汽车热管理 课件 第六章 整车热管理

汽车热管理第六章整车热管理1课程目标理解燃油车、纯电动车、混合动力车和燃料电池车的整车热管理架构掌握不同车型的热源、冷源、被控对象、循环回路和典型工作模式能够沿冷媒与冷却液流向分析ModelS、Model3、ModelY、Mirai等典型案例理解一体式热管理的目标、构建策略、系统组成与产业化难点2第六章学习主线3从部件温控上升到整车热量统筹本章不再孤立讨论压缩机、换热器、泵、阀和传感器，而是把它们放回整车回路。分析任一系统时，先识别热从哪里产生，再判断哪些部件必须保持在特定温度窗口，随后追踪热量通过空气、冷却液或制冷剂被输运、回收或排向环境的全过程。整车优化的关键不只是增加冷却能力，而是让有限的热源与冷源在正确时间服务正确对象。第六章整车总览4四类动力系统决定四种热管理矛盾燃油车拥有大量发动机余热，重点是冷启动暖机与高负荷散热；纯电动车没有稳定余热，重点是电池温控、低温制热与续航；混合动力车热源多但工作状态变化大，重点是模式协调；燃料电池车工作温度较低、散热温差小，重点是大流量冷却、水管理与废热利用。一体式热管理把这些矛盾统一转化为整车能量分配问题。第六章分析方法5用“对象—窗口—回路—模式—目标”读懂系统图对象：座舱、电池、电机、电控、发动机或电堆；窗口：各对象允许的最佳温度及安全边界；回路：冷媒、冷却液、空气和润滑油如何连接；模式：泵、阀、压缩机与风扇怎样随环境和负荷切换；目标：安全优先，同时平衡动力、能耗、舒适性和寿命。教材中的每张原理图都可沿这一顺序拆解，避免只记住管路而不了解控制逻辑。第六章传统燃油车整车热管理应用6在过去的章节中，我们已经详细探讨了燃油车和新能源车的热管理系统中各个部件的作用…在过去的章节中，我们已经详细探讨了燃油车和新能源车的热管理系统中各个部件的作用和配置，如冷暖空调系统、冷却系统和散热器的具体应用。这一章将从整车的角度出发，综合分析和比较不同类型汽车的热管理系统，包括燃油车、纯电动车、混合动力车和燃料电池车，旨在展示如何通过整车系统的优化来提高能效和乘坐舒适性。在探讨整车热管理时，我们将特别关注系统之间的相互作用和整合。随着技术的发展，一体式热管理系统越来越受到重视，它通过集成控制，将散热、冷却和空调系统合二为一，从而提高热效率，降低系统复杂性，并优化空间配置。这种系统不仅提升了发动机和电池的性能，还极大增强了乘客的舒适体验。本章将依次介绍各类型车辆热管理系统的设计理念、技术特点以及实际应用，重点分析一体式热管理系统如何在新一代车辆中实现更高的能源效率和更佳的环境适应性。通过对比不同车型的热管理策略，我们可以更全面地理解热管理系统在现代汽车工程中的核心地位及其对汽车性能的影响。第六章传统燃油车整车热管理应用76.1传统燃油车整车热管理应用：整车层面的核心逻辑传统燃油车的热管理以发动机冷却和乘员舱空调为主。发动机侧通过温控模块、电子水泵、旋转阀、EGR冷却、纵流冷却以及进排气热量利用，使冷机快速升温并在高负荷下降温；座舱侧通过分区空调、座椅通风和局部热舒适技术提高体验。第六章传统燃油车整车热管理应用8在前面的几个章节中已经重点介绍了传统燃油车热管理系统中的发动机热管理系统、通风…在前面的几个章节中已经重点介绍了传统燃油车热管理系统中的发动机热管理系统、通风系统、制冷系统、采暖系统等。本章节将详细探讨这些系统在整车层面上的综合应用，以及它们如何相互作用以提升整体车辆性能和乘客舒适度。通过分析具体的车型案例，我们可以更深入地理解热管理系统在实际驾驶环境中的表现及其对车辆性能的影响。第六章传统燃油车发动机热管理应用96.1.1传统燃油车发动机热管理应用：本节知识结构以大众EA211EVO和丰田DynamicForce为案例，观察温控模块、旋转阀、电子水泵、EGR冷却、纵流冷却和液冷进排气系统怎样改变暖机速度、爆震倾向、泵耗与排放。第六章传统燃油车发动机热管理应用10图6-1大众1.5LTSIEA211EVO发动机及其代表车型结合教材图识别热源、冷源、被控对象与关键阀口，沿介质流向判断吸热、放热和回收路径，再联系环境温度与车辆工况解释控制器为何选择这一工作模式。第六章传统燃油车发动机热管理应用111.大众1.5LTSIEA211EVO：大众的EA211发动机系列代表了汽车发动机技术的一次显著进…大众的EA211发动机系列代表了汽车发动机技术的一次显著进步。