《新能源汽车热管理系统设计》课件 第六章 集成热管理系统工作模式

热管理系统设计汽车河南科技大学车辆与交通工程学院NewEnergyVehicles新能源集成热管理系统工作模式高效协同

智能调控第6章第六章什么是集成热管理系统？通过整合电池、电机、及乘员舱等热管理需求，实现能量协同调控的智能系统。核心目标？保障电池最佳工作温度（25-40℃）电机散热优化乘员舱舒适性降低整车能耗，延长续航热管理系统控制策略设计对于提高新能源汽车的性能、安全性、能效和驾驶体验至关重要。随着新能源汽车技术的不断进步，热管理系统的设计和控制策略也在不断完善，以满足更加严格的性能和安全标准。第六章核心内容：1.直冷液冷两种系统的对比及工作模式2.特殊工况下的应对方案3.核心部件的控制方法4.集成热管理系统控制方法6.1常规模式-乘员舱独立制冷流经顺序：压缩机四通换向阀舱外换热器电子膨胀阀1舱内换热器四通换向阀压缩机6.1常规模式-乘员舱独立制热流经顺序：压缩机四通换向阀舱内换热器电子膨胀阀1舱外换热器四通换向阀压缩机6.1常规模式-动力电池独立制冷（液冷）流经顺序：制冷剂压缩机舱外换热器电子膨胀阀2板式换热器3（chiller）压缩机冷却液动力电池膨胀水箱板式换热器3（chiller）电子水泵2动力电池6.1常规模式-动力电池独立制热流经顺序：制冷剂压缩机板式换热器3（chiller）电子膨胀阀2舱外换热器压缩机冷却液动力电池膨胀水箱板式换热器3（chiller）电子水泵2动力电池6.1常规模式-电机独立冷却流经顺序：电机散热器膨胀水箱电子水泵1电机6.1常规模式-电机余热回收（用于极低温情况）流经顺序：制冷剂压缩机四通换向阀舱内换热器电子膨胀阀1舱外换热器四通换向阀压缩机冷却液电机板式换热器1膨胀水箱电子水泵1电机6.1常规模式-乘员舱电池集成制冷流经顺序：乘员舱：压缩机舱外换热器电子膨胀阀1舱内换热器压缩机电池：制冷剂：压缩机-舱外换热器-电子膨胀阀2-板式换热器3（chiller）-三通阀1-压缩机冷却液：电池-板式换热器3（chiller）-电子水泵2-电池6.1常规模式-乘员舱电池集成制热流经顺序：乘员舱：压缩机舱内换热器电子膨胀阀1舱外换热器压缩机电池：制冷剂：压缩机-三通阀1-板式换热器3（chiller）-电子膨胀阀2-舱外换热器-压缩机冷却液：电池-板式换热器3（chiller）-电子水泵2-电池6.1常规模式-余热型制热流经顺序：乘员舱：压缩机-舱内换热器-电子膨胀阀1-舱外换热器-压缩机电池：制冷剂：压缩机-舱内换热器-电子膨胀阀3-板式换热器2（chiller）-压缩机冷却液：电池-板式换热器2（chiller）-电子水泵2-电池电机：制冷剂：压缩机-舱内换热器-四通阀1-电子膨胀阀4-电磁阀5-四通阀2-压缩机冷却液：电机-板式换热器1-（chiller）-电子水泵1-电机6.1常规模式-动力电池加热流经顺序：电池：电池-膨胀水箱-四通阀4-四通阀3-电子水泵2-多路切换阀-电池电机：电机-板式换热器1-膨胀水箱-多路切换阀-电子水泵1-电机6.1常规模式-乘员舱制冷流经顺序：乘员舱：压缩机-舱外换热器-电子膨胀阀-舱内换热器-气液分离器-压缩机（最上方舱内换热器停止工作）6.1常规模式-乘员舱制热流经顺序：乘员舱：压缩机-舱内换热器-电子膨胀阀-板式换热器-气液分离器-压缩机电机：电机-板式换热器-水泵-电机此时"冷却液由电控和电机的排热加热"然后把热量转移到制冷剂中"作为制热的热源"实现热量再利用6.1常规模式-动力电池制冷（直冷）流经顺序：电池：压缩机-舱外换热器-电子膨胀阀-电池冷板（直冷）-气液分离器-压缩机6.1常规模式-动力电池制热流经顺序：电池：压缩机-电池冷板（直冷）-电子膨胀阀-板式换热器-气液分离器-压缩机电机：电机-板式换热器-电机6.2特殊工况-极寒工况（一）低温对动力电池性能的重大影响性能严重衰减-20°C

