱管理系統(tǒng)相較于其他介質(zhì)系統(tǒng)而言，其最大的優(yōu)點(diǎn)是成本低且結(jié)構(gòu)簡單，因此現(xiàn)在仍有不少汽車制造企業(yè)采用基于空氣介質(zhì)熱管理系統(tǒng)來設(shè)計(jì)車輛的熱管理方案。但與其他熱管理系統(tǒng)相比，空氣介質(zhì)熱管理系統(tǒng)的均溫性較差，冷卻速度與冷卻性能更差。

1. 1. 2 液體介質(zhì)熱管理系統(tǒng)

液體介質(zhì)熱管理系統(tǒng)是通過液體的對流換熱，消除電池及電驅(qū)系統(tǒng)工作中產(chǎn)生的熱量，該系統(tǒng)降溫效率高、速度快且均溫性好，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

液冷散熱的布局形式較靈活，目前主流的布局形式包括：在電池包周圍布置冷卻板、在電池模塊間設(shè)置冷卻板、在電池模塊間建立蛇行冷卻通道等，實(shí)現(xiàn)冷卻裝置和電池的接觸面積最大化。因此液冷系統(tǒng)可根據(jù)需求進(jìn)行靈活布置，以適應(yīng)不同的整車方案。

液冷系統(tǒng)需要在電池包外部設(shè)置完整的加熱冷卻循環(huán)回路，改變液冷系統(tǒng)中冷卻液的溫度，所以整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)成本較高，且設(shè)計(jì)難度大。但液冷散熱模式具有散熱效率高、方案靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，仍是目前市場上最主流的熱管理系統(tǒng)方案，相關(guān)技術(shù)和方案越來越成熟，有效降低了熱管理系統(tǒng)的制造成本，因此許多汽車制造企業(yè)準(zhǔn)備將空氣介質(zhì)熱管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w介質(zhì)熱管理系統(tǒng)。

1. 1. 3 相變材料熱管理系統(tǒng)

相變材料熱管理系統(tǒng)通過R134a 制冷劑和相變復(fù)合材料（PCC）制冷劑的相變過程帶走系統(tǒng)中的熱量，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

相變材料熱管理系統(tǒng)具有上述幾種熱管理系統(tǒng)中最佳的冷卻速度和效率。但制冷劑的相變溫度需要與電池的最佳工作溫度區(qū)間匹配，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度較大，且因?yàn)槠渲荒苤评?、不能加熱、可維護(hù)性低等缺點(diǎn)，目前的實(shí)際應(yīng)用較少。

綜上所述，3 種電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)及冷卻原理均不相同，相應(yīng)的特點(diǎn)、優(yōu)劣勢及適合的使用場景也有所不同。3 種電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻方式對比情況見表1。

1. 2 電池加熱方式

電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)的工作目標(biāo)是保證車輛的電池和電控系統(tǒng)處于適合的工作溫度區(qū)間，過冷或過熱狀態(tài)均會(huì)影響車輛的正常運(yùn)作，產(chǎn)生安全隱患，所以熱管理系統(tǒng)不僅需要在高溫時(shí)為整車系統(tǒng)降溫，在車輛處于低溫工況時(shí)，也需要將電池加熱到合適的溫度。目前主流的加熱方式有PTC 熱敏電阻加熱、電加熱膜加熱和液體介質(zhì)加熱［1］。3 種加熱方式的各項(xiàng)性能對比見表2。

1. 2. 1 PTC 熱敏電阻加熱

PTC 熱敏電阻加熱需要在電池包周圍布置PTC 熱敏電阻加熱單元及絕緣包覆層，在車輛電池包有加熱需求時(shí)，系統(tǒng)對PTC 熱敏電阻通電產(chǎn)生熱量，再通過風(fēng)扇將空氣吹過PTC 熱敏電阻發(fā)熱鰭片對其加熱，最后將熱風(fēng)導(dǎo)入電池包內(nèi)部循環(huán)，從而加熱電池，PTC 熱敏電阻加熱結(jié)構(gòu)如圖5 所示。PTC 熱敏電阻熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)難度和成本較低，常被用于早期的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。但因該系統(tǒng)存在能耗較高、加熱效率低、加熱均勻性差等原因，加熱方式較難滿足現(xiàn)在各種工況下的電池加熱需求，因此該加熱方式的使用率逐漸下降［3-4］。

