汽車熱管理 課件 第六章 整車熱管理

汽車熱管理第六章整車熱管理1課程目標理解燃油車、純電動車、混合動力車和燃料電池車的整車熱管理架構掌握不同車型的熱源、冷源、被控對象、循環回路和典型工作模式能夠沿冷媒與冷卻液流向分析ModelS、Model3、ModelY、Mirai等典型案例理解一體式熱管理的目標、構建策略、系統組成與產業化難點2第六章學習主線3從部件溫控上升到整車熱量統籌本章不再孤立討論壓縮機、換熱器、泵、閥和傳感器，而是把它們放回整車回路。分析任一系統時，先識別熱從哪里產生，再判斷哪些部件必須保持在特定溫度窗口，隨后追蹤熱量通過空氣、冷卻液或制冷劑被輸運、回收或排向環境的全過程。整車優化的關鍵不只是增加冷卻能力，而是讓有限的熱源與冷源在正確時間服務正確對象。第六章整車總覽4四類動力系統決定四種熱管理矛盾燃油車擁有大量發動機余熱，重點是冷啟動暖機與高負荷散熱；純電動車沒有穩定余熱，重點是電池溫控、低溫制熱與續航；混合動力車熱源多但工作狀態變化大，重點是模式協調；燃料電池車工作溫度較低、散熱溫差小，重點是大流量冷卻、水管理與廢熱利用。一體式熱管理把這些矛盾統一轉化為整車能量分配問題。第六章分析方法5用“對象—窗口—回路—模式—目標”讀懂系統圖對象：座艙、電池、電機、電控、發動機或電堆；窗口：各對象允許的最佳溫度及安全邊界；回路：冷媒、冷卻液、空氣和潤滑油如何連接；模式：泵、閥、壓縮機與風扇怎樣隨環境和負荷切換；目標：安全優先，同時平衡動力、能耗、舒適性和壽命。教材中的每張原理圖都可沿這一順序拆解，避免只記住管路而不了解控制邏輯。第六章傳統燃油車整車熱管理應用6在過去的章節中，我們已經詳細探討了燃油車和新能源車的熱管理系統中各個部件的作用…在過去的章節中，我們已經詳細探討了燃油車和新能源車的熱管理系統中各個部件的作用和配置，如冷暖空調系統、冷卻系統和散熱器的具體應用。這一章將從整車的角度出發，綜合分析和比較不同類型汽車的熱管理系統，包括燃油車、純電動車、混合動力車和燃料電池車，旨在展示如何通過整車系統的優化來提高能效和乘坐舒適性。在探討整車熱管理時，我們將特別關注系統之間的相互作用和整合。隨著技術的發展，一體式熱管理系統越來越受到重視，它通過集成控制，將散熱、冷卻和空調系統合二為一，從而提高熱效率，降低系統復雜性，并優化空間配置。這種系統不僅提升了發動機和電池的性能，還極大增強了乘客的舒適體驗。本章將依次介紹各類型車輛熱管理系統的設計理念、技術特點以及實際應用，重點分析一體式熱管理系統如何在新一代車輛中實現更高的能源效率和更佳的環境適應性。通過對比不同車型的熱管理策略，我們可以更全面地理解熱管理系統在現代汽車工程中的核心地位及其對汽車性能的影響。第六章傳統燃油車整車熱管理應用76.1傳統燃油車整車熱管理應用：整車層面的核心邏輯傳統燃油車的熱管理以發動機冷卻和乘員艙空調為主。發動機側通過溫控模塊、電子水泵、旋轉閥、EGR冷卻、縱流冷卻以及進排氣熱量利用，使冷機快速升溫并在高負荷下降溫；座艙側通過分區空調、座椅通風和局部熱舒適技術提高體驗。第六章傳統燃油車整車熱管理應用8在前面的幾個章節中已經重點介紹了傳統燃油車熱管理系統中的發動機熱管理系統、通風…在前面的幾個章節中已經重點介紹了傳統燃油車熱管理系統中的發動機熱管理系統、通風系統、制冷系統、采暖系統等。本章節將詳細探討這些系統在整車層面上的綜合應用，以及它們如何相互作用以提升整體車輛性能和乘客舒適度。通過分析具體的車型案例，我們可以更深入地理解熱管理系統在實際駕駛環境中的表現及其對車輛性能的影響。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用96.1.1傳統燃油車發動機熱管理應用：本節知識結構以大眾EA211EVO和豐田DynamicForce為案例，觀察溫控模塊、旋轉閥、電子水泵、EGR冷卻、縱流冷卻和液冷進排氣系統怎樣改變暖機速度、爆震傾向、泵耗與排放。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用10圖6-1大眾1.5LTSIEA211EVO發動機及其代表車型結合教材圖識別熱源、冷源、被控對象與關鍵閥口，沿介質流向判斷吸熱、放熱和回收路徑，再聯系環境溫度與車輛工況解釋控制器為何選擇這一工作模式。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用111.大眾1.5LTSIEA211EVO：大眾的EA211發動機系列代表了汽車發動機技術的一次顯著進…大眾的EA211發動機系列代表了汽車發動機技術的一次顯著進步。作為繼EA111系列后的新一代發動機，EA211系列在多個方面進行了優化，實現了性能提升和燃油經濟性的顯著增強。1.5LTSIEA211EVO發動機采用全新模式的熱管理系統（如圖6-2），可對發動機實現有效的熱管理。該發動機實施了幾項關鍵技術以優化發動機的啟動和運行性能，這些技術包括控制冷卻液流動、減少內部摩擦、加速駕駛室加熱，以及通過溫度管理降低爆震傾向。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用12圖6-2EA211EVO發動機熱管理系統及其安裝位置結合教材圖識別熱源、冷源、被控對象與關鍵閥口，沿介質流向判斷吸熱、放熱和回收路徑，再聯系環境溫度與車輛工況解釋控制器為何選擇這一工作模式。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用13圖6-3冷卻液調節箱帶有發動機溫度調節模塊GX33的冷卻液調節箱結構如圖6-3所示，通過溫度調節模塊調節冷卻液膨脹閥、乘員艙暖風裝置換熱器、冷卻液散熱器中的冷卻液，進而實現發動機溫度智能管控，這種集成化的溫控策略不僅優化了發動機的運行效率和性能，還提高了燃油經濟性和乘客舒適度，確保了發動機在各種工作條件下都能維持在最佳的操作溫度范圍內。L冷卻液溫度傳感器G62是擰在缸蓋內的，它測量集成式排氣歧管附近的冷卻液溫度。發動機控制單元利用該傳感器的信號來調節發動機內的冷卻液溫度。冷卻液溫度傳感器G82是擰在缸體內的，它測量尚未流出發動機的冷卻液溫度(指向散熱器方向流出)。發動機控制單元利用該傳感器信號在缸體內冷卻液溫度較高時來適配冷卻液液流。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用14圖6-4旋轉閥機構如圖6-4所示，該發動機借助于發動機溫度調節模塊和脈譜控制的冷卻模塊中的2個旋轉閥，電動調節水溫在調節期間直接由發動機溫度調節執行器借助于一個軸，來驅動旋轉閥1，旋轉閥2由旋轉閥1借助于一個扇形齒輪來驅動這意味著旋轉閥1和2相互嚙合，互相相關運動。旋轉閥1的位置以及旋轉閥2的位置由發動機溫度調節的位置傳感器來識別。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用15根據不同的條件，發動機控制單元通過溫度調節模塊執行不同的調節策略：第六章傳統燃油車發動機熱管理應用16工況一：點火off：在點火off之后運動旋轉閥1到通往散熱器的路徑閉合的位置（…在點火off之后運動旋轉閥1到通往散熱器的路徑閉合的位置（圖6-5(a)）。冷卻水仍然在發動機中，由此冷卻更慢。當發動機重新啟動時，如果還有殘余熱量，發動機就會更加迅速達到其工作溫度。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用17教材圖組：(a)點火off｜(c)發動機熱機水溫達85℃(c)水溫在85~105℃之間調節…第六章傳統燃油車發動機熱管理應用18工況2：點火on和發動機啟動：在發動機的啟動和點火on階段，兩個旋轉閥會被完全關閉，目的…在發動機的啟動和點火on階段，兩個旋轉閥會被完全關閉，目的是限制冷卻液在系統中的流動，使發動機能夠盡可能快地達到其操作溫度。