低温环境下，仅能输出60%左右电量。需要精确温度管理（动力电池高效工作温度范围为

15°C-35°C）（二）低温热管理系统的核心目标提升低温行驶性能延长动力电池使用寿命实现动力电池的快速加热外部加热法(技术相对成熟，易实现)1.间接加热：基于流体，对空气、液体或相变材料进行加热，间接加热动力电池。2.电热元件直接加热将加热元件（如PTC加热器、电热膜、帕尔贴元件）贴附在电池表面直接加热，结构紧凑，加热效率高。6.2特殊工况-极寒工况(一)PTC加热器预热系统按照系统热负荷计算需要的PTC总体数量。(二)电热膜预热方案核心特点：加热功率依靠加载的电压调节，调节范围宽。供电方式对比：串联供电：电路简单，但内阻差异会导致加热功率不均，对电热膜一致性要求高。并联供电：加热功率差异小，但线路复杂，成本较高。方案电热膜控制方式调压控制主要优点功率调节范围宽主要挑战电芯间温度均衡性6.2特殊工况-极寒工况(三)帕尔贴效应元件预热工作原理：基于热电效应，电流通过时一侧吸热、一侧放热，将放热面贴合电池实现加热。关键设计：需与导热硅胶、铝板紧密配合，并搭配散热装置以提升效率和控制温度。功率控制：通过调节电流大小和方向，实现精准的加热功率调节。供电方式对比：串联：电流相同，元件电阻差异导致功率不均。并联：电压相同，工作稳定可靠，相互影响小，但布线更复杂。方案帕尔贴效应元件预热控制方式调流控制主要优点控温精准主要挑战系统复杂、功率不均6.2特殊工况-极寒工况6.2特殊工况-极寒工况(四)液冷预热系统构成：液冷散热器、冷却液循环管路、热交换器、泵。核心挑战：控制复杂。如果液体循环系统的控制权限在整车控制器而不在BMS，通常需要充电机、整车控制器(VCU)和BMS三方协同控制。独特优势：热容量大，保温持久：预热后，冷却液可作为储热单元，停止循环即可长时间保温。提升续驶里程：续航提升效果显著(五)相变材料(PCM)预热工作原理：利用材料相变（如固-液）过程中吸收/释放大量潜热的特性。应用形式：将PCM填充于导热壳体中与电池接触。将电池直接浸泡在绝缘性良好的PCM中。系统特点：通常与其他热管理手段（风冷、热管）联合使用，由外部热源提供热量。相变材料本身是巨大的储热单元，预热后能长时间起到保温恒温作用。6.2特殊工况-极寒工况(六)热管预热工作原理：全封闭空间，工质在加热端蒸发吸热，在冷却端冷凝放热，利用相变实现极高效率的热量传递。微型热管特点：尺寸小（微米级），内部无吸液芯，依靠尖角毛细作用回流。核心角色：热管是被动的热量传递装置必须配合其他热管理装置。(七)激励交流电预热核心原理：利用小幅值交流电直接作用于电芯，通过短周期充放电激励电池内部电化学物质自身发热。显著优势：结构简单：无需额外加热元件。加热均匀、效率高潜在挑战：该技术对电池长期寿命的影响仍需进一步研究与验证。6.2特殊工况-极寒工况（九）高效双模热泵系统直接式热泵(专热专用)特点：在空调箱内置冷凝器，直接与舱内空气换热。优势：效率更高。间接式热泵(一热多用)特点：通过板式换热器，将制冷剂的热量传递给冷却液。优势：高温冷却液可连接多条回路。双模融合效能：在

-15°C

环境下无需PTC辅助，即可维持乘员舱舒适温度。大幅降低低温能耗，突破普通热泵

-10°C

的工作温度下限。（八）电机堵转技术预热核心原理：将电机绕组作为加热电阻使用，同时收集电机产生的废热给电池加热。工作模式：当乘员舱与电池同时有制热需求时，通过八通阀将电机与电池的冷却液回路串联。电机堵转产生大量热量，加热自身冷却液。冷却液流入电池循环系统，为电池快速加热。核心优势：能量高效利用：充分利用电机废热，减少额外能耗，有效提升续航里程。6.2特殊工况-极寒工况（十）三热源逐级加热热量“接力”四步流程：电驱生热：电机堵转控制算法，快速加热电驱系统冷却液。压缩机接力：优化控制策略，吸收电驱热量并叠加压缩机自身做功产生的热量。加热器汇聚：通过液冷冷凝器，将前两级热量汇聚至加热器回路。注入电池：通过九通阀控制，将汇聚后的全部热量导入电池回路，快速加热电池。（十一）三角循环痛点问题：超低温环境下，压缩机入口制冷剂易液化，引发液击风险，损坏压缩机且限制三角循环方案：通过改进系统回路，提高压缩机入口制冷剂温度。带来的优势：防止液击：保障压缩机安全运行。释放性能：允许压缩机运行在更高转速，从而显著提升系统整体制热量。6.2特殊工况-高温工况场景矛盾需求模式目标低温环境+

