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摘要：车辆热管理系统是整车的第二大能源消耗系统，整车热管理系统内部之间或与外部子系统之间衔接多、关联性强、复杂程度高，合理搭建整车控制策略及整车布置对整车的经济性和安全性都有很重要的影响。笔者针对现有电动汽车整车热管理系统工况模式进行分析，为电动汽车整车热管理系统的开发与设计提供参考。
关键词：能源消耗；热管理；控制策略；工况模式
电动汽车热管理系统研发中利用驱动电机、DC/DC 转换器、电池系统产生的余热提供系统之间所需要的热量，利用前端装置散热器在系统之间进行降温处理。这样可以避免开启 PTC 加热器及空调系统，减少能源消耗，有效提高续航里程。
1电动汽车热管理系统
电动汽车热管理系统主要包括驱动电机系统、DC/DC 转换器、电池热管理系统（冷热平衡）、乘员舱空调系统（制冷与供暖）等系统。驱动电机与 DC/DC 系统在整车运行过程中一直处于放热的状态，在温度超过一定极限之后，会影响零部件的运行效率，严重的情况下还可能造成安全事故[1]。动力电池一般在温度 25 ℃ 时，其可靠性与效率均处于一个最佳状态。动力电池在低温环境下，无论充电还是启动都需要在一定的温度区间内，长时间的运行中，此时电池系统处于大电流放电状态，这个过程中会产生余热，若温度超过极限，将会严重影响车辆运行效率，极端情况下可能导致自燃。同时，无论在低温还是高温环境下，乘员舱也同样需要整车提供一个舒适的温度环境，即电动汽车热管理系统主要是控制车辆子系统在一个合理的温度区间范围之内，并提供一个舒适的乘车环境。温度降低主要通过电动压缩机与前端装置散热器构成的相关循环回路对整车动力电池、驱动电机、电机控制器、DC/DC 转换器进行降温处理；低温加热主要通过 PTC 加热器、热泵技术、余热处理对电池系统或者乘员舱提供热量。这些复杂的子系统零部件通过整车布置在适当的控制策略下就构成了电动汽车热管理系统。
2电动汽车整车热管理系统的控制策略
对现有电动汽车整车热管理系统的工况模式控制策略进行分析，其整车热管理系统示意图如图1所示。该系统主要由前端装置、HVAC 总成、换热模块、电池系统、电机系统、DC/DC 系统、PTC 加热器、阀门、水泵等部件组成。这些子系统之间相互关联，在传感器的感应下通过控制阀门的开闭，风机转速的大小，利用驱动电机及 DC/DC 转换器余热、电池系统余热、PTC 加热器加热、空调系统制热模式形成相应零部件之间的制热回路，利用前端装置散热器降温、空调系统制冷形成相应零部件之间的制冷回路，从而控制车辆零部件在一个最佳的温度区间并提供一个舒适的乘车环境。
2.1冬季低温环境
冬季低温环境下，电池充电电流小，造成充电时间长，严重影响充电效率，在极端低温条件下，整车甚至无法启动，所以在充电前或者启动前需要进行电池预热处理。同样，冬季低温环境下，乘员舱也需要进行供暖，以提高乘员的舒适度。即在冬季低温环境的时候，整车热管理系统主要为电池预热和乘员舱供暖两种热量处理模式，主要的工况模式有低温电池系统单独预热、低温低速电机余热加热电池组、低温电机余热供暖乘员舱、低温电机余热（前端装置散热器）冷却、热泵供热、PTC 加热器供暖乘员舱等几种模式。整车低温充电或启动前，几乎都采用 PTC 加热器单独对电池系统进行加热处理，也就是低温电池系统单独加热模式[2]。利用电机余热进行乘员舱供暖及电池加热，这样的方法避免了在特殊情况下直接使用空调系统、PTC 加热器两种方式，节约了车辆电能，有利于减少整车能源消耗，提高了整车续航里程。下面将重点介绍利用电机余热处理的工况模式。