1. 2. 2 電加熱膜加熱

電加熱膜加熱是在車輛電池包的單體電池周圍貼附電加熱膜，每個(gè)單體電池的電加熱膜之間采用串聯(lián)的連接方式，使其通電時(shí)，以相同功率對電池加熱，提高了加熱的均勻性，電加熱膜加熱結(jié)構(gòu)如圖6 所示。電加熱膜一般使用熔點(diǎn)高、絕緣性能好、導(dǎo)熱性能好的材料。電加熱膜的厚度一般不大于0.3 mm，不會(huì)影響電池的自然散熱。這種加熱方式的加熱效率高、均勻性好，系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度較小，已被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車制造商的熱管理系統(tǒng)，是目前最常見的電池加熱方式［2-4］。

1. 2. 3 液體介質(zhì)加熱

液體加熱一般在整車液體介質(zhì)熱管理系統(tǒng)中，車輛電池包有加熱需求時(shí)，通過循環(huán)加熱器加熱系統(tǒng)中的液體介質(zhì)，再將加熱后的液體輸送到電池包的冷卻管路中。采用該加熱方式對電池加熱，具有較高的加熱效率和加熱均勻性，其結(jié)構(gòu)如圖7 所示。通過合理的回路循環(huán)設(shè)計(jì)，可有效地交換整車系統(tǒng)中各部分的熱量，達(dá)到節(jié)能的目的。

該加熱方式是3 種電池加熱方式中能耗最低的一種。由于該加熱方式需要與整車的液體介質(zhì)熱管理系統(tǒng)配合工作，因此設(shè)計(jì)難度大，且有一定的漏液風(fēng)險(xiǎn)，目前該加熱方案的使用率低于電加熱膜加熱方式。但其在能耗與加熱性能上具有巨大優(yōu)勢，將成為未來電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)發(fā)展的趨勢。

2 特斯拉八通閥熱泵熱管理系統(tǒng)

特斯拉汽車的八通閥熱泵熱管理系統(tǒng)是目前集成度最高、功能最完善的熱管理系統(tǒng)之一［5］，本文將以此作為研究對象，展開分析和比較。

2. 1 熱泵工作原理

任何在溫度高于? 273 °C（絕對零度）的物質(zhì)中，都含有內(nèi)能，可與溫度更低的物質(zhì)發(fā)生熱交換，釋放內(nèi)能，降低溫度。如果2 種物質(zhì)進(jìn)行熱交換，則溫度低的物質(zhì)吸收熱量并升溫，另一種物質(zhì)釋放熱量并降溫。在熱泵系統(tǒng)中，壓縮機(jī)將冷媒壓縮后使其變熱，加熱后的冷媒在冷凝器中，將熱量釋放到外界環(huán)境中。然后常溫的冷媒在蒸發(fā)器內(nèi)膨脹變冷，并吸熱達(dá)到冷卻的效果。最后，冷媒回到壓縮機(jī)開始下一次循環(huán)。在理想狀態(tài)下，熱泵外部排出的熱量，加上系統(tǒng)運(yùn)行所消耗的電能，實(shí)現(xiàn)該熱泵系統(tǒng)的降溫冷卻效果。

2. 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

八通閥熱泵熱管理系統(tǒng)中的主要部件包括：① 壓縮機(jī)，負(fù)責(zé)壓縮冷媒，使冷媒升溫；② 存儲(chǔ)冷媒的儲(chǔ)液器，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存冷媒；③ 座艙內(nèi)冷凝器，負(fù)責(zé)為座艙內(nèi)加熱；④ 座艙內(nèi)蒸發(fā)器，負(fù)責(zé)為座艙內(nèi)制冷；⑤ 冷卻器，負(fù)責(zé)將內(nèi)部的低溫冷媒與冷卻液進(jìn)行熱交換，為冷卻液降溫；⑥ 液態(tài)冷卻冷凝器（LCC），負(fù)責(zé)將內(nèi)部的高溫冷媒與冷卻液進(jìn)行熱交換，為冷卻液加熱升溫。八通閥熱泵熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和布置如圖8 所示，圖中虛線為冷媒回路，實(shí)線為冷卻液回路。該八通閥熱泵熱管理系統(tǒng)有12 種加熱模式及3 種制冷模式，通過八通閥的4 個(gè)位置配合各部件，可滿足不同場景的熱管理需求［5］。