作为继EA111系列后的新一代发动机，EA211系列在多个方面进行了优化，实现了性能提升和燃油经济性的显著增强。1.5LTSIEA211EVO发动机采用全新模式的热管理系统（如图6-2），可对发动机实现有效的热管理。该发动机实施了几项关键技术以优化发动机的启动和运行性能，这些技术包括控制冷却液流动、减少内部摩擦、加速驾驶室加热，以及通过温度管理降低爆震倾向。第六章传统燃油车发动机热管理应用12图6-2EA211EVO发动机热管理系统及其安装位置结合教材图识别热源、冷源、被控对象与关键阀口，沿介质流向判断吸热、放热和回收路径，再联系环境温度与车辆工况解释控制器为何选择这一工作模式。第六章传统燃油车发动机热管理应用13图6-3冷却液调节箱带有发动机温度调节模块GX33的冷却液调节箱结构如图6-3所示，通过温度调节模块调节冷却液膨胀阀、乘员舱暖风装置换热器、冷却液散热器中的冷却液，进而实现发动机温度智能管控，这种集成化的温控策略不仅优化了发动机的运行效率和性能，还提高了燃油经济性和乘客舒适度，确保了发动机在各种工作条件下都能维持在最佳的操作温度范围内。L冷却液温度传感器G62是拧在缸盖内的，它测量集成式排气歧管附近的冷却液温度。发动机控制单元利用该传感器的信号来调节发动机内的冷却液温度。冷却液温度传感器G82是拧在缸体内的，它测量尚未流出发动机的冷却液温度(指向散热器方向流出)。发动机控制单元利用该传感器信号在缸体内冷却液温度较高时来适配冷却液液流。第六章传统燃油车发动机热管理应用14图6-4旋转阀机构如图6-4所示，该发动机借助于发动机温度调节模块和脉谱控制的冷却模块中的2个旋转阀，电动调节水温在调节期间直接由发动机温度调节执行器借助于一个轴，来驱动旋转阀1，旋转阀2由旋转阀1借助于一个扇形齿轮来驱动这意味着旋转阀1和2相互啮合，互相相关运动。旋转阀1的位置以及旋转阀2的位置由发动机温度调节的位置传感器来识别。第六章传统燃油车发动机热管理应用15根据不同的条件，发动机控制单元通过温度调节模块执行不同的调节策略：第六章传统燃油车发动机热管理应用16工况一：点火off：在点火off之后运动旋转阀1到通往散热器的路径闭合的位置（…在点火off之后运动旋转阀1到通往散热器的路径闭合的位置（图6-5(a)）。冷却水仍然在发动机中，由此冷却更慢。当发动机重新启动时，如果还有残余热量，发动机就会更加迅速达到其工作温度。第六章传统燃油车发动机热管理应用17教材图组：(a)点火off｜(c)发动机热机水温达85℃(c)水温在85~105℃之间调节…第六章传统燃油车发动机热管理应用18工况2：点火on和发动机启动：在发动机的启动和点火on阶段，两个旋转阀会被完全关闭，目的…在发动机的启动和点火on阶段，两个旋转阀会被完全关闭，目的是限制冷却液在系统中的流动，使发动机能够尽可能快地达到其操作温度。在这种状态下，冷却水被静止锁在发动机内部，直接受到燃烧产生的热量加热。这种方法可以显著减少热能的损失，加快发动机的加热过程。尽管水泵在此时继续运转，但由于旋转阀的关闭，它并不实际输送冷却水到发动机的其他部分。这种配置允许热量在发动机内部积聚而不被分散，有助于提高发动机在寒冷环境下的启动性能和减少初期的磨损。一旦发动机达到理想的操作温度，旋转阀会重新开启，恢复冷却液的流动，确保发动机在最佳温度下稳定运行，防止过热，从而维护发动机的长期健康和效率。第六章传统燃油车发动机热管理应用19工况3：发动机水温达85℃：在这个阶段，两个旋转阀以如下顺序打开通往不同元件的各自通道。在这个阶段，两个旋转阀以如下顺序打开通往不同元件的各自通道。如图6-5(b)所示，首先，第一个旋转阀打开通道，引导冷却液流向发动机的缸盖、机油冷却器及热交换器。这些部件是发动机中热量产生最多的区域，因此需要优先冷却以保护发动机免受过热损害，同时维持机油在最佳温度下工作，保障润滑效果和热效率。接下来，第二个旋转阀打开，允许冷却液流向冷却水膨胀箱。这一步骤至关重要，因为它允许系统在发动机热胀冷缩的过程中调整冷却液的体积，防止压力过高或形成真空。随后，冷却液被引导至发动机的缸体。缸体是包围着汽缸的结构部件，其温度管理对于发动机整体的热效率和机械强度至关重要。适当的冷却可以防止缸体因高温而发生形变，确保发动机运行平稳。最后，冷却液流向散热器，这是整个冷却循环的关键环节。