混动汽车热管理系统的研究现状

摘要：随着新能源技术的崛起，混合动力汽车作为一种绿色、高效、节能的交通工具，逐渐受到了人们的青睐。热管理系统作为汽车关键的组成部分，对于保障车辆运行的稳定性和安全性发挥着至关重要的作用。文章从动力电池热管理、乘客舱热管理、发动机热管理和电驱系统冷却四个方面对混动汽车热管理技术进行系统性研究，全面了解其技术现状。关键词：新能源混合动力汽车热管理系统近年来，混合动力汽车在汽车产业中备受瞩目。它融合了传统汽车与纯电动汽车的优势，既可实现纯电动、零排放行驶，也能通过混动驱动增加车辆的续驶里程。由于混动汽车包含了多个动力源，使得其热管理系统相对复杂很多。本文对混动汽车热管理各个子系统的关键技术进行剖析，全面了解其研究现状与存在的挑战，以期对该领域的发展提供有益的参考。1混动汽车热管理结构混动汽车热管理系统包括电池热管理、乘客舱热管理、发动机热管理和电驱系统冷却，其系统原理如图1所示。电池热管理包含电池冷却和加热需求；乘客舱热管理主要包含制冷和采暖需求；发动机热管理系统包含冷却系统、润滑系统和进排2动力电池热管理动力电池热管理指在不同工况下保持电池组件的均匀温度分布，防止过冷或过热，从而确保电池工作时的安全稳定性。电池冷却的散热方式主要包含自然冷却、风冷、液冷、冷媒直冷和相变冷却2.1.1自然冷却自然冷却指在没有外部辅助冷却系统的情况下，依靠自然的热对流和散热来维持电池的适当温度，如图2(a)所示。这种被动的冷却方式散热效果差，易受环境温度影响。混动汽车通常涉及高功率密度和更高温度的工作条件，往往需要使用主动冷却系统来确保电池的性能和寿命。一些混动车型使用强制风冷的散热方式，其借助风扇等散热设备来加强空气流动，提高冷却效果，如图2(b)所示。相较于自然冷却，风冷的噪声和能耗也会目前多数混动汽车使用液冷系统进行电池冷却，其通过水泵驱动冷却液在电池内循环进行散热，如图2(c)所示。该方式相对于风冷散热效率高，均温性好但冷媒直冷是将空调回路的制冷剂引入电池内部蒸发器或直冷板中，通过吸热以达到冷却目的，如图2(d)所示。该方式散热效率高、响应速度快，但控制难度大、成本较高。目前，该技术主要应用于高性能混动汽车。2.1.5相变冷却相变冷却是一种利用相变材料(PCM)在相变过程中释放或吸收潜热的特性，对电池进行温度调节的技术。该技术结构简单、潜热量大且均温性好，但单一的PCM往往存在热导率低的缺点，需要加入导热增强材料以形成复合相变材料于研发阶段，随着技术的进步，其有望于热管理领域得到广泛应用。电池的加热方式主要有正温度系数热敏电阻(PTC)加热和余热回收两种，系统原理如图3所示。2.2.1PTC加热PTC是电池加热的核心部件，在低温环境下，PTC产生的热量通过液体在电池周围或内部循环，以提高电池温度。该方式原理简单且加热效率高，但会增加汽车2.2.2余热回收余热回收一种利用发动机或驱动系统在工作过程中产生的热量来加热电池的技术。首先，余热回收装置将发动机或电驱系统产生的热量收集起来，其后在低温环境下，传热介质将收集的热量传递给电池。余热回收是一种节能、环保的温度控制技术，但相比PTC加热，这种技术结构较复杂且成本较高。3乘客舱热管理乘客舱热管理不仅影响驾乘舒适性，也牵扯到能耗问题。如何在不同气候条件下实现高效的制冷和采暖，是其研究的关键。3.1乘客舱制冷传统空调制冷系统包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等部件。该系统是将有限的制冷剂封闭在制冷回路中，重复地将制冷剂压缩、冷凝、膨胀、蒸发，通过制冷剂的气液两相循环，对车内空气进行冷却[4]。这种系统结构简单，成本低，热泵系统是一种以逆循环的方式将热量从低温区转移到高温区的装置，其充分运用传统空调蒸发吸热和冷凝放热的过程，通过改变制冷剂的流动方向实现制冷和制热两种功能[5]。如图4所示，热泵制冷时，车外换热器为冷凝器，车内换热器为蒸发器。