2. 3 代表性場景模式

2. 3. 1 場景1

場景1 為環(huán)境溫度低于10 ℃工況。該場景下座艙與電池包均需要加熱，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖9 所示。系統(tǒng)主要依靠壓縮機(jī)壓縮冷媒制熱，如果電驅(qū)系統(tǒng)有富余熱量，則通過冷卻液回路為電池包加溫。冷媒經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后，流向座艙冷凝器為座艙加熱，部分流向LCC。冷卻液從LCC 中的高溫冷媒吸取熱量，經(jīng)過旁路管流向未被激活的冷卻器，再流向電池包為電池包加熱，最后流向電驅(qū)單元。如果電驅(qū)系統(tǒng)持續(xù)工作有富余熱量，冷卻液會(huì)吸收富余熱能，流向LCC 開始下一次循環(huán)。

2. 3. 2 場景2

場景2 為座艙中無人狀況。座艙與電驅(qū)單元中的熱量被系統(tǒng)吸收，并送至電池包中，電池包具有保溫設(shè)計(jì)，與座艙相比，其保溫效果更佳，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與冷媒溫度及流向如圖10 所示。此時(shí)座艙冷凝器未被激活，冷媒經(jīng)過座艙蒸發(fā)器升溫后進(jìn)入冷卻器，冷卻液吸收電驅(qū)系統(tǒng)富余熱量后，流向LCC，繼續(xù)吸收經(jīng)過壓縮的高溫冷媒的熱量，再流向冷卻器，吸收其中冷媒的熱量，最后將熱量運(yùn)輸至電池包保存，重新回到電驅(qū)單元開始下一次循環(huán)。

2. 3. 3 場景3

場景3 為夏季高溫工況。此時(shí)電池包、電驅(qū)單元和座艙均需要冷卻，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與冷媒溫度及流向如圖11 所示。座艙無加熱需求，座艙冷凝器關(guān)閉。

冷卻液經(jīng)過電池包與電驅(qū)單元吸收其熱量，然后在LCC 處被高溫冷媒加熱，最后通過散熱器將熱量排出系統(tǒng)。高溫冷媒在LCC 中降溫后，通過座艙蒸發(fā)器對座艙制冷，一部分冷媒經(jīng)過膨脹降溫，在冷卻器中對冷卻液降溫。此時(shí)座艙、電池包及電驅(qū)單元中的熱量釋放到外界環(huán)境。

2. 4 優(yōu)勢與劣勢

特斯拉八通閥熱泵熱管理系統(tǒng)集成度高，整合了座艙、電池包和電驅(qū)單元3 大單元，能靈活控制整車熱管理系統(tǒng)中的熱量流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的熱量交換，減少能量浪費(fèi)，降低整車能耗。

但同時(shí)，由于電池包只能通過熱泵熱管理系統(tǒng)進(jìn)行熱循環(huán)加熱，因此如果熱泵熱管理系統(tǒng)長時(shí)間沒有啟動(dòng)，當(dāng)再次啟動(dòng)加熱時(shí)，電池的加熱速度較慢且效率低，在低溫工況下對車輛續(xù)航和性能會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。

3 低溫工況下的優(yōu)化展望

3. 1 面臨的問題

3. 1. 1 低溫工況下電池活性降低

鋰電池通過鋰離子在正負(fù)極之間遷移，完成電池的充放電過程。研究表明，在低溫環(huán)境下，鋰離子電池的放電電壓和放電容量都有明顯的降低，在? 20 ℃ 時(shí)，電池的放電能力僅為正常情況下的60% 左右。在低溫工況下，充電功率也會(huì)下降，充電所需時(shí)間更長［1，6-8］。