在散热器中，冷却液将吸收的热量释放到外界，随后冷却后的液体再次循环回发动机，开始新一轮的冷却过程。第六章传统燃油车发动机热管理应用20工况4：水温在85~105℃：如图6-5(c)所示，一旦发动机达到工作温度，其冷却系统便…如图6-5(c)所示，一旦发动机达到工作温度，其冷却系统便开始根据发动机的运行状态调整冷却水的温度。这一温度调节主要由旋转阀1控制，而旋转阀2则保持全开状态。在发动机承受低负荷和转速较低的情况下，冷却水温度会被调节至105℃以维持稳定的热效率；而在高负荷和高转速的操作条件下，水温则会被调低至85℃，以防过热并优化发动机性能。这种温度调节过程是连续可变的，并且通过精细的脉宽调制控制，确保发动机在各种工况下都能高效稳定地运行。此外，该发动机还具备了催化剂加热策略上的优化。在初始点火角延迟阶段之后，利用λ的浓稀控制来对催化转化器加热。这种操作模式在CNG发动机中很常见，但是汽油发动机中非常罕见。该策略通过气缸内未燃烧空气和燃料重新在排气管中组合，发生燃烧反应将热量更多地集中在催化器中所需的位置，而不是加热整个排气系统。第六章传统燃油车发动机热管理应用21具体来说，这是用控制系统对两个气缸进行加浓（尾气残留燃油），对两个气缸进行减稀…具体来说，这是用控制系统对两个气缸进行加浓（尾气残留燃油），对两个气缸进行减稀（尾气残留氧气），然后，未燃烧的燃油和氧气在排气道中均质化，直接在催化器中发生化学反应，从而快速提高催化器温度。其中，主要控制手段为一个比例系数（SplitFactor）：气缸参与燃烧燃油占据整体燃油的比例，催化器加热的效果取决于比例系数的标定，大概范围在0.8-1之间。而减稀的两个气缸的比例可以通过计算机自动产生，最终确保在催化器中实现λ=1.0的理论空燃比。下图显示了与标准燃烧过程相比，通过对不同气缸λ加浓减稀操作下，催化器温度升高的案例。第六章传统燃油车发动机热管理应用22图6-7丰田DynamicForce发动机及其代表车型结合教材图识别热源、冷源、被控对象与关键阀口，沿介质流向判断吸热、放热和回收路径，再联系环境温度与车辆工况解释控制器为何选择这一工作模式。第六章传统燃油车发动机热管理应用232.丰田DynamicForce发动机：丰田DynamicForce发动机代表了丰田在传统汽油发…丰田DynamicForce发动机代表了丰田在传统汽油发动机技术上的一大突破，其最引人注目的成就是将汽油机的热效率提升至40%，达到了汽车行业的领先水平。这款发动机不仅在效率上取得了显著进步，而且在环境友好性和性能上也表现出色。该发动机主要采用了阿特金森循环、电动进气门VVT、双喷射系统、冷却EGR技术、纵流冷却系统和电子水泵等技术，成为了当今世界上热效率最高的传统汽油机之一。第六章传统燃油车发动机热管理应用24图6-8冷却EGR技术丰田在DynamicForce系列发动机上使用了冷却EGR（废气再循环系统）技术，在部分负荷时从排气管引一部分废气重新进入进气系统，这部分废气不参与燃烧，从而降低泵气损失，提高热效率。得益于DynamicForce系列发动机的高速燃烧系统，这台发动机最高可以使用高达25%的EGR率，从而使发动机的效率进一步提升。第六章传统燃油车发动机热管理应用25图6-9采用水套隔板的侧流式发动机技术丰田在DynamicForce系列发动机上采用纵流冷却（图6-8），相较于横流冷却，由于冷却液的流动路径较长，可以更有效地在发动机内部移动热量，适用于需要从长轴向有效散热的较大或高功率发动机。同时纵流式降低了水套的流动阻力，从而降低水泵的负载，提高效率。在缸体水套中采用了水套隔板（WJS）来优化水流的分布，这也是丰田的设计特色。第六章传统燃油车发动机热管理应用26图6-10DynamicForce发动机电子水泵在丰田的DynamicForce系列发动机中，传统的机械水泵被创新性地替换为电子水泵（图6-9）。这种电子水泵无需机械带动，可实现对冷却流量的精确控制，使得发动机的冷却更为高效。这种技术的引入不仅优化了发动机的热管理系统，还通过精确调节冷却需求以匹配发动机的实际工况，有效降低了能源消耗和提升了整体热效率。因此，电子水泵的使用是对发动机热管理策略的一大进步，它不仅提升了系统的性能，还对环境友好，有助于降低油耗和排放。