在這種狀態下，冷卻水被靜止鎖在發動機內部，直接受到燃燒產生的熱量加熱。這種方法可以顯著減少熱能的損失，加快發動機的加熱過程。盡管水泵在此時繼續運轉，但由于旋轉閥的關閉，它并不實際輸送冷卻水到發動機的其他部分。這種配置允許熱量在發動機內部積聚而不被分散，有助于提高發動機在寒冷環境下的啟動性能和減少初期的磨損。一旦發動機達到理想的操作溫度，旋轉閥會重新開啟，恢復冷卻液的流動，確保發動機在最佳溫度下穩定運行，防止過熱，從而維護發動機的長期健康和效率。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用19工況3：發動機水溫達85℃：在這個階段，兩個旋轉閥以如下順序打開通往不同元件的各自通道。在這個階段，兩個旋轉閥以如下順序打開通往不同元件的各自通道。如圖6-5(b)所示，首先，第一個旋轉閥打開通道，引導冷卻液流向發動機的缸蓋、機油冷卻器及熱交換器。這些部件是發動機中熱量產生最多的區域，因此需要優先冷卻以保護發動機免受過熱損害，同時維持機油在最佳溫度下工作，保障潤滑效果和熱效率。接下來，第二個旋轉閥打開，允許冷卻液流向冷卻水膨脹箱。這一步驟至關重要，因為它允許系統在發動機熱脹冷縮的過程中調整冷卻液的體積，防止壓力過高或形成真空。隨后，冷卻液被引導至發動機的缸體。缸體是包圍著汽缸的結構部件，其溫度管理對于發動機整體的熱效率和機械強度至關重要。適當的冷卻可以防止缸體因高溫而發生形變，確保發動機運行平穩。最后，冷卻液流向散熱器，這是整個冷卻循環的關鍵環節。在散熱器中，冷卻液將吸收的熱量釋放到外界，隨后冷卻后的液體再次循環回發動機，開始新一輪的冷卻過程。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用20工況4：水溫在85~105℃：如圖6-5(c)所示，一旦發動機達到工作溫度，其冷卻系統便…如圖6-5(c)所示，一旦發動機達到工作溫度，其冷卻系統便開始根據發動機的運行狀態調整冷卻水的溫度。這一溫度調節主要由旋轉閥1控制，而旋轉閥2則保持全開狀態。在發動機承受低負荷和轉速較低的情況下，冷卻水溫度會被調節至105℃以維持穩定的熱效率；而在高負荷和高轉速的操作條件下，水溫則會被調低至85℃，以防過熱并優化發動機性能。這種溫度調節過程是連續可變的，并且通過精細的脈寬調制控制，確保發動機在各種工況下都能高效穩定地運行。此外，該發動機還具備了催化劑加熱策略上的優化。在初始點火角延遲階段之后，利用λ的濃稀控制來對催化轉化器加熱。這種操作模式在CNG發動機中很常見，但是汽油發動機中非常罕見。該策略通過氣缸內未燃燒空氣和燃料重新在排氣管中組合，發生燃燒反應將熱量更多地集中在催化器中所需的位置，而不是加熱整個排氣系統。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用21具體來說，這是用控制系統對兩個氣缸進行加濃（尾氣殘留燃油），對兩個氣缸進行減稀…具體來說，這是用控制系統對兩個氣缸進行加濃（尾氣殘留燃油），對兩個氣缸進行減?。ㄎ矚鈿埩粞鯕猓?，然后，未燃燒的燃油和氧氣在排氣道中均質化，直接在催化器中發生化學反應，從而快速提高催化器溫度。其中，主要控制手段為一個比例系數（SplitFactor）：氣缸參與燃燒燃油占據整體燃油的比例，催化器加熱的效果取決于比例系數的標定，大概范圍在0.8-1之間。而減稀的兩個氣缸的比例可以通過計算機自動產生，最終確保在催化器中實現λ=1.0的理論空燃比。下圖顯示了與標準燃燒過程相比，通過對不同氣缸λ加濃減稀操作下，催化器溫度升高的案例。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用22圖6-7豐田DynamicForce發動機及其代表車型結合教材圖識別熱源、冷源、被控對象與關鍵閥口，沿介質流向判斷吸熱、放熱和回收路徑，再聯系環境溫度與車輛工況解釋控制器為何選擇這一工作模式。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用232.豐田DynamicForce發動機：豐田DynamicForce發動機代表了豐田在傳統汽油發…豐田DynamicForce發動機代表了豐田在傳統汽油發動機技術上的一大突破，其最引人注目的成就是將汽油機的熱效率提升至40%，達到了汽車行業的領先水平。這款發動機不僅在效率上取得了顯著進步，而且在環境友好性和性能上也表現出色。該發動機主要采用了阿特金森循環、電動進氣門VVT、雙噴射系統、冷卻EGR技術、縱流冷卻系統和電子水泵等技術，成為了當今世界上熱效率最高的傳統汽油機之一。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用24圖6-8冷卻EGR技術豐田在DynamicForce系列發動機上使用了冷卻EGR（廢氣再循環系統）技術，在部分負荷時從排氣管引一部分廢氣重新進入進氣系統，這部分廢氣不參與燃燒，從而降低泵氣損失，提高熱效率。得益于DynamicForce系列發動機的高速燃燒系統，這臺發動機最高可以使用高達25%的EGR率，從而使發動機的效率進一步提升。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用25圖6-9采用水套隔板的側流式發動機技術豐田在DynamicForce系列發動機上采用縱流冷卻（圖6-8），相較于橫流冷卻，由于冷卻液的流動路徑較長，可以更有效地在發動機內部移動熱量，適用于需要從長軸向有效散熱的較大或高功率發動機。同時縱流式降低了水套的流動阻力，從而降低水泵的負載，提高效率。在缸體水套中采用了水套隔板（WJS）來優化水流的分布，這也是豐田的設計特色。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用26圖6-10DynamicForce發動機電子水泵在豐田的DynamicForce系列發動機中，傳統的機械水泵被創新性地替換為電子水泵（圖6-9）。這種電子水泵無需機械帶動，可實現對冷卻流量的精確控制，使得發動機的冷卻更為高效。這種技術的引入不僅優化了發動機的熱管理系統，還通過精確調節冷卻需求以匹配發動機的實際工況，有效降低了能源消耗和提升了整體熱效率。因此，電子水泵的使用是對發動機熱管理策略的一大進步，它不僅提升了系統的性能，還對環境友好，有助于降低油耗和排放。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用27圖6-11寶馬M4發動機液冷式中冷器一些高端性能車會采用液冷式中冷器，如寶馬M3/M4的S55B30發動機（圖6-10）/奔馳AMGGT的M178發動機等，雖然對于M3/M4/AMGGT這樣的性能車而言，設計水冷式中冷的最大目的不是為了追求熱效率，而是為了提升引擎的響應，換用更高效的水冷中冷器，以降低中冷器的體積和氣道長度，從而達到降低渦輪遲滯的效果。但反過來看，水冷式中冷器將壓縮空氣的熱量吸收，讓熱量進入到冷卻液的循環中，變相利用了渦輪增壓發動機的熱量損失，這對于提升發動機熱效率，肯定是有正面效果的。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用28（1）液冷式中冷器：豐田在8AR-FTS2.0T引擎上同樣用上了水冷式中冷器…豐田在8AR-FTS2.0T引擎上同樣用上了水冷式中冷器，水冷式中冷器也讓這臺2.0T引擎變得非常緊湊，（作為對比可以看看VWEA888的引擎）從渦輪到氣缸的歧管長度甚至不比一些NA引擎更長，這顯然對于解決渦輪遲滯問題有很大的幫助，同時進氣溫度更低，也帶來更好的引擎效率。加上這臺8AR-FTS引擎還擁有水冷式排氣歧管，進氣/排氣側的多余熱量都被回收利用，在冷車啟動期可以更快提升冷卻液溫度，使整臺引擎更快進入熱效率更高的工作溫度。