热泵空调压缩机将高温低压的气态制冷剂A,压缩成高温高压的液态制冷剂B,经过冷凝器放热后成为低温高压的液态制冷剂C;再通过膨胀阀，成为低温低压的气态制冷剂D;通过蒸发器与车内空气热交换，车内温度降低，制冷剂温度升高，成为高温低压的气态制冷剂A,进入下一轮制冷循环。如此往复，实现乘客舱制冷的目的。热泵技术具有能效比(COP)高、环保节能的特点，但其在传统空调上进行了结构调整，因而增加了一定的布置难度和成本[6]。3.2乘客舱采暖混动汽车的采暖方式主要包括PTC加热采暖、热泵采暖、余热采暖。3.2.1PTC加热该方式利用PTC产生的热量来加热空调系统的空气，从而为乘客舱提供暖气。其具有结构简单、加热速度快和热效率高的特点，但能耗较高。3.2.2热泵采暖热泵采暖是将车外冷空气中的热量转移到车内，从而提高车内温度。该方式受温度影响较大，通常在-15℃以上可实现较好的性能。在极寒环境下，其COP下降明显，往往需要与其他采暖方式配合使用以提升采暖效果[6]。3.2.3余热采暖发动机余热采暖是一种将发动机工作过程中产生的余热通过换热器传递到乘客舱，从而为乘客舱提供暖气的技术[7]。该技术节能、高效、环保，因而在汽车工业中得到广泛应用。此外，动力电池及驱动电机在工作过程中产生的余热也可以回收利用，用于乘客舱采暖。4发动机热管理系统发动机热管理系统包含冷却系统、润滑系统和进排气热管理系统，系统结构如图5所示。4.1冷却系统冷却系统包含发动机本体冷却和变速箱油冷。本体冷却指通过水泵驱动冷却液在发动机内循环流动，吸收其工作中产生的热量，然后通过散热器散发到空气中。变速箱油冷循环指通过冷却液对变速箱机油进行冷却。4.2润滑系统润滑系统是发动机热管理系统的关键部分，其通过机油泵将机油从油底壳中抽取出来，并将机油输送到发动机内部的各个部件，机油在各个部件之间形成一层油膜，以减少摩擦，同时将发动机和各个摩擦副产生的热量带走，随后机油传递到油底壳中，在油底壳中冷却后重新开始循环。4.3进排气热管理系统进气系统将新鲜空气输送到发动机中与燃油混合，以形成可燃混合气体。排气系统将发动机燃烧后的废气排到大气中。合适的进排气温度可以改善发动机的燃烧效率，降低排放，并减少催化器的热负荷，从而提高其转换效率。在增压发动机中，增压后的空气经过中冷器冷却后再进入气缸，可以提高进气量，增加空气密度。此外，废气再循环(EGR)系统将一部分废气增压后，通过中冷器降温重新送回缸内，降低废气燃烧温度可以减少氮氧化物(NOx)的生成，并提高发动机的燃油经济性。电驱系统在运行时会产生一定的热量，电驱系统过热将导致其性能下降、寿命缩短，严重的可能带来安全隐患。目前，混动汽车电驱系统冷却主要包括风冷和液冷技术。风冷系统通过风扇促进外部空气流动，对电驱回路进行散热。这种系统结构简单、成本低、重量轻且体积小，但冷却效果较差，因此适用于低功率密度或经济型5.2液冷液冷系统在混动车型中应用较多，其在电驱回路内布置冷却液循环管道，将热量传递到冷却液中，再通过散热器散发到环境中。这种技术能够使电驱系统在不同工况下都能保持相对稳定的温度。本文综合分析了混动汽车热管理系统的技术现状，强调了它们在提高汽车性能、增强能效、延长零部件寿命等方面的重要性。未来通过技术的不断创新和系统的不断优化，混动汽车将更好地适应能源环境的挑战，推动整个汽车行业朝着更加智能、[1]李嘉鑫，李鹏钊，王苗，等.锂离子电池热管理技术研究进展[J].过程工程学报，2023,23(8):1102-1117.[2]胡远志，罗毅.纯电动汽车制冷工况下电池直冷优化设计[J].重庆理工大学学报，2023,37(4):123-133.[3]孙玥，张冠华，陈凯盛，等.基于石蜡/月桂酸/膨胀石墨的软包锂离子电池控温性能[J].新能源进展，2023,11(05):457-463.[4]赵二庆.现代汽车空调压缩机工作性能与制冷作用试验研究[J].