第六章传统燃油车发动机热管理应用27图6-11宝马M4发动机液冷式中冷器一些高端性能车会采用液冷式中冷器，如宝马M3/M4的S55B30发动机（图6-10）/奔驰AMGGT的M178发动机等，虽然对于M3/M4/AMGGT这样的性能车而言，设计水冷式中冷的最大目的不是为了追求热效率，而是为了提升引擎的响应，换用更高效的水冷中冷器，以降低中冷器的体积和气道长度，从而达到降低涡轮迟滞的效果。但反过来看，水冷式中冷器将压缩空气的热量吸收，让热量进入到冷却液的循环中，变相利用了涡轮增压发动机的热量损失，这对于提升发动机热效率，肯定是有正面效果的。第六章传统燃油车发动机热管理应用28（1）液冷式中冷器：丰田在8AR-FTS2.0T引擎上同样用上了水冷式中冷器…丰田在8AR-FTS2.0T引擎上同样用上了水冷式中冷器，水冷式中冷器也让这台2.0T引擎变得非常紧凑，（作为对比可以看看VWEA888的引擎）从涡轮到气缸的歧管长度甚至不比一些NA引擎更长，这显然对于解决涡轮迟滞问题有很大的帮助，同时进气温度更低，也带来更好的引擎效率。加上这台8AR-FTS引擎还拥有水冷式排气歧管，进气/排气侧的多余热量都被回收利用，在冷车启动期可以更快提升冷却液温度，使整台引擎更快进入热效率更高的工作温度。这对于提升引擎热效率，都是有益的，可谓一箭双雕。可以预见未来一段时期，采用液冷中冷的涡轮增压发动机会越来越多。第六章传统燃油车发动机热管理应用29图6-12液冷式排气歧管结合教材图识别热源、冷源、被控对象与关键阀口，沿介质流向判断吸热、放热和回收路径，再联系环境温度与车辆工况解释控制器为何选择这一工作模式。第六章传统燃油车发动机热管理应用30（2）液冷式排气歧管：液冷式排气歧管是发动机热管理系统中的一个创新设计，它通过将…液冷式排气歧管是发动机热管理系统中的一个创新设计，它通过将排气歧管与发动机的水冷系统集成，优化了热效率和性能。在此设计中，排气歧管被包裹在一个带有冷却液通道的水套中，使得高温废气在通过排气歧管时能与冷却液进行热交换。这种配置不仅加速了发动机达到理想工作温度，提高了热效率，而且有助于减少燃油消耗和排放污染。此外，降低废气温度还可以减少涡轮增压器的热负荷，延长其使用寿命，并降低机油的热衰退，从而保护引擎并延长其整体寿命。通过这种高效的热管理策略，发动机在提供持续动力的同时，还能确保环境友好和经济效益。其特征在于：具有铸造成一体的排气法兰和水套，排气法兰位于水套的内侧，排气法兰上设有用于与发动机缸盖连接的连接孔；排气法兰上设有多个排气口和多个进水口，该进水口与水套相连通；水套设有出水口，排气法兰上的进水口、水套上的出水口与发动机缸盖的水套连通，构成冷却回路。第六章传统燃油车空调系统热管理应用316.1.2传统燃油车空调系统热管理应用：本节知识结构从分区空调到座椅通风，理解整舱温控与局部热舒适的差异，比较风扇、空调冷风和半导体制冷方案的结构、能耗、噪声与成本。第六章传统燃油车空调系统热管理应用321.分区空调：汽车的分区空调系统允许车内的不同区域独立控制其温度（图6-…汽车的分区空调系统允许车内的不同区域独立控制其温度（图6-13），为乘客提供个性化的舒适体验。这项技术通过多个温度控制单元和独立的气流分配通道，实现前后排乘客的温度独立调节。系统中的传感器能够检测各个区域内的温度，与中央控制系统协同工作，根据乘客的需求和外部环境条件自动调整温度设置。例如，如果车辆的前部在阳光直射下变得较热，系统会自动增加该区域的冷气输出，而后部乘客若感觉寒冷，则可以选择增温。第六章传统燃油车空调系统热管理应用33教材图组：图6-13分区空调技术｜图6-14分区空调结构图第六章传统燃油车空调系统热管理应用34其中双区空调可以独立调节车内左右两侧空调的温度，而四区空调的前后排、左右侧的温…其中双区空调可以独立调节车内左右两侧空调的温度，而四区空调的前后排、左右侧的温度都可以分别独立调节。从原理来看，不同区域的温度控制需要空调制冷系统和采暖系统的相互配合，由负责各个区域的温度风门翻板控制的冷风和热风混合比例，从而实现对该区域的温度控制，再利用鼓风机将不同温度的空气从布置在车内复杂的风道，吹到各个出风口，从而实现汽车空调的温度分区功能。而四区空调的结构则更为复杂，还需要在冷凝器之后的高压管路中安装1个三通接口、2个膨胀阀或节流管以及2个蒸发器，通风系统也会装有多个鼓风机。由此可见，分区空调比一般的自动空调的内部结构要复杂得多，因而在制造工艺和制造成本上都要远高于自动空调，直接会导致整车售价提高。