這對于提升引擎熱效率，都是有益的，可謂一箭雙雕?？梢灶A見未來一段時期，采用液冷中冷的渦輪增壓發動機會越來越多。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用29圖6-12液冷式排氣歧管結合教材圖識別熱源、冷源、被控對象與關鍵閥口，沿介質流向判斷吸熱、放熱和回收路徑，再聯系環境溫度與車輛工況解釋控制器為何選擇這一工作模式。第六章傳統燃油車發動機熱管理應用30（2）液冷式排氣歧管：液冷式排氣歧管是發動機熱管理系統中的一個創新設計，它通過將…液冷式排氣歧管是發動機熱管理系統中的一個創新設計，它通過將排氣歧管與發動機的水冷系統集成，優化了熱效率和性能。在此設計中，排氣歧管被包裹在一個帶有冷卻液通道的水套中，使得高溫廢氣在通過排氣歧管時能與冷卻液進行熱交換。這種配置不僅加速了發動機達到理想工作溫度，提高了熱效率，而且有助于減少燃油消耗和排放污染。此外，降低廢氣溫度還可以減少渦輪增壓器的熱負荷，延長其使用壽命，并降低機油的熱衰退，從而保護引擎并延長其整體壽命。通過這種高效的熱管理策略，發動機在提供持續動力的同時，還能確保環境友好和經濟效益。其特征在于：具有鑄造成一體的排氣法蘭和水套，排氣法蘭位于水套的內側，排氣法蘭上設有用于與發動機缸蓋連接的連接孔；排氣法蘭上設有多個排氣口和多個進水口，該進水口與水套相連通；水套設有出水口，排氣法蘭上的進水口、水套上的出水口與發動機缸蓋的水套連通，構成冷卻回路。第六章傳統燃油車空調系統熱管理應用316.1.2傳統燃油車空調系統熱管理應用：本節知識結構從分區空調到座椅通風，理解整艙溫控與局部熱舒適的差異，比較風扇、空調冷風和半導體制冷方案的結構、能耗、噪聲與成本。第六章傳統燃油車空調系統熱管理應用321.分區空調：汽車的分區空調系統允許車內的不同區域獨立控制其溫度（圖6-…汽車的分區空調系統允許車內的不同區域獨立控制其溫度（圖6-13），為乘客提供個性化的舒適體驗。這項技術通過多個溫度控制單元和獨立的氣流分配通道，實現前后排乘客的溫度獨立調節。系統中的傳感器能夠檢測各個區域內的溫度，與中央控制系統協同工作，根據乘客的需求和外部環境條件自動調整溫度設置。例如，如果車輛的前部在陽光直射下變得較熱，系統會自動增加該區域的冷氣輸出，而后部乘客若感覺寒冷，則可以選擇增溫。第六章傳統燃油車空調系統熱管理應用33教材圖組：圖6-13分區空調技術｜圖6-14分區空調結構圖第六章傳統燃油車空調系統熱管理應用34其中雙區空調可以獨立調節車內左右兩側空調的溫度，而四區空調的前后排、左右側的溫…其中雙區空調可以獨立調節車內左右兩側空調的溫度，而四區空調的前后排、左右側的溫度都可以分別獨立調節。從原理來看，不同區域的溫度控制需要空調制冷系統和采暖系統的相互配合，由負責各個區域的溫度風門翻板控制的冷風和熱風混合比例，從而實現對該區域的溫度控制，再利用鼓風機將不同溫度的空氣從布置在車內復雜的風道，吹到各個出風口，從而實現汽車空調的溫度分區功能。而四區空調的結構則更為復雜，還需要在冷凝器之后的高壓管路中安裝1個三通接口、2個膨脹閥或節流管以及2個蒸發器，通風系統也會裝有多個鼓風機。由此可見，分區空調比一般的自動空調的內部結構要復雜得多，因而在制造工藝和制造成本上都要遠高于自動空調，直接會導致整車售價提高。此外，現代分區空調系統還配備了高級過濾和空氣凈化技術，能有效去除空氣中的塵埃、花粉和其他污染物，確保各區域空氣質量。通過智能算法，這些系統還可以預測乘客的偏好，自動調整空調設置，從而提高能效和乘坐舒適度。這種個性化的溫度控制不僅增加了駕乘的舒適性，還通過優化能源消耗幫助提高燃油效率，符合現代汽車設計的環保和高效能標準。第六章傳統燃油車空調系統熱管理應用352.座椅通風技術：座椅加熱是通過在座椅內布置加熱墊來實現，加熱墊很薄而且造型…座椅加熱是通過在座椅內布置加熱墊來實現，加熱墊很薄而且造型平整，增加后對座椅的舒服度幾乎沒有影響，不需要對座椅發泡重新設計改造，因此座椅加熱的成本比較低。而座椅通風需要設計額外的特殊結構來實現鼓風和通風需求，大大提升了結構的復雜性。常見的座椅通風技術有采用風扇、與空調冷風系統連接以及半導體制冷等多種。風扇式座椅通風（圖6-14）是僅在座椅內部安裝風扇，通過風扇向外吹風來給坐墊和靠背散熱降溫，這也是市面上主流的座椅通風配置。第六章傳統燃油車空調系統熱管理應用36教材圖組：圖6-15座椅通風風扇｜圖6-16利用空調冷風的座椅通風第六章傳統燃油車空調系統熱管理應用37然而夏天車內溫度可能達到50~60℃，僅憑風扇無法達到用戶的shiyo那個需求。因此，部分高端的車型還將座椅與空調系統相連接，將冷風傳輸到座椅內部實現快速降溫。這種空調座椅的隆溫效果還是非常明顯的，座椅通風運行5分鐘可以使座椅表面溫度降低15℃左右。但這一種設計需要額外的管路設計，且可能會對底盤平臺做出改動。基于風扇和空調制冷的座椅通風已經滿足了大部分用戶需求，但不少座椅還是會產生通風效果差、風扇振動噪音和降溫效率低等問題。面對這種情況可以采用半導體制冷技術改善這一問題。該技術在制冷時無機械運動，不產生噪音，同時體積小，非常適用于汽車座椅內的狹小空間。第六章傳統燃油車空調系統熱管理應用38教材圖組：圖6-17半導體制冷｜圖6-18半導體制冷座椅通風模塊第六章傳統燃油車整車熱管理應用396.1傳統燃油車整車熱管理應用小結：結構變化最終要落到能效與性能燃油車熱管理的核心矛盾是冷啟動階段需要減少散熱、快速升溫，高負荷階段又需要增強散熱?？煽厮?、旋轉閥和集成排氣歧管讓冷卻液按工況分配；分區空調和座椅局部調節則用更精準的熱量投放改善舒適性。第六章純電動汽車整車熱管理應用406.2純電動汽車整車熱管理應用：整車層面的核心邏輯純電動車失去發動機余熱，同時增加動力電池、電機和電控的溫控需求。整車必須在?30～40℃環境中兼顧安全、動力、快充、續航和舒適性。本節以ModelS、Model3和ModelY為案例，展示從獨立回路、余熱利用到熱泵與八通閥集成的發展路徑。第六章純電動車使用溫度范圍416.2.1純電動車使用溫度范圍：本節知識結構先確定整車環境邊界，再討論系統能力。教材以?30℃和40℃作為典型設計邊界，并允許超出范圍時通過功率限制保護整車。第六章純電動車使用溫度范圍42純電動車的性能會受到使用環境溫度的顯著影響，特別是在最大輸出功率和續駛里程等方…純電動車的性能會受到使用環境溫度的顯著影響，特別是在最大輸出功率和續駛里程等方面。通常情況下，電動車在常溫（約25℃）環境下表現最佳，在這一溫度下，電動車可以實現最大功率輸出，超級快充的速度也最快，整車的標稱續駛里程通常也都是在此溫度下測試得出的。然而，當環境溫度升高至高溫區時，如果熱管理系統設計不完善，電池可能會因自身發熱而過熱，從而觸發電池的保護機制。在這種情況下，電池管理系統可能會限制電池的輸出功率，甚至切斷電池供電，以確保整車的安全運行。相反，在低溫環境下，鋰電池的化學活性降低，電子遷移速度受限，電池的輸出能力可能無法達到最大功率輸出，甚至部分電能無法有效釋放，成為所謂的“死區”電量。這會導致在低溫環境下，整車的車速和續駛里程明顯下降。因此，為確保車輛在各種環境下的穩定性和安全性，合理限定整車的使用溫度范圍是十分必要的，尤其是在熱管理系統的設計過程中，必須考慮到電池在不同溫度條件下的表現和需求。第六章純電動車使用溫度范圍43我國幅員遼闊，南北緯度跨度大，氣候差異也十分顯著。北方的冬季氣溫往往比南方低得多。例如，某年北方各省會城市（自治區首府）的極端低溫分別為：北京-19.6℃，天津-19.2℃，呼和浩特-29.7℃，濟南-18.3℃，石家莊-12.3℃，沈陽-21.6℃，長春-25℃，哈爾濱-30℃。在黑龍江漠河市、黑河市以及內蒙古牙克石市等寒區，極端低溫曾低至-40℃以下，尤其是在清晨時段。然而，這種極端低溫往往只會持續在冬季的極少數時刻，一旦陽光出現，氣溫便會迅速回升。因此，在正常使用條件下，整車很難長期暴露于如此極端的低溫環境。