2.1.1 低温启动余热加热电池组
冬季环境温度较低的时候，电池系统不可能进行大电流放电，车辆启动速度及车辆子系统工况将受到严重影响，这就需要提高电池组内部温度，从而实现大电流放电，保证电池在一个适当的工作温度区间之内。由于整车在启动过程中，驱动电机、DC/DC 转换器就会一直产生余热，可以利用这部分余热对电池系统单独进行加热处理。在控制管路中，驱动电机、DC/DC 转换器、电池组通过阀门管件串联构成水路循环即可，驱动电机、DC/DC 转换器产生的余热一直加热回路中的冷却液，从而电池组得到了热量供应，这样就避免了采用 PTC 直接加热的方式，减少了能源消耗，增加了车辆续航里程。
2.1.2 低温启动余热加热乘员舱
低温环境下，整车在进行正常行驶以后，电池由于自身放热、驱动电机及 DC/DC 转换器的余热作用使其热量得到了保证。在一个合适的温度区间之内，随着整车的继续运行，在一个时间范围之内，驱动电机、DC/DC 转换器产生的余热会突破电池系统的热量极限，这时热管理系统中就产生了多余的热量，这个多余的热量可以利用起来直接对乘员舱进行加热，满足乘客的舒适度需求。乘员舱供暖传统的做法是直接采用 PTC 加热方式，这样做会耗费大量的电能，而利用驱动电机、DC/DC 转换器产生的余热对乘员舱进行热量供应，会大大降低对电池电能的消耗，从而节约大量电能。若乘员舱热量需求较多，由于系统中连接了 PTC 加热器，也可以适当打开 PTC 加热器进一步在适当范围之内提高所需热量的供应[3]。 如图 2 粗线箭头所示，驱动电机余热产生的热冷却水经过四通阀，四通阀 a 与 d 端口导通；三通阀 4 的b 与 c 端口打开，a 端口关闭；三通阀 2 与三通阀 5的端口关闭；冷却液在水泵 1 的作用下经过 PTC，三通阀 1 的 a 端口关闭，b 与 c 端口打开，进入到 HVAC 总成换热器模块；三通阀 6 的 a 端口关闭，b 与 c 端口打开，冷却液在水泵 2 的作用下又回到驱动电机、DC/DC 转换器进水口，从而形成了整个回路。在这个循环回路中，DC/DC、电机产生的余热对冷却液进行加热直接通过管路循环进入到 HVAC 总成换热器中，在风机的作用下将热空气吹入乘员舱即可满足乘员的供暖需求，若所需热量较多也可以适当打开 PTC 加热器进一步在适当范围之内提高所需要的热量。
2.2春秋常温环境
春秋常温环境下，车辆在正常行驶过程中，一般情况下不使用空调系统，在这样的情况下，驱动电机、DC/DC 转换器、电池系统在车辆行驶过程中均会产生大量的余热，整车热管理系统主要进行驱动电机、DC/DC 转换器、电池系统的冷却处理。根据热量的累积情况采用串联冷却和单独冷却等几种方式进行，一般情况下，传统的做法是直接采用空调系统进行降温处理，启动空调系统会大量耗费车辆电能。在一定热量累积的条件下，可利用前端装置散热器对串联的电池组、驱动电机、DC/DC转换器进行冷却处理，在热量达到一定程度时，再开启空调系统，分别单独控制驱动电机及DC/DC转换器、电池系统的温度在一个区间范围之内。春秋季节，也可能出现不一样的气候特点，温度的高低变化不太明显的情况下，温度适当降低的时候，可利用电机余热加热乘员舱，温度适当升高的时候，可利用前端装置散热器进行降温处理[4]。现将对利用前端装置散热器冷却处理模式进行分析。电池组、驱动电机、DC/DC 转换器串联冷却。