此外，现代分区空调系统还配备了高级过滤和空气净化技术，能有效去除空气中的尘埃、花粉和其他污染物，确保各区域空气质量。通过智能算法，这些系统还可以预测乘客的偏好，自动调整空调设置，从而提高能效和乘坐舒适度。这种个性化的温度控制不仅增加了驾乘的舒适性，还通过优化能源消耗帮助提高燃油效率，符合现代汽车设计的环保和高效能标准。第六章传统燃油车空调系统热管理应用352.座椅通风技术：座椅加热是通过在座椅内布置加热垫来实现，加热垫很薄而且造型…座椅加热是通过在座椅内布置加热垫来实现，加热垫很薄而且造型平整，增加后对座椅的舒服度几乎没有影响，不需要对座椅发泡重新设计改造，因此座椅加热的成本比较低。而座椅通风需要设计额外的特殊结构来实现鼓风和通风需求，大大提升了结构的复杂性。常见的座椅通风技术有采用风扇、与空调冷风系统连接以及半导体制冷等多种。风扇式座椅通风（图6-14）是仅在座椅内部安装风扇，通过风扇向外吹风来给坐垫和靠背散热降温，这也是市面上主流的座椅通风配置。第六章传统燃油车空调系统热管理应用36教材图组：图6-15座椅通风风扇｜图6-16利用空调冷风的座椅通风第六章传统燃油车空调系统热管理应用37然而夏天车内温度可能达到50~60℃，仅凭风扇无法达到用户的shiyo那个需求。因此，部分高端的车型还将座椅与空调系统相连接，将冷风传输到座椅内部实现快速降温。这种空调座椅的隆温效果还是非常明显的，座椅通风运行5分钟可以使座椅表面温度降低15℃左右。但这一种设计需要额外的管路设计，且可能会对底盘平台做出改动。基于风扇和空调制冷的座椅通风已经满足了大部分用户需求，但不少座椅还是会产生通风效果差、风扇振动噪音和降温效率低等问题。面对这种情况可以采用半导体制冷技术改善这一问题。该技术在制冷时无机械运动，不产生噪音，同时体积小，非常适用于汽车座椅内的狭小空间。第六章传统燃油车空调系统热管理应用38教材图组：图6-17半导体制冷｜图6-18半导体制冷座椅通风模块第六章传统燃油车整车热管理应用396.1传统燃油车整车热管理应用小结：结构变化最终要落到能效与性能燃油车热管理的核心矛盾是冷启动阶段需要减少散热、快速升温，高负荷阶段又需要增强散热。可控水泵、旋转阀和集成排气歧管让冷却液按工况分配；分区空调和座椅局部调节则用更精准的热量投放改善舒适性。第六章纯电动汽车整车热管理应用406.2纯电动汽车整车热管理应用：整车层面的核心逻辑纯电动车失去发动机余热，同时增加动力电池、电机和电控的温控需求。整车必须在−30～40℃环境中兼顾安全、动力、快充、续航和舒适性。本节以ModelS、Model3和ModelY为案例，展示从独立回路、余热利用到热泵与八通阀集成的发展路径。第六章纯电动车使用温度范围416.2.1纯电动车使用温度范围：本节知识结构先确定整车环境边界，再讨论系统能力。教材以−30℃和40℃作为典型设计边界，并允许超出范围时通过功率限制保护整车。第六章纯电动车使用温度范围42纯电动车的性能会受到使用环境温度的显著影响，特别是在最大输出功率和续驶里程等方…纯电动车的性能会受到使用环境温度的显著影响，特别是在最大输出功率和续驶里程等方面。通常情况下，电动车在常温（约25℃）环境下表现最佳，在这一温度下，电动车可以实现最大功率输出，超级快充的速度也最快，整车的标称续驶里程通常也都是在此温度下测试得出的。然而，当环境温度升高至高温区时，如果热管理系统设计不完善，电池可能会因自身发热而过热，从而触发电池的保护机制。在这种情况下，电池管理系统可能会限制电池的输出功率，甚至切断电池供电，以确保整车的安全运行。相反，在低温环境下，锂电池的化学活性降低，电子迁移速度受限，电池的输出能力可能无法达到最大功率输出，甚至部分电能无法有效释放，成为所谓的“死区”电量。这会导致在低温环境下，整车的车速和续驶里程明显下降。因此，为确保车辆在各种环境下的稳定性和安全性，合理限定整车的使用温度范围是十分必要的，尤其是在热管理系统的设计过程中，必须考虑到电池在不同温度条件下的表现和需求。第六章纯电动车使用温度范围43我国幅员辽阔，南北纬度跨度大，气候差异也十分显著。北方的冬季气温往往比南方低得多。例如，某年北方各省会城市（自治区首府）的极端低温分别为：北京-19.6℃，天津-19.2℃，呼和浩特-29.7℃，济南-18.3℃，石家庄-12.3℃，沈阳-21.6℃，长春-25℃，哈尔滨-30℃。