第六章純電動車使用溫度范圍44如果以這些極端低溫作為整車設計工況，那么熱管理系統的整體能力、體積和質量將大大…如果以這些極端低溫作為整車設計工況，那么熱管理系統的整體能力、體積和質量將大大增加，這與整車輕量化設計的要求相矛盾。而且，絕大多數時間，車輛運行環境的溫度遠高于極端低溫，因此并不需要如此強大的熱管理系統。通常，-30℃作為整車設計的最低使用溫度是較為合理的，它能夠保證在全國大部分大城市正常使用電動車。因此，新能源汽車的熱管理系統應確保在-30℃條件下，整車的基本性能不受影響，如最高車速、最大輸出功率和充電功率等應當不受限（低溫保護）。然而，整車的續駛里程在低溫環境下可能會有所下降，這是因為熱管理系統的運行會消耗一定的電量。對于長期在低于-30℃的環境下運行的車輛，應允許整車的主要性能出現一定程度的下降，例如輸出功率受限、最高車速降低等，以確保整車的安全性和穩定性。第六章純電動車使用溫度范圍45整車設計的高溫工況應當基于南方的極端高溫環境來確定。雖然南方一些城市如?？?、三亞、廣州和深圳等地的夏季持續高溫時間較長，但這些城市的極端高溫通常不如長江中下游的內陸城市，如重慶、武漢、南昌等地的高溫更為嚴酷。長江中下游的內陸城市的極端高溫通常會達到40℃左右，而且這種高溫天氣通常會持續較長時間，約4小時左右，一般出現在12:00到16:00之間。這個時段是汽車使用頻繁的時段，因此在設計新能源汽車時，必須特別考慮到這一高溫工況。因此，以40℃作為新能源汽車的高溫設計工況是較為合理的。在此溫度條件下，整車的熱管理系統應確保各個系統都能在最佳狀態下運行，不出現由于溫度過高而觸發的保護機制，避免因過熱引發車速受限、充電時間延長等問題。第六章純電動車使用溫度范圍46綜上所述，新能源汽車，尤其是電動車，應該確保在-30℃到40℃的環境溫度范圍內…綜上所述，新能源汽車，尤其是電動車，應該確保在-30℃到40℃的環境溫度范圍內，整車的主要性能不會受到顯著影響。然而，由于熱管理系統在運作時會消耗一定的電能，因此允許整車續駛里程在低溫或高溫環境下相對于25℃環境有所下降。對于超過-30℃至40℃這一環境溫度范圍的情況，允許整車性能出現一定程度的下降，以確保系統的安全性和穩定性。第六章三電系統對熱管理系統的要求476.2.2三電系統對熱管理系統的要求：本節知識結構電池關注0～45℃、溫差與熱失控，電機電控關注絕緣耐溫和持續散熱。冷卻方式要與熱流密度、絕緣、流阻、能耗和整車集成相匹配。第六章三電系統對熱管理系統的要求48在電池包的熱管理設計中，由于電池在使用過程中會隨著不同運行條件動態地產生熱量并…在電池包的熱管理設計中，由于電池在使用過程中會隨著不同運行條件動態地產生熱量并向外部散熱或吸收熱量，因此，電池包的隔熱、散熱條件和熱容等因素對溫度分布有著重要影響。然而，在某些工況下，這些因素的要求可能會相互矛盾，不同的設計理念會提出不同的要求，因此并不能一概而論。首先，確保電池包內任何部位不出現熱失控現象是至關重要的。電池包內部的溫度一旦超過100℃，就有可能引發熱失控反應，進而觸發連鎖化學反應，產生大量不受控制的熱量，導致溫度迅速升高，最終可能引發起火、爆炸等嚴重安全事故。因此，電池包必須具備較好的導熱性和較大的熱容，即使在內部某些部分產生不均勻的發熱，也應能有效分散和傳導熱量，防止局部溫度迅速升高，確保整體系統的安全。第六章三電系統對熱管理系統的要求49為了延長電池包的使用壽命，熱管理系統應確保電池包內部的溫度均勻，各電芯之間的溫…為了延長電池包的使用壽命，熱管理系統應確保電池包內部的溫度均勻，各電芯之間的溫差應控制在5℃以內。電池包的平均溫度應低于45℃，否則可能導致電芯出現不可逆的容量損失，這會大幅縮短電池的使用壽命。為了實現這一目標，電池包可以采用不同的冷卻方式。不同的冷卻方式對電池包結構的散熱要求有所不同。采用被動散熱方式的電池包，通常要求其結構具有較大的散熱能力，以有效地通過外部環境散熱。而采用主動冷卻系統的電池包，則通常需要具有較好的隔熱性能，以避免外部熱量進入，從而更好地保證內部溫度的控制。低溫環境下，動力電池的性能會顯著下降，導致電池的活性降低，甚至無法達到額定輸出功率，從而影響整車的動力性能。尤其在電芯溫度過低的情況下，動力電池無法實現大電流快充，會直接影響乘客的用車體驗。通常，動力電池在0℃至45℃的溫度范圍內能夠保持最佳的工作狀態，支持快充和大電流功率輸出。因此，在寒冷的環境中，電池溫度管理系統需要具備加熱功能，確保電池在低溫下仍能保持良好的性能。第六章三電系統對熱管理系統的要求50例如，在-30℃的低溫環境下，電池管理系統應能迅速將電池包的溫度升高到0℃以上…例如，在-30℃的低溫環境下，電池管理系統應能迅速將電池包的溫度升高到0℃以上，甚至盡量接近15℃，確保電池包保持在最佳的使用狀態。在這種使用工況下，電池包的熱容應適當控制，以便快速升溫，同時盡量減少電池包的結構散熱量，從而提高加熱效率，保證電池的工作溫度處于理想區間。如本書前部章節所述，電池包的熱管理方式包括自然冷卻、強制風冷、液冷（也可加熱）和直冷等幾種形式。目前，市場上自然冷卻和強制風冷技術已逐漸被淘汰，除非是在對性能要求較低、對成本控制較為嚴格的車型中，仍有少部分車型使用這些冷卻技術。當前，液冷技術已成為電池包溫度管理的主流技術，少數高端車型則開始采用電池直冷技術。第六章三電系統對熱管理系統的要求51從理論上講，電池直冷技術具有許多優勢，如溫度分布均勻、換熱效率高、控制響應迅速…從理論上講，電池直冷技術具有許多優勢，如溫度分布均勻、換熱效率高、控制響應迅速且能有效節省能源消耗。然而，由于該技術目前還存在一些技術不成熟的問題，導致其推廣受到一定限制。隨著技術的不斷發展，未來電池直冷技術有望克服這些問題，成為電池熱管理系統的主流技術，進一步提升電池包的性能和整車的使用體驗。新能源汽車的驅動電機主要有四種類型：感應異步電機、永磁無刷直流電機、開關磁阻電機和有刷電機，其中永磁無刷直流電機是最為常見且廣泛使用的電機類型。隨著技術的不斷進步，永磁無刷電機的機械效率通?？梢赃_到90%左右，意味著仍有約10%的電能轉化為熱能。該熱能主要集中在加熱電機繞組線圈等部位。如果這些熱量得不到有效散發，電機溫度將不斷升高，進而影響其性能和安全性。第六章三電系統對熱管理系統的要求52電機繞組的漆包線有一定的耐溫要求，通常使用F級絕緣材料，其耐溫上限為155℃。一旦超過這一溫度，繞組的絕緣層可能會破壞，導致線圈匝間短路，從而造成電機故障。因此，電機需要有效的散熱系統，以保持線圈溫度低于絕緣材料的耐溫極限，確保電機的穩定運行。與動力電池和座艙的溫控需求不同，電機和電控系統在低溫環境下通常不會出現性能問題，因此不需要加熱功能。然而，隨著電機功率和運行速度的增加，散熱變得尤為重要。當前，電機常用的冷卻方式包括結構自然散熱、強制風冷散熱、液冷和油冷。其中，結構自然散熱和強制風冷散熱目前主要應用于低端和低速車型。液冷技術是目前最常見的電機散熱方式，而少數高性能新能源汽車開始采用油冷系統。電機液冷通常采用50%乙二醇和50%水的混合物作為冷卻介質。盡管這種冷卻液本身不具備導電性，但它在與金屬接觸過程中容易攜帶帶電離子，因此具有一定的導電性。為了避免與電機高壓定子線圈直接接觸，冷卻液通常只能與電機定子線圈外部的機殼進行熱交換。其熱傳導途徑為：定子線圈→絕緣材料→機殼→冷卻液。這種傳熱路徑的熱阻較大，因此，在電機不進行長時間或大功率運行的情況下，這種冷卻方式依然有效。第六章三電系統對熱管理系統的要求53需要注意的是，電機液冷系統的冷卻液流量通常不超過20L/min，且散熱后的回…需要注意的是，電機液冷系統的冷卻液流量通常不超過20L/min，且散熱后的回水溫度不得超過65℃，以保證系統的高效散熱和電機的正常運行。由于液冷電機并不直接冷卻電機繞組線圈，因此其散熱效果有限，特別是在長時間、大電流運行的工況下，電機線圈的溫升會較快，可能無法有效保持低溫，影響電機的長期穩定性和性能。