在春秋室外常温条件下，空调系统可以不用开启，车辆在正常行驶过程中，由于电池系统、驱动电机、DC/DC 转换器自身产生的热量均会超过自身需求，这时需要整车热管理系统同时对其进行降温处理。在传统的车辆热管理系统中一般采用空调系统制冷模块直接对其降温处理，这种方法将严重消耗整车电能，不利于整车的长时间运行，利用前端装置低温散热器进行散热即可实现电池组、驱动电机、DC/DC 转换器的冷却，从而减少对空调系统的使用。这种方式形成的是驱动电机及 DC/DC 转换器—前端装置—电池组的循环回路，这个回路过程中不能将电池系统调整到驱动电机系统、DC/DC 转换器之后，因为驱动电机系统、DC/DC 转换器在车辆运行中产生大量的余热，直接进入电池系统，会对电池组内部温度产生一定的冲击，从而影响放电效率，甚至影响整车安全。驱动电机系统、DC/DC 转换器的出水冷却液经过前端装置降温处理后，再对电池组进行降温，可以避免出现这样的情况。春秋常温环境下，乘员对制冷需求情况不多的时候，若在怠速情况下或在低速状态下，此时电机系统发热很小，可利用前端装置散热器对乘员舱进行制冷，避免了传统控制策略使用空调系统制冷的模式，节约了电池电能。 如图 3 粗线箭头所示，冷却液从电机出来后，四通阀 d 与 c 端关闭，a 与 b 端导通，三通阀 3 的 b 端关闭，a 与 c 端口打开，冷却液通过四通阀与三通阀 3后，进入到前端装置散热器后，冷却液温度高低由冷却风扇调整电机转速来实现控制，从而相对应降低冷却液的温度。三通阀 5 的 a 端关闭，b 与 c 端打开；三通阀 4 与三通阀 2 的端口关闭；三通阀 1 的 a 端口关闭，b 与 c 端口打开；冷却液在阀门的控制下，经过PTC 加热器后在水泵 1 的作用下经过三通阀 1 进入到HVAC 总成换热器模块，由于前端装置已经将冷却液降温并得到了所需要的低温，低温冷却液在 HVAC 总成换热器模块流动过程中可将周围空气冷却，冷却后的空气在风机的作用下吹进乘员舱，就为乘员舱提供了制冷需求。三通阀 6 的 a 端关闭，b 与 c 端口打开，冷却液经过 HVAC 总成降温后又回到了电机、DC/DC转换器的入水口，从而形成了完整的回路过程。
2.3夏季高温环境
在夏季环境温度较高条件下，空调系统需要开启，车辆在正常行驶过程中，由于电池系统、驱动电机、DC/DC 转换器自身产生的热量均会超过自身需求，这时需要整车热管理系统同时对其进行降温处理。采用前端装置低温散热器对驱动电机、DC/DC 转换器进行单独降温处理，使用空调系统单独对乘员舱和电池组降温[5]。驱动电机、DC/DC 转换器与前端装置形成串联回路可起到降温作用，散热器风机根据温度大小实时调整风机转速，保证驱动电机、DC/DC 转换器的热量快速散掉。空调系统制冷采用并联分流方式进行，制冷剂从压缩机排出后形成高温高压气体，经过电磁阀后进入到冷凝器，在冷凝器的作用下变成中温高压的液体，冷凝器在这里起到一个气液转换放热的作用。中温高压的液体同时经过两个电磁阀的并联分流，两条支路分别在膨胀阀的降压限流作用下，对应进入到 HVAC 总成的蒸发器和换热模块中的蒸发器，制冷剂迅速由液体蒸发成气体，大量吸热，造成蒸发器周围温度迅速降低。风机可根据用户操作或者自动控制方式调整档位实时进行降温，这里的阀门可控制两支流制冷剂流量的大小，从而保证制冷量需求的优先级。最后支流经过电磁阀回到压缩机，整个过程就形成了电池与乘员舱并联的制冷循环回路系统。
作者：吴建平 单位：四川信息职业技术学院