在黑龙江漠河市、黑河市以及内蒙古牙克石市等寒区，极端低温曾低至-40℃以下，尤其是在清晨时段。然而，这种极端低温往往只会持续在冬季的极少数时刻，一旦阳光出现，气温便会迅速回升。因此，在正常使用条件下，整车很难长期暴露于如此极端的低温环境。第六章纯电动车使用温度范围44如果以这些极端低温作为整车设计工况，那么热管理系统的整体能力、体积和质量将大大…如果以这些极端低温作为整车设计工况，那么热管理系统的整体能力、体积和质量将大大增加，这与整车轻量化设计的要求相矛盾。而且，绝大多数时间，车辆运行环境的温度远高于极端低温，因此并不需要如此强大的热管理系统。通常，-30℃作为整车设计的最低使用温度是较为合理的，它能够保证在全国大部分大城市正常使用电动车。因此，新能源汽车的热管理系统应确保在-30℃条件下，整车的基本性能不受影响，如最高车速、最大输出功率和充电功率等应当不受限（低温保护）。然而，整车的续驶里程在低温环境下可能会有所下降，这是因为热管理系统的运行会消耗一定的电量。对于长期在低于-30℃的环境下运行的车辆，应允许整车的主要性能出现一定程度的下降，例如输出功率受限、最高车速降低等，以确保整车的安全性和稳定性。第六章纯电动车使用温度范围45整车设计的高温工况应当基于南方的极端高温环境来确定。虽然南方一些城市如海口、三亚、广州和深圳等地的夏季持续高温时间较长，但这些城市的极端高温通常不如长江中下游的内陆城市，如重庆、武汉、南昌等地的高温更为严酷。长江中下游的内陆城市的极端高温通常会达到40℃左右，而且这种高温天气通常会持续较长时间，约4小时左右，一般出现在12:00到16:00之间。这个时段是汽车使用频繁的时段，因此在设计新能源汽车时，必须特别考虑到这一高温工况。因此，以40℃作为新能源汽车的高温设计工况是较为合理的。在此温度条件下，整车的热管理系统应确保各个系统都能在最佳状态下运行，不出现由于温度过高而触发的保护机制，避免因过热引发车速受限、充电时间延长等问题。第六章纯电动车使用温度范围46综上所述，新能源汽车，尤其是电动车，应该确保在-30℃到40℃的环境温度范围内…综上所述，新能源汽车，尤其是电动车，应该确保在-30℃到40℃的环境温度范围内，整车的主要性能不会受到显著影响。然而，由于热管理系统在运作时会消耗一定的电能，因此允许整车续驶里程在低温或高温环境下相对于25℃环境有所下降。对于超过-30℃至40℃这一环境温度范围的情况，允许整车性能出现一定程度的下降，以确保系统的安全性和稳定性。第六章三电系统对热管理系统的要求476.2.2三电系统对热管理系统的要求：本节知识结构电池关注0～45℃、温差与热失控，电机电控关注绝缘耐温和持续散热。冷却方式要与热流密度、绝缘、流阻、能耗和整车集成相匹配。第六章三电系统对热管理系统的要求48在电池包的热管理设计中，由于电池在使用过程中会随着不同运行条件动态地产生热量并…在电池包的热管理设计中，由于电池在使用过程中会随着不同运行条件动态地产生热量并向外部散热或吸收热量，因此，电池包的隔热、散热条件和热容等因素对温度分布有着重要影响。然而，在某些工况下，这些因素的要求可能会相互矛盾，不同的设计理念会提出不同的要求，因此并不能一概而论。首先，确保电池包内任何部位不出现热失控现象是至关重要的。电池包内部的温度一旦超过100℃，就有可能引发热失控反应，进而触发连锁化学反应，产生大量不受控制的热量，导致温度迅速升高，最终可能引发起火、爆炸等严重安全事故。因此，电池包必须具备较好的导热性和较大的热容，即使在内部某些部分产生不均匀的发热，也应能有效分散和传导热量，防止局部温度迅速升高，确保整体系统的安全。第六章三电系统对热管理系统的要求49为了延长电池包的使用寿命，热管理系统应确保电池包内部的温度均匀，各电芯之间的温…为了延长电池包的使用寿命，热管理系统应确保电池包内部的温度均匀，各电芯之间的温差应控制在5℃以内。电池包的平均温度应低于45℃，否则可能导致电芯出现不可逆的容量损失，这会大幅缩短电池的使用寿命。为了实现这一目标，电池包可以采用不同的冷却方式。不同的冷却方式对电池包结构的散热要求有所不同。采用被动散热方式的电池包，通常要求其结构具有较大的散热能力，以有效地通过外部环境散热。