為了解決這一問題，油冷電機通常作為大功率或長時間運行電機的冷卻方案。油冷電機通過使用專門的冷卻介質，如自動變速箱油（ATF），來直接冷卻電機的高壓線圈。ATF油具有良好的潤滑性、散熱性和傳動性能，其黏性系數較低，流動性較好，能夠有效帶走電機產生的熱量。此外，ATF油還具有防銹、防氧化的特性，并且具備良好的絕緣性能，因此能夠直接噴灑到電機高壓線圈上，帶走線圈產生的熱量，從而實現高效散熱。然而，隨著高壓線圈的溫度升高，ATF油的溫度也會隨之上升。為了確保油冷系統的長期穩定性和有效性，必須對ATF油進行冷卻。針對這一需求，通常有兩種油冷卻方式：第六章三電系統對熱管理系統的要求54外部空氣冷卻：在油冷電機的前端模塊設置油冷器，利用外部空氣流動來降低ATF油的溫度。通過風扇或自然風冷卻的方式，可以帶走油中的熱量，降低油溫。這種方法簡單、直接，適用于大部分車型，特別是在溫度較高的環境中運行時。熱交換冷卻：通過設置油與冷卻液的板式換熱器，將油中的熱量傳遞給冷卻液，從而降低油溫。冷卻液通過板式換熱器吸收ATF油的熱量，再通過其他途徑（如液冷系統）帶走熱量。這種冷卻方式更加高效，尤其適用于需要回收電機余熱的熱管理系統。第六章乘員艙舒適性對熱管理系統的要求556.2.3乘員艙舒適性對熱管理系統的要求：本節知識結構座艙目標約23℃，在40℃環境需約5kW制冷、?30℃環境需約7kW制熱。比較PTC、電機堵轉余熱和空氣源熱泵，并理解單一模式向組合模式演進。第六章乘員艙舒適性對熱管理系統的要求56純電動汽車的乘員艙舒適性要求與傳統燃油車基本相同，主要體現在空調系統的多功能性…純電動汽車的乘員艙舒適性要求與傳統燃油車基本相同，主要體現在空調系統的多功能性和高效性上。為了保證乘員艙的舒適性，空調系統需要具備通風、內外循環、加熱、冷卻等多種功能，以適應不同環境下的溫度變化。除此之外，為了確保駕駛員的安全，空調系統還必須具備除霜和除霧功能，避免前風擋玻璃出現結霜或起霧現象，從而影響駕駛員的視野。根據整車設計的使用環境溫度范圍（-30℃至40℃），空調系統需要在這個范圍內提供穩定的溫度調節能力，以確保乘員艙的舒適性。人體的舒適溫度是一個主觀感受，會因個體差異而有所不同，受到年齡、性別、健康狀況和地域等因素的影響。然而，在大多數情況下，將座艙的溫度維持在23℃左右能夠滿足絕大多數人的舒適要求。第六章乘員艙舒適性對熱管理系統的要求57因此，空調系統的設計目標通常是能夠將乘員艙的平均溫度穩定在23℃。在實際使用中，空調系統需要根據外界環境溫度的變化來提供相應的制熱或制冷能力。例如，在40℃的高溫環境下，空調系統需要提供約5kW的制冷量，以保持艙內溫度的舒適；而在-30℃的低溫環境下，空調系統需要提供約7kW的制熱量，以維持艙內溫度的穩定。第六章乘員艙舒適性對熱管理系統的要求58對于B級乘用車而言，這樣的空調系統需要具備高效的熱交換和能量管理能力，既能應對…對于B級乘用車而言，這樣的空調系統需要具備高效的熱交換和能量管理能力，既能應對夏季高溫，又能有效提供冬季取暖，確保四季均能維持舒適的車內環境。對于如何獲得熱源，新能源汽車目前有多種可供選擇的解決方案。一是利用PTC（正溫度系數的熱敏電阻）電加熱，包括直接加熱空氣和加熱冷卻液兩種形式；二是特斯拉在Model3和ModelY上采用的利用驅動電機堵轉來產生熱量加熱電機冷卻液，再利用電機冷卻液給乘員艙供暖，后面將會有詳細的介紹；三是采用空氣源熱泵的原理從周圍相對低溫的環境中吸收熱量。前兩種方案都是直接將高品位的電能轉化為熱能，其能源使用效率最高也就只能達到1，通常只有90%左右。當采用空氣源熱泵時，其能源使用效率會高出很多，在某些工況下甚至會達到3~4，可以非常明顯地節約能源。但空氣源熱泵的性能與所使用的制冷劑有很大的關系，并且環境溫度也會對能效比產生影響。通常來講，溫度越低，能效比越低。第六章乘員艙舒適性對熱管理系統的要求59為了實現上述乘員艙空調系統的功能和性能要求，純電動汽車的空調系統必須具備相應的…為了實現上述乘員艙空調系統的功能和性能要求，純電動汽車的空調系統必須具備相應的冷源和熱源。與傳統燃油車不同，燃油車通過發動機曲軸驅動機械式壓縮機來提供制冷，并利用發動機的余熱來提供熱源。然而，純電動車在純電運行模式下無法利用發動機的曲軸功率和余熱，因此必須考慮其他可用的冷源和熱源。通常情況下，純電動車采用蒸汽壓縮制冷方式來獲得冷源。這就要求配備電動壓縮機，而電動壓縮機是由驅動電機和驅動控制模塊專門提供動力來驅動壓縮機。相比其他類型的壓縮機，渦旋式壓縮機由于其運行平穩、容積效率高等一系列優點，已經成為電動壓縮機的主流技術，市場占有率超過95%。此外，還有少量的電動旋葉式壓縮機和滾動轉子式壓縮機，但這些技術尚未形成規模化生產。第六章乘員艙舒適性對熱管理系統的要求60在電動壓縮機的驅動系統中，永磁無刷直流電機（BLDC電機）因其高效能、可靠性和…在電動壓縮機的驅動系統中，永磁無刷直流電機（BLDC電機）因其高效能、可靠性和可控性優勢，已成為電動壓縮機的主流選擇。值得注意的是，現代電動壓縮機普遍采用低背壓結構。低背壓結構利用壓縮機低溫低壓的吸氣特性來冷卻驅動功率模塊和永磁無刷電機，從而保證壓縮機的高效運轉并防止過熱。正如前面所述，新能源汽車的動力電池、乘員艙、驅動電機和電控系統各自都有不同的熱管理需求。在電動車發展的初期，確實存在每個子系統獨立運行且互不干擾的情況。在這種配置下，熱管理系統通常會有以下幾種工作模式：①電機冷卻；②電池冷卻；③電池加熱；④乘員艙冷卻；⑤乘員艙加熱。第六章乘員艙舒適性對熱管理系統的要求61然而，隨著技術的發展，設計者們開始考慮將這些獨立的熱管理系統通過冷卻液回路進行…然而，隨著技術的發展，設計者們開始考慮將這些獨立的熱管理系統通過冷卻液回路進行連接，形成一個共享冷源和熱源的集成化熱管理系統，甚至可以實現余熱回收。通過這種集成化的系統設計，除了能實現上述五種單獨的功能外，還可以實現以下組合功能，以提升熱管理的效率和靈活性：①電池冷卻+電機冷卻；第六章乘員艙舒適性對熱管理系統的要求62②乘員艙冷卻+電機冷卻；③乘員艙冷卻+電池冷卻；第六章乘員艙舒適性對熱管理系統的要求63④乘員艙冷卻+電池冷卻+電機冷卻；⑤乘員艙加熱+電池冷卻；第六章乘員艙舒適性對熱管理系統的要求64⑥乘員艙加熱+電機冷卻；⑦乘員艙加熱+電池冷卻+電機冷卻；第六章乘員艙舒適性對熱管理系統的要求65⑧乘員艙加熱+電池加熱。此外，乘員艙加熱和電池加熱有多種方式可供選擇，包括PTC加熱、電機堵轉加熱和熱泵加熱。在某些工作條件下，熱泵加熱可能需要與PTC加熱相結合，以滿足特定環境下的加熱需求。因此，熱管理系統在實際運行中可能會涉及多種運行模式的組合，確保整車在不同工況下都能實現高效的熱管理。第六章典型純電車熱管理應用666.2.4典型純電車熱管理應用：本節知識結構沿ModelS—Model3—ModelY的時間線學習：PTC與分立回路、Superbottle與電機余熱、熱泵與八通閥集成。重點追蹤不同模式下冷媒和冷卻液的流向。第六章典型純電車熱管理應用671.ModelS：ModelS（見圖6-18）是一款全尺寸、高性能的電動轎…ModelS（見圖6-18）是一款全尺寸、高性能的電動轎車，提供了多種不同的配置選項，滿足不同消費者的需求。無論是基礎版還是高配版，所有車型都標配了Autopilot自動駕駛系統，這不僅增強了駕駛安全性，還提高了駕駛的便利性，特別是在高速公路上，能夠有效減少駕駛員的操作負擔。在性能方面，最高配版本的ModelS配備了100kWh的大容量電池包，提供了充足的電能支持，確保車輛具有較長的續航里程。車輛還采用了前后雙電機的全時四輪驅動系統，能夠實現高效的動力分配，無論是在高速行駛還是復雜路況下，都能保證卓越的動力性能和卓越的穩定性。此外，ModelS還配備了先進的超級快充技術，支持高功率快速充電功能。在理想條件下，該車能夠在1小時內將電池充滿，為長途駕駛提供了極大的便利，減少了因充電而產生的停留時間，極大提升了電動車在長途行駛中的實用性和續航能力。