大功率快充（用户常在车内等待）。电池包：快充产生大量废热，急需冷却以防过热。乘员舱：低温环境下，用户需要制热以保障舒适性。一套系统，同时、独立、高效地满足电池冷却与乘员舱制热需求。（一）高温快充

核心挑战场景热负荷剧增潜在风险系统优先级热负荷与冷却能力的矛盾夏季、长时间高速行驶。电机、电池持续高功率运行，产生大量废热。电机永磁体退磁，性能下降。威胁三电系统（电池、电机、电控）

的安全性与可靠性。当冷却能力不足时，优先满足三电系统冷却需求，必要时牺牲乘员舱舒适性。（二）高温高速6.2特殊工况-高温工况（二）高温高速系统根据乘员舱需求，为电机冷却智能选择最高效的路径：模式一：独立散热模式触发条件：电机需冷却，且乘员舱无制热需求或热泵无法工作。执行策略：调节电磁三通阀，使电机冷却液流经低温散热器。效果：对电机回路降温。散热器冷却模式6.2特殊工况-高温工况（二）高温高速模式二：废热回收模式触发条件：电机需冷却，且乘员舱有制热需求（热泵工作）。执行策略：调节电磁三通阀，冷却液流经电机回路换热器。效果：将电机废热传递给热泵系统，用于加热乘员舱，实现能量高效回收利用。热泵制热模式6.2特殊工况温度平衡模式模式温度平衡模式触发条件与目标电无冷/热需求，但电芯间温差过大。系统执行策略水泵开启，旁通散热器，内部循环以使温度均匀6.2特殊工况低温冷却模式模式低温冷却模式触发条件与目标需冷却，且环境温度<电池温度。系统执行策略冷却液引入低温散热器，利用环境空气散热。6.2特殊工况-复合工况1.空调制热+电池制冷适用场景：冬季持续行驶快速充电空调制热+电池制冷6.2特殊工况-复合工况2.空调制冷+电池制热适用场景：实际中几乎没有使用机会。进入电池制热模式的条件是电池温度低于6℃，在这样的环境中一般不需要使用空调制冷。空调制冷+电池制热6.2特殊工况-复合工况3.空调制冷+电池制冷用于电池制热板式换热器以及空调制热的切换阀关闭。适用场景：高温夏季空调制冷+电池制冷6.2特殊工况-复合工况4.空调制热+电池制热用于冷凝器和电池制冷的切换阀和制冷用膨胀阀关闭。适用场景：冬季低温冷启动空调制热+电池制热6.3集成热管理系统控制策略传统热管理vs整车集成热管理：集成热管理需综合散热、加热、保温等措施，维持零部件适宜温度。场景复杂→热管理模式多、架构变化大→需模式切换控制策略满足实际需求。Tcab>Tcab_h→乘员舱独立制冷模式Tab<Tcab_l-乘员舱制热模式再结合电机出口冷却液温度Tmot_cTmot_c<Trwh_l→乘员舱独立制热Tmot_c>Trwh_l→电机余热回收制热6.3集成热管理系统控制策略Tbat>Tbat_h→电池独立制冷模式Tbat<Tbat_l→电池独立制热模式Tmot_c>Tmot_set→电机独立冷却模式6.3集成热管理系统控制策略系统部件控制策略-压缩机转速控制电动压缩机（PWM控制转速，动态匹配负荷）。作用：直接决定热管理系统的制冷/制热能力。开关控制：制冷模式：实际温度>目标温度→压缩机最高速运行；反之停止。制热模式：实际温度<目标温度→压缩机最高速运行；反之停止。核心：滞回比较器→避免温度小幅波动导致压缩机频繁启停。PID控制：输入：目标温度与实际温度的差值；输出：连续调节压缩机转速，使温度稳定在目标值附近。6.3集成热管理系统控制策略四类保护机制（保障压缩机异常时安全停机）：LIN/CAN通信保护：通信错误超时→停机，恢复后重启；过温保护：IGBT温度过高→停机，温度恢复后重启；过电流保护：输入电流超限→停机，避免IGBT损坏；过电压保护：高/低电压超限→停机，保护电器部件。电子膨胀阀优势：先进节流元件，响应极快（全闭→全开仅需几秒）；可控性强，可精准调节制冷剂流量，提升蒸发器换热效率与系统稳定性。目标过热度→与实际过热度求差→控制算法（PID/PI）→电子膨胀阀→蒸发器→反馈实际过热度。6.3集成热管理系统控制策略电子膨胀阀开度控制压力温度式采集蒸发器出口压力P1和温度T1，过热度=T1-TP1(TP1为P1对应的制冷剂饱和温度)双温度式采集蒸发器进出口温度T1、T2，过热度≈T1-T2(近似值，存在流阻误差)6.3集成热管理系统控制策略电子水泵特点：替代传统机械水泵，控温精度高，支持

PWM控制