3. 1. 2 冷車再啟動(dòng)掉電

在大部分的使用工況下，長時(shí)間在低溫環(huán)境停車，將導(dǎo)致整車系統(tǒng)完全冷卻，當(dāng)車輛再次啟動(dòng)時(shí)，電池與座艙均不符合最佳工作溫度。低溫狀態(tài)下，電池活性降低，不僅影響車輛的續(xù)航里程和輸出功率，也會(huì)限制最大放電電流，對車輛行駛造成安全隱患［7-8］。

3. 2 解決方法

3. 2. 1 制動(dòng)熱能回收

汽車在行駛過程中，特別是激烈駕駛時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)中的制動(dòng)盤上會(huì)因摩擦產(chǎn)生較多熱量。大部分高性能汽車有制動(dòng)導(dǎo)風(fēng)系統(tǒng)，冷卻效果良好。制動(dòng)導(dǎo)風(fēng)系統(tǒng)將車輛前方的冷空氣通過前保險(xiǎn)杠內(nèi)的導(dǎo)風(fēng)槽，導(dǎo)入制動(dòng)系統(tǒng)，冷空氣經(jīng)通風(fēng)制動(dòng)盤夾層的空隙流動(dòng)，帶走制動(dòng)盤的熱量。這部分熱量流失在外界環(huán)境中，沒有被充分利用。

未來可采用一種熱量收集結(jié)構(gòu)，在車輛的輪拱內(nèi)部放置銅質(zhì)散熱鰭片和熱管，收集制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量，冷卻制動(dòng)盤后，升溫的熱空氣經(jīng)鰭片和熱管，將熱量傳遞到獨(dú)立回路中，再通過該回路將熱量引入熱泵系統(tǒng)的熱交換過程，冷卻制動(dòng)系統(tǒng)的同時(shí)，收集利用這部分廢熱，為電池組加熱和保溫。

3. 2. 2 主動(dòng)保溫

在現(xiàn)有的電池加熱方式中，電加熱膜加熱方式的加熱效率高、易控制，成為最主流的電池加熱保溫方式，但使用電加熱膜對電池主動(dòng)加熱時(shí)，消耗的電能較大，這也是電動(dòng)汽車采用電池主動(dòng)加熱時(shí)遇到的主要問題。

當(dāng)汽車插上充電樁接入電網(wǎng)時(shí)，電加熱膜系統(tǒng)可直接向電網(wǎng)取電，因此電池?zé)o電量消耗大的顧慮。未來可采用一種電加熱膜的控制邏輯，在電池組周圍布置溫度傳感器，確保車輛接入電網(wǎng)時(shí)，時(shí)刻監(jiān)測電池的溫度，保持電池包處于合適的工作溫度區(qū)間［9］。

3. 2. 3 智能控制保溫策略

因?yàn)闇囟葘﹄姵氐男阅苡绊戄^大，在確保車輛正常行駛時(shí)，電池處于合適的工作溫度區(qū)間十分重要。在車輛完全冷卻的情況下，應(yīng)先啟動(dòng)車輛，在車輛開始行駛后，再對電池包進(jìn)行一定時(shí)間的加熱，這期間電池包仍處于過工作溫度較低的狀態(tài)，會(huì)對車輛性能造成負(fù)面影響，甚至產(chǎn)生安全隱患。

未來，可采用一種智能化控制的保溫策略，通過車主上班日程、上班時(shí)間等信息記錄車主日程和日常用車習(xí)慣，當(dāng)車主需要用車時(shí)，提前對電池和座艙加熱，保證車主在用車時(shí)，車輛達(dá)到最佳工作狀態(tài)，座艙達(dá)到舒適的溫度。

4 結(jié)語

電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的重要樞紐，管理整車的儲(chǔ)能、驅(qū)動(dòng)及座艙間的熱量交換，對整車設(shè)計(jì)具有重要的作用。在進(jìn)行電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要在控制成本的同時(shí)，兼顧各種環(huán)境和工況，確保車輛各部件處在合適的工作溫度下。

現(xiàn)有的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在大多數(shù)工況下可滿足電池的溫控需求，但在能源利用、節(jié)約能源、低溫工況等方面，電池保溫性能還有待提升和完善。

參 考 文 獻(xiàn)

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