通過這樣的技術創新，ModelS不僅成為性能卓越的電動轎車，還在充電便捷性上走在了行業的前沿。第六章典型純電車熱管理應用68圖6-19ModelS結合教材圖識別熱源、冷源、被控對象與關鍵閥口，沿介質流向判斷吸熱、放熱和回收路徑，再聯系環境溫度與車輛工況解釋控制器為何選擇這一工作模式。第六章典型純電車熱管理應用69由于ModelS的開發較早，盡管它配備了熱管理系統，能夠實現乘員艙溫控、電池…由于ModelS的開發較早，盡管它配備了熱管理系統，能夠實現乘員艙溫控、電池冷卻與加熱，以及電機和電控系統的冷卻等基本功能，但該系統并未采用熱泵技術或余熱回收等更為先進的節能手段。圖6-19展示了ModelS熱管理系統的完整原理圖。整個熱管理系統可大致分為兩大部分：制冷劑系統和冷卻液系統。制冷劑系統主要負責乘員艙的制冷，并冷卻電池冷卻液，確保電池在適宜的溫度范圍內運行。冷卻液系統則主要負責電機和電控系統的冷卻，同時也負責動力電池的冷卻與加熱。通過這兩套系統的協同工作，ModelS能夠在不同的工況下維持各個系統的溫度穩定，確保整車的高效運轉和舒適性。盡管ModelS的熱管理系統在當時提供了較為全面的溫控解決方案，但隨著技術的進步，現代電動汽車越來越多地采用了熱泵和余熱回收等更加高效的技術，以提高能源利用效率并減少能源消耗。因此，雖然ModelS的熱管理系統在其時代具備一定的前瞻性，但在當前的電動汽車熱管理技術中，它仍存在一定的改進空間。第六章典型純電車熱管理應用70圖6-20ModelS熱管理系統原理圖結合教材圖識別熱源、冷源、被控對象與關鍵閥口，沿介質流向判斷吸熱、放熱和回收路徑，再聯系環境溫度與車輛工況解釋控制器為何選擇這一工作模式。第六章典型純電車熱管理應用71乘員艙熱管理系統可細分為冷卻、加熱、除霧和除霜等功能。其中，乘員艙的冷卻功能通過R134a的蒸汽壓縮制冷系統實現，確保在高溫環境下車內溫度保持舒適。加熱功能則依賴于布置在HVAC（供暖、通風與空調）總成中的空氣PTC加熱器。當外部氣溫較低時，PTC加熱器能夠有效提升車內溫度，確保乘客舒適。此外，ModelS的空調系統還具備除霜和除霧功能，以避免駕駛時出現因溫差造成的視野障礙。需要特別指出的是，由于整車布局的原因，車外的換熱器被設計為兩個串聯的小型換熱器，并巧妙地布置在兩個大燈后方，以節省空間并提高散熱效率。第六章典型純電車熱管理應用72ModelS的電池包由18650型電池芯組成，采用鎳鈷鋁三元電池，具有較高的…ModelS的電池包由18650型電池芯組成，采用鎳鈷鋁三元電池，具有較高的能量密度，確保較長的續航里程。然而，這種高能量密度也對電池的溫度控制提出了更為嚴格的要求。因此，電池包使用了液冷系統，通過蛇形液冷板實現對每個圓形電池芯的有效冷卻與加熱。其冷卻原理如圖6-20所示，通過冷卻液的循環流動，確保電池始終保持在最佳的工作溫度范圍內。電池包的加熱功能通過專用的水PTC加熱器來實現，確保在低溫環境下電池能夠迅速升溫至適宜的工作溫度。而在電池冷卻方面，系統主要依靠R134a制冷劑蒸發冷卻冷卻液，經過chiller處理后，冷卻液通過水泵被輸送到電池包進行冷卻。當外界環境溫度明顯低于電池包溫度時，系統通過四通閥和三通閥的配合調節，將電池包的冷卻液與電機的冷卻循環串聯，利用低溫散熱器給電池降溫。這種設計使得ModelS能夠在不同溫度條件下，靈活調節熱管理系統，確保電池、乘員艙和電機始終處于理想的溫度范圍，保證整車的高效性能與安全性。第六章典型純電車熱管理應用73圖6-21ModelS電池包冷卻原理示意圖結合教材圖識別熱源、冷源、被控對象與關鍵閥口，沿介質流向判斷吸熱、放熱和回收路徑，再聯系環境溫度與車輛工況解釋控制器為何選擇這一工作模式。第六章典型純電車熱管理應用74ModelS的熱管理系統在低溫環境下的制熱完全依賴于PTC加熱器。雖然這種方式能夠有效保證乘員艙的舒適性和電池、電機在低溫環境中的正常工作，但其缺點是能耗較高，特別是在寒冷天氣下，使用PTC加熱器會導致整車能耗迅速上升，從而顯著降低續駛里程。PTC加熱器通過電能轉化為熱能直接加熱空氣，雖然效率較高，但在低溫條件下消耗大量的電池電量，進而影響電動車的續航表現。第六章典型純電車熱管理應用752.Model3：Model3是特斯拉于2018年推出的中型三廂轎車，相較…Model3是特斯拉于2018年推出的中型三廂轎車，相較于之前的ModelS，Model3在熱管理系統上做出了顯著的創新和優化。這些創新旨在提高整體能效、提升續駛里程并優化乘員艙的舒適性。其系統原理如圖6-21所示。在Model3的熱管理系統中，制冷、加熱、冷卻等功能都通過液冷系統和熱泵技術實現，特別是在電池管理方面，系統通過液冷來維持電池的理想工作溫度，從而確保電池的最佳性能和較長的使用壽命。此外，電機和電控系統的冷卻也得到了優化，采用了先進的冷卻液循環技術來有效分配熱量，保證這些關鍵部件的穩定工作。第六章典型純電車熱管理應用76圖6-22Model3熱管理系統原理圖結合教材圖識別熱源、冷源、被控對象與關鍵閥口，沿介質流向判斷吸熱、放熱和回收路徑，再聯系環境溫度與車輛工況解釋控制器為何選擇這一工作模式。第六章典型純電車熱管理應用77從Model3的熱管理系統原理圖可以看出，盡管制冷劑系統在設計上并未發生顯著…從Model3的熱管理系統原理圖可以看出，盡管制冷劑系統在設計上并未發生顯著變化，依舊使用單一制冷功能來降溫乘員艙并冷卻電池冷卻液，但在冷卻液系統方面，特斯拉進行了顯著的創新和優化，提升了系統的效率和靈活性。具體的變化有以下幾點：第六章典型純電車熱管理應用78取消水加熱PTC：在Model3的設計中，取消了傳統的水加熱PTC系統，這一傳統系統通常用于在低溫環境下為電池加熱。取而代之的是，Model3完全依賴電機的余熱來實現電池的加熱。這種設計不僅減少了對額外加熱裝置的依賴，還提升了能效，避免了傳統加熱系統可能帶來的能量浪費。引入Superbottle系統：Superbottle是一種創新的五向控制閥系統，通過電控調節液路的流向，實現電池溫度管理系統與電機電控冷卻系統的統一管理。這個系統能夠根據不同的需求靈活切換，比如，當電池需要散熱時，Superbottle會允許冷卻液流向低溫散熱器；而當電池需要加熱時，它能利用電機余熱或者主動加熱電機來為電池提供所需的熱量。通過這種方式，Superbottle不僅提升了熱管理系統的整體效率，也減少了系統的復雜性和重量。第六章典型純電車熱管理應用79電機余熱與電池加熱：與傳統的電池加熱方式不同，Model3通過電機余熱來為電池加熱。當電機的熱量足夠時，熱量會通過冷卻液流向電池系統。如果在某些情況下，電機余熱不足以滿足加熱需求，Model3還可通過電機的堵轉模式主動增加電機的熱量輸出，從而為電池提供更多熱能。綜上所述，Model3的熱管理系統通過取消水加熱PTC、引入Superbottle控制閥和優化電機余熱利用，顯著提升了系統的綜合效率。這些改進有效減少了能量消耗、提高了熱管理系統的靈活性和響應速度，同時也有助于延長電池和電機的使用壽命。通過這一系列創新，Model3不僅實現了更高效的溫控管理，還提升了車輛在不同環境下的續航表現和舒適性。第六章典型純電車熱管理應用803.ModelY：ModelY是特斯拉于2020年推出的緊湊型SUV車型，…ModelY是特斯拉于2020年推出的緊湊型SUV車型，其在熱管理系統方面做出了顯著的創新，尤其是在制熱和冷卻方面，首次引入了熱泵技術。相較于Model3，ModelY的熱管理系統具有更為顯著的改進和優化，提升了系統的效率，并有效減少了能量消耗。熱泵技術的引入：ModelY的熱管理系統最顯著的改進是采用了熱泵技術。與傳統的加熱方式不同，熱泵能夠通過從外界環境中提取熱量，為乘員艙加熱，在寒冷環境中表現尤其出色。熱泵系統既能為乘員艙提供加熱，也能夠在需要時進行制冷，因此它在溫控管理上非常高效。