而采用主动冷却系统的电池包，则通常需要具有较好的隔热性能，以避免外部热量进入，从而更好地保证内部温度的控制。低温环境下，动力电池的性能会显著下降，导致电池的活性降低，甚至无法达到额定输出功率，从而影响整车的动力性能。尤其在电芯温度过低的情况下，动力电池无法实现大电流快充，会直接影响乘客的用车体验。通常，动力电池在0℃至45℃的温度范围内能够保持最佳的工作状态，支持快充和大电流功率输出。因此，在寒冷的环境中，电池温度管理系统需要具备加热功能，确保电池在低温下仍能保持良好的性能。第六章三电系统对热管理系统的要求50例如，在-30℃的低温环境下，电池管理系统应能迅速将电池包的温度升高到0℃以上…例如，在-30℃的低温环境下，电池管理系统应能迅速将电池包的温度升高到0℃以上，甚至尽量接近15℃，确保电池包保持在最佳的使用状态。在这种使用工况下，电池包的热容应适当控制，以便快速升温，同时尽量减少电池包的结构散热量，从而提高加热效率，保证电池的工作温度处于理想区间。如本书前部章节所述，电池包的热管理方式包括自然冷却、强制风冷、液冷（也可加热）和直冷等几种形式。目前，市场上自然冷却和强制风冷技术已逐渐被淘汰，除非是在对性能要求较低、对成本控制较为严格的车型中，仍有少部分车型使用这些冷却技术。当前，液冷技术已成为电池包温度管理的主流技术，少数高端车型则开始采用电池直冷技术。第六章三电系统对热管理系统的要求51从理论上讲，电池直冷技术具有许多优势，如温度分布均匀、换热效率高、控制响应迅速…从理论上讲，电池直冷技术具有许多优势，如温度分布均匀、换热效率高、控制响应迅速且能有效节省能源消耗。然而，由于该技术目前还存在一些技术不成熟的问题，导致其推广受到一定限制。随着技术的不断发展，未来电池直冷技术有望克服这些问题，成为电池热管理系统的主流技术，进一步提升电池包的性能和整车的使用体验。新能源汽车的驱动电机主要有四种类型：感应异步电机、永磁无刷直流电机、开关磁阻电机和有刷电机，其中永磁无刷直流电机是最为常见且广泛使用的电机类型。随着技术的不断进步，永磁无刷电机的机械效率通常可以达到90%左右，意味着仍有约10%的电能转化为热能。该热能主要集中在加热电机绕组线圈等部位。如果这些热量得不到有效散发，电机温度将不断升高，进而影响其性能和安全性。第六章三电系统对热管理系统的要求52电机绕组的漆包线有一定的耐温要求，通常使用F级绝缘材料，其耐温上限为155℃。一旦超过这一温度，绕组的绝缘层可能会破坏，导致线圈匝间短路，从而造成电机故障。因此，电机需要有效的散热系统，以保持线圈温度低于绝缘材料的耐温极限，确保电机的稳定运行。与动力电池和座舱的温控需求不同，电机和电控系统在低温环境下通常不会出现性能问题，因此不需要加热功能。然而，随着电机功率和运行速度的增加，散热变得尤为重要。当前，电机常用的冷却方式包括结构自然散热、强制风冷散热、液冷和油冷。其中，结构自然散热和强制风冷散热目前主要应用于低端和低速车型。液冷技术是目前最常见的电机散热方式，而少数高性能新能源汽车开始采用油冷系统。电机液冷通常采用50%乙二醇和50%水的混合物作为冷却介质。尽管这种冷却液本身不具备导电性，但它在与金属接触过程中容易携带带电离子，因此具有一定的导电性。为了避免与电机高压定子线圈直接接触，冷却液通常只能与电机定子线圈外部的机壳进行热交换。其热传导途径为：定子线圈→绝缘材料→机壳→冷却液。这种传热路径的热阻较大，因此，在电机不进行长时间或大功率运行的情况下，这种冷却方式依然有效。第六章三电系统对热管理系统的要求53需要注意的是，电机液冷系统的冷却液流量通常不超过20L/min，且散热后的回…需要注意的是，电机液冷系统的冷却液流量通常不超过20L/min，且散热后的回水温度不得超过65℃，以保证系统的高效散热和电机的正常运行。由于液冷电机并不直接冷却电机绕组线圈，因此其散热效果有限，特别是在长时间、大电流运行的工况下，电机线圈的温升会较快，可能无法有效保持低温，影响电机的长期稳定性和性能。为了解决这一问题，油冷电机通常作为大功率或长时间运行电机的冷却方案。油冷电机通过使用专门的冷却介质，如自动变速箱油（ATF），来直接冷却电机的高压线圈。ATF油具有良好的润滑性、散热性和传动性能，其黏性系数较低，流动性较好，能够有效带走电机产生的热量。此外，ATF油还具有防锈、防氧化的特性，并且具备良好的绝缘性能，因此能够直接喷洒到电机高压线圈上，带走线圈产生的热量，从而实现高效散热。