與室外側的熱交換是通過冷卻液進行的二次換熱，而與乘員艙的熱交換則直接與空氣進行，這大大提高了系統的靈活性和能效。第六章典型純電車熱管理應用81冷卻液與制冷劑的雙重換熱：由于引入了熱泵技術，ModelY的熱管理系統增加了制冷劑與冷卻液之間的熱交換功能。這使得整個熱管理系統能夠更高效地利用各個部件的熱量，并根據實際需求進行動態調節。為了實現這種熱量交換，特斯拉將傳統的五通閥升級為八通閥。八通閥可以更靈活地控制冷卻液流向，連接起電池包系統、電池包冷卻系統、電機電控系統和低溫散熱器系統，從而形成一個集成化的熱管理回路。多模式工作和高效能效：通過對八通閥、散熱器閥和兩個冷卻液泵的精確控制，ModelY的熱管理系統能夠根據不同的工況調整工作模式，確保不同部件的溫控需求都能得到有效滿足。熱泵的節能優勢：熱泵的使用顯著提高了寒冷氣候下的乘員艙加熱效率。在低溫環境下，傳統的加熱系統通常需要消耗大量電能，而熱泵則能夠以更低的能耗提供相同的加熱效果。這一改進有效減少了在寒冷天氣下的電能消耗，從而增加了整車的續駛里程，提升了車輛的整體能源利用效率。第六章典型純電車熱管理應用82圖6-23ModelY熱管理系統原理圖集成化設計帶來的優勢：ModelY的熱管理系統采用了集成化設計，結合了兩個水泵和八通閥的高效控制方式。這一設計不僅簡化了冷卻液回路的布局，還優化了熱管理的控制系統，降低了系統的復雜度和成本。通過這種方式，特斯拉進一步提升了熱管理系統的可靠性和耐用性，同時降低了生產和維護成本。其熱管理原理框圖如圖6-22和圖6-23所示第六章典型純電車熱管理應用83圖6-24ModelY熱管理系統原理圖（八通閥）結合教材圖識別熱源、冷源、被控對象與關鍵閥口，沿介質流向判斷吸熱、放熱和回收路徑，再聯系環境溫度與車輛工況解釋控制器為何選擇這一工作模式。第六章典型純電車熱管理應用84如圖6-23所示，在ModelY的單獨乘員艙制熱模式下，系統能夠根據電池溫度…如圖6-23所示，在ModelY的單獨乘員艙制熱模式下，系統能夠根據電池溫度的不同，靈活調整熱量的提供方式，以優化能效和確保舒適性。第六章典型純電車熱管理應用85（1）乘員艙單獨制熱模式：當電池溫度高于10°C時，熱泵系統能夠通過電池冷卻器從電池…當電池溫度高于10°C時，熱泵系統能夠通過電池冷卻器從電池和電機的循環回路中回收熱量，為乘員艙提供加熱。冷媒通過壓縮機后，依次經過電磁截止閥1、乘員艙冷凝器、電子膨脹閥2、氣液分離器，最終返回壓縮機，完成制熱循環。這一過程不僅提升了系統的能效，還能夠在較低的溫度條件下充分利用電池余熱。與此同時，冷卻液通過電池冷卻器與冷媒進行熱交換，之后流經八通閥水口8至2、電池包、八通閥水口1至3、電子水泵1、控制器及驅動單元、八通閥水口4至6、液冷冷凝器、膨脹水壺、八通閥水口5至7、電子水泵2，最終返回電池冷卻器。為了避免熱量損失，室外換熱器部分在這個過程中被八通閥遮蔽，確保系統的熱量保持最大化。若電池溫度較低，無法為乘員艙提供足夠的熱量，系統則主要依賴壓縮機做功來加熱乘員艙。在這種極端情況下，熱泵系統無法通過外部散熱器或電池冷卻器與冷卻液進行熱量交換。此時，電子膨脹閥2和電磁截止閥2都處于關閉狀態。冷媒經過壓縮機壓縮后，直接經過電磁截止閥1、乘員艙冷凝器、電子膨脹閥1、乘員艙蒸發器、氣液分離器，最后回到壓縮機，完成制熱循環。冷卻液循環保持與上述電池不提供熱量時一致，但在電池冷卻器處并不進行熱交換。第六章典型純電車熱管理應用86當外部環境溫度高于-10°C時，熱泵系統優先從外部環境中吸收熱量。在這種情況下，膨脹閥1會關閉，冷媒通過電池冷卻器吸收環境中的熱量。冷卻液通過八通閥控制的液路依次經過八通閥水口8至6、液冷冷凝器、膨脹水壺、室外散熱器、八通閥水口9至7、電子水泵2，最終返回電池冷卻器，形成完整的閉環。整個熱管理系統利用壓縮機的電功率和電池回路的熱量，實現了顯著高于1的系統性能系數（COP）。在低溫環境下，即使電池溫度較低，熱泵系統仍能有效地為乘員艙加熱，保證乘員的舒適性，同時通過高效的熱量回收和循環，最大程度地減少能耗，提高續航能力。第六章典型純電車熱管理應用87（2）乘員艙和電池同時加熱模式：通常電池包的溫度會高于外界環境溫度。通常電池包的溫度會高于外界環境溫度。然而，在極端情況下，當環境溫度降至-10℃以下時，電池的溫度也可能低于理想工作溫度，此時熱泵系統無法從外部環境中獲得足夠的熱量。為了在這種低溫環境下同時保持乘員艙的舒適性和為電池加熱，熱泵系統依賴壓縮機提供的功率進行加熱，此時系統的COP（性能系數）為1，即能效較低。第六章典型純電車熱管理應用88（2）乘員艙和電池同時加熱模式：從系統原理圖來看，冷媒在經過壓縮機加壓后，通過兩個截止閥（…從系統原理圖來看，冷媒在經過壓縮機加壓后，通過兩個截止閥（截止閥1和截止閥2）按比例分流。首先，部分冷媒通過乘員艙冷凝器進行加熱，另一部分則通過液冷冷凝器進行熱交換。兩路冷媒在電子膨脹閥1處匯合后，流經乘員艙蒸發器、氣液分離器，并最終回到壓縮機，完成一個制熱循環。在這一過程中，冷卻液依然在電池冷卻器處與冷媒進行熱交換。冷媒加熱冷卻液后，將熱量傳遞給電池包，從而保證電池在低溫環境下仍能保持合適的溫度。然而，在某些特殊情況下，如電池需要快速升溫（例如進行大電流充電時，電池溫度必須高于0℃才能確保安全充電），熱泵系統需要犧牲部分乘員艙的舒適性來確保電池的加熱。此時，熱泵會通過關閉截止閥1和電子膨脹閥1，打開電子膨脹閥2，保持冷卻液的循環不變，并啟用“快速加熱電池包模式”。這樣，冷卻液將繼續流動，直接向電池包傳遞熱量，迅速提升電池的溫度，使其達到能夠進行充電或大功率放電的狀態。第六章典型純電車熱管理應用89（3）乘員艙制熱與電池冷卻模式：這一工作模式通常出現在低溫環境下，尤其是在車輛進行大功率快…這一工作模式通常出現在低溫環境下，尤其是在車輛進行大功率快充時。由于快充時間較短，乘員往往需要在車內等待充電，因此乘員艙的制熱功能需要得到充分保障。在這種情況下，熱管理系統的冷媒流向與其他模式有所不同。具體工作原理如下：經過壓縮機加壓后的冷媒，會分為兩路。一部分冷媒經過乘員艙冷凝器，用于加熱乘員艙；另一部分則流經液冷冷凝器，隨后兩路冷媒會在電子膨脹閥2與電池冷卻器處匯合，并通過蒸發吸熱后，回流至壓縮機完成循環。同時，冷卻液的流動也被八通閥分成兩路。首先，經過電池冷卻器的冷卻液在冷媒的作用下被冷卻后，依次流經八通閥水口8至2，進入電池包，隨后通過八通閥水口1至7，進入電子水泵1，最終返回電池冷卻器，形成閉環循環。另一部分冷卻液經過液冷冷凝器，與電驅動系統和室外散熱器串聯，將多余的熱量排放至室外環境。特斯拉這一設計非常巧妙，既確保了乘員艙的舒適性，又有效管理了電池溫度。第六章典型純電車熱管理應用90（3）乘員艙制熱與電池冷卻模式：當乘員艙的制熱需求超過時，部分熱量通過液冷冷凝器被排放到室…當乘員艙的制熱需求超過時，部分熱量通過液冷冷凝器被排放到室外環境，這部分熱量不會影響電池包的溫控。而當乘員艙制熱需求不足時，系統會關閉截止閥2，使冷媒的所有熱量都集中供應給乘員艙冷凝器，從而增強制熱效果。此外，在一些情況下，當電池散熱能力不足時，八通閥可以調節冷卻液的流向，使其先經過室外換熱器，從而進一步降低循環水的溫度，幫助電池達到最佳工作狀態。第六章典型純電車熱管理應用91（4）余熱回收模式：特斯拉的熱管理系統展現了熱泵空調技術的獨特優勢和智能化控制…特斯拉的熱管理系統展現了熱泵空調技術的獨特優勢和智能化控制的高度應用。這一模式的核心思想是利用整車冗余的熱量進行存儲，并在下一次使用時加以釋放，幫助提高能效并延長續航。由于電池包對溫度非常敏感，通常會在其表面加裝較厚的保溫層，以確保電池溫度維持在一個穩定的范圍內。這一特性使得電池包成為理想的熱量存儲載體。特別是在冬季，車輛停車并且乘員離開后，乘員艙或電機內部依然可能會有一定的余熱殘留。此時，熱泵系統可以將這些殘余的熱量收集并存儲到電池包內。在這一工作模式下，乘員艙內部的制冷循環與普通制冷狀態類似，冷媒和冷卻液通過液冷冷凝器進行熱交換。冷卻液在八通閥的控制下，避免與外部環境的熱交換，即屏蔽了室外散熱器，防止熱量通過散熱器被釋放到外界。當車輛再次啟動時，電池包的溫度能夠保持在較高水平，熱泵系統便能夠有效地利用電池包中的余熱為乘員艙提供加熱。通過這一模式，特斯拉實現了在低溫環境下利用整車剩余熱量的再利用，不僅有效減少了能量消耗，還提升了車輛在寒冷天氣中的續航表現與舒適性。第六章典型純電車熱管理應用92（4）余熱回收模式：從特斯拉系列車型熱管理系統的發展歷程來看，主要體現出以下幾…從特斯拉系列車型熱管理系統的發展歷程來看，主要體現出以下幾個顯著特點：第六章典型純電車熱管理應用93多元化工作模式：特斯拉的整車熱管理系統服務于電機、電控系統、電池、輔助駕駛系統及乘員艙舒適性等多個方面，系統根據不同需求可以切換多種工作模式，適應不同的工況。集成化設計：特斯拉通過集成化設計的思路來簡化熱管理系統，降低成本，提高系統的技術含量。通過優化冷卻液回路、熱泵技術的引入等手段，使得熱管理系統更加緊湊高效。第六章典型純電車熱管理應用94注重能效與能耗管理：特斯拉逐漸意識到熱管理系統對能耗的影響，采用熱泵技術降低加熱過程中的能耗，尤其是在寒冷環境下，通過余熱回收和熱泵加熱的方式，提升了整體能效并延長了電動車的續航里程。第六章典型純電車熱管理應用95圖6-25小鵬P7的熱管理系統原理圖小鵬P7的熱管理系統采用了連通的水路設計，通過三通閥和四通閥實現水路的串聯與并聯模式。這種設計使得系統能夠根據不同工況靈活調整，優化各個部件的溫控效果。整個熱管理系統的框圖如圖6-24所示。第六章典型純電車熱管理應用964.小鵬P7：空調熱舒適性系統：空調熱舒適性系統：該系統主要負責車內的空調制熱、制冷、除濕、前擋玻璃除霧、車內溫度調節以及空氣循環的智能調節等功能，確保車主在不同氣候條件下的駕駛舒適性。電池加熱與冷卻系統：此系統采用一個四通換向閥和兩個三通比例閥，實現電池和電機回路的串聯與并聯。通過這些閥門的控制，系統可實現余熱回收和電池溫度管理功能。第六章典型純電車熱管理應用97在高溫環境下，系統通過電池換熱器，利用制冷劑強制冷卻電池。在中溫環境下，四通換向閥將電池回路與電機回路串聯，通過低溫散熱器進行散熱，從而節省電動壓縮機的能耗。第六章典型純電車熱管理應用98在低溫環境下，三通比例閥使低溫散熱器短路，電池和電機回路串聯，將電機余熱回收并…在低溫環境下，三通比例閥使低溫散熱器短路，電池和電機回路串聯，將電機余熱回收并傳遞給電池以保持電池溫度。在超低溫環境下，三通比例閥配合水水換熱器為電池回路加熱，實現快速升溫。第六章典型純電車熱管理應用99電驅冷卻系統：該系統通過電動水泵將冷卻液送至低溫散熱器，為電機控制器和電機提供散熱，確保電驅系統在高負載運行時的溫控。XPU和大屏主機散熱：根據溫度變化和溫升速率，系統自動控制電機水泵的開啟，將電機回路中的一部分冷卻液流向XPU和大屏主機的水冷板進行散熱，并通過散熱器或旁通系統將熱量排出。第六章典型純電車熱管理應用100補水排氣系統：通過膨脹水壺，系統為電池、電機和暖風回路提供補水功能，確保三個回路在運行過程中的液體充足。電池和電驅回路共用一個分水箱進行排氣，而暖風回路則有一個單獨的分水箱用于排氣。通過上述設計，整車熱管理系統能夠有效調節各個部件的溫度，確保電池、電驅系統及乘員艙在不同工況下的溫控需求，從而提高車輛的能效和駕駛體驗。第六章典型純電車熱管理應用101各個模塊的熱管理策略如下：第六章典型純電車熱管理應用102（1）電機冷卻控制：電機冷卻由VCU（VehicleControlUnit…電機冷卻由VCU（VehicleControlUnit，整車控制單元）控制。VCU通過判斷電機回路中某一器件溫度是否過高來啟動電機冷卻系統。系統會調節電機回路水泵的轉速和電子風扇的轉速，同時HVAC（Heating,Ventilation,andAirConditioning，空調系統）會調節三通比例水閥1的位置來控制散熱器的運行。開啟溫度值：第六章典型純電車熱管理應用103電機溫度高于75℃IPU（InverterPowerUnit，電機控制單…電機溫度高于75℃IPU（InverterPowerUnit，電機控制單元）溫度高于45℃第六章典型純電車熱管理應用104DCDC（DC-DCConverter，直流-直流轉換器）溫度高于60℃O…DCDC（DC-DCConverter，直流-直流轉換器）溫度高于60℃OBC（On-BoardCharger，車載充電器）溫度高于50℃第六章典型純電車熱管理應用105冷卻回路：電機回路水泵→電機系統→三通比例水閥1→散熱器/旁通→四通換向水閥→電機回路水泵第六章典型純電車熱管理應用106（2）電池冷卻系統：電池冷卻分為兩種模式：電池冷卻分為兩種模式：充電場景和行車場景。充電場景：BMS（BatteryManagementSystem，電池管理系統）根據電池的冷卻需求作出判斷，VCU確認是否滿足冷卻條件。HVAC會根據環境溫度、電池回路水溫和電機回路水溫判斷是否使用壓縮機冷卻，并驅動水閥和壓縮機，發出水泵和風扇請求。第六章典型純電車熱管理應用107冷卻回路：壓縮機→冷凝器→電子膨脹閥→電池換熱器→壓縮機在行車場景下，VCU再次判斷是否滿足電池冷卻條件，并根據環境溫度、電池回路水溫和電機回路水溫判斷是否使用壓縮機冷卻。通過驅動水閥和壓縮機，發出水泵和風扇請求。第六章典型純電車熱管理應用108冷卻回路：電池回路水泵→動力電池→水水換熱器→電池換熱器第六章典型純電車熱管理應用109（3）電池加熱系統：加熱需求判斷BMS根據電池狀態判斷是否存在加熱需求，VC…加熱需求判斷BMS根據電池狀態判斷是否存在加熱需求，VCU根據整車狀態發送高壓系統狀態信號，HVAC計算電池需要的水溫并啟動PTC加熱器和水泵。第六章典型純電車熱管理應用110加熱回路冷卻回路1：加熱回路冷卻回路1：電池回路水泵→水水換熱器→電池換熱器→動力電池→四通換向水閥→電池回路水泵第六章典型純電車熱管理應用111冷卻回路2：采暖回路水泵→水加熱PTC→三通比例水閥2→水水換熱器→采暖回路水泵第六章典型純電車熱管理應用112（4）電池熱平衡管理：當電池電芯的最高溫度與最低溫度差值過大，或電池回路水溫與電…當電池電芯的最高溫度與最低溫度差值過大，或電池回路水溫與電池的最高/最低溫度差值過大時，會導致冷熱沖擊，需開啟電池水泵進行電池熱平衡。冷卻回路：第六章典型純電車熱管理應用113電池回路水泵→動力電池→水水換熱器→電池換熱器→電池回路水泵第六章典型純電車熱管理應用114（5）電池與電機回路的聯合冷卻與熱回收：該部分包括電池LT冷卻、電池預冷和電機余熱回收三種策略。該部分包括電池LT冷卻、電池預冷和電機余熱回收三種策略。電池LT冷卻：當環境溫度低于25℃且電池溫度較高時，四通換向水閥會切換位置，將電池回路和電機回路串聯，利用散熱器給電池散熱，從而節能。第六章典型純電車熱管理應用115電池預冷：當電池溫度即將達到冷卻需求溫度時，散熱器會預先對電池進行冷卻。電機余熱回收：當電池溫度較低且電機回路水溫高于電池回路水溫時，電池和電機回路會串聯，利用電機回路溫度對電池進行加熱，使電池保持在適宜的工作溫度范圍內，達到節能的效果。第六章典型純電車熱管理應用116冷卻回路：四通換向水閥→電機回路水泵→電機系統→三通比例水閥1→散熱器/旁通→四通換向水閥→電池回路水泵→水水換熱器→電池換熱器→動力電池→四通換向水閥第六章典型純電車熱管理應用117通過這些熱管理策略，系統能夠實現多種工況下的動態溫控調節，確保電池、電機和其他…通過這些熱管理策略，系統能夠實現多種工況下的動態溫控調節，確保電池、電機和其他關鍵組件在最佳溫度范圍內運行，從而提高整車的性能和能效，延長使用壽命，并提升駕駛體驗。第六章純電動汽車整車熱管理應用1186.2純電動汽車整車熱管理應用小結：結構變化最終要落到能效與性能純電動車熱管理的主線是