然而，随着高压线圈的温度升高，ATF油的温度也会随之上升。为了确保油冷系统的长期稳定性和有效性，必须对ATF油进行冷却。针对这一需求，通常有两种油冷却方式：第六章三电系统对热管理系统的要求54外部空气冷却：在油冷电机的前端模块设置油冷器，利用外部空气流动来降低ATF油的温度。通过风扇或自然风冷却的方式，可以带走油中的热量，降低油温。这种方法简单、直接，适用于大部分车型，特别是在温度较高的环境中运行时。热交换冷却：通过设置油与冷却液的板式换热器，将油中的热量传递给冷却液，从而降低油温。冷却液通过板式换热器吸收ATF油的热量，再通过其他途径（如液冷系统）带走热量。这种冷却方式更加高效，尤其适用于需要回收电机余热的热管理系统。第六章乘员舱舒适性对热管理系统的要求556.2.3乘员舱舒适性对热管理系统的要求：本节知识结构座舱目标约23℃，在40℃环境需约5kW制冷、−30℃环境需约7kW制热。比较PTC、电机堵转余热和空气源热泵，并理解单一模式向组合模式演进。第六章乘员舱舒适性对热管理系统的要求56纯电动汽车的乘员舱舒适性要求与传统燃油车基本相同，主要体现在空调系统的多功能性…纯电动汽车的乘员舱舒适性要求与传统燃油车基本相同，主要体现在空调系统的多功能性和高效性上。为了保证乘员舱的舒适性，空调系统需要具备通风、内外循环、加热、冷却等多种功能，以适应不同环境下的温度变化。除此之外，为了确保驾驶员的安全，空调系统还必须具备除霜和除雾功能，避免前风挡玻璃出现结霜或起雾现象，从而影响驾驶员的视野。根据整车设计的使用环境温度范围（-30℃至40℃），空调系统需要在这个范围内提供稳定的温度调节能力，以确保乘员舱的舒适性。人体的舒适温度是一个主观感受，会因个体差异而有所不同，受到年龄、性别、健康状况和地域等因素的影响。然而，在大多数情况下，将座舱的温度维持在23℃左右能够满足绝大多数人的舒适要求。第六章乘员舱舒适性对热管理系统的要求57因此，空调系统的设计目标通常是能够将乘员舱的平均温度稳定在23℃。在实际使用中，空调系统需要根据外界环境温度的变化来提供相应的制热或制冷能力。例如，在40℃的高温环境下，空调系统需要提供约5kW的制冷量，以保持舱内温度的舒适；而在-30℃的低温环境下，空调系统需要提供约7kW的制热量，以维持舱内温度的稳定。第六章乘员舱舒适性对热管理系统的要求58对于B级乘用车而言，这样的空调系统需要具备高效的热交换和能量管理能力，既能应对…对于B级乘用车而言，这样的空调系统需要具备高效的热交换和能量管理能力，既能应对夏季高温，又能有效提供冬季取暖，确保四季均能维持舒适的车内环境。对于如何获得热源，新能源汽车目前有多种可供选择的解决方案。一是利用PTC（正温度系数的热敏电阻）电加热，包括直接加热空气和加热冷却液两种形式；二是特斯拉在Model3和ModelY上采用的利用驱动电机堵转来产生热量加热电机冷却液，再利用电机冷却液给乘员舱供暖，后面将会有详细的介绍；三是采用空气源热泵的原理从周围相对低温的环境中吸收热量。前两种方案都是直接将高品位的电能转化为热能，其能源使用效率最高也就只能达到1，通常只有90%左右。当采用空气源热泵时，其能源使用效率会高出很多，在某些工况下甚至会达到3~4，可以非常明显地节约能源。但空气源热泵的性能与所使用的制冷剂有很大的关系，并且环境温度也会对能效比产生影响。通常来讲，温度越低，能效比越低。第六章乘员舱舒适性对热管理系统的要求59为了实现上述乘员舱空调系统的功能和性能要求，纯电动汽车的空调系统必须具备相应的…为了实现上述乘员舱空调系统的功能和性能要求，纯电动汽车的空调系统必须具备相应的冷源和热源。与传统燃油车不同，燃油车通过发动机曲轴驱动机械式压缩机来提供制冷，并利用发动机的余热来提供热源。然而，纯电动车在纯电运行模式下无法利用发动机的曲轴功率和余热，因此必须考虑其他可用的冷源和热源。通常情况下，纯电动车采用蒸汽压缩制冷方式来获得冷源。这就要求配备电动压缩机，而电动压缩机是由驱动电机和驱动控制模块专门提供动力来驱动压缩机。相比其他类型的压缩机，涡旋式压缩机由于其运行平稳、容积效率高等一系列优点，已经成为电动压缩机的主流技术，市场占有率超过95%。此外，还有少量的电动旋叶式压缩机和滚动转子式压缩机，但这些技术尚未形成规模化生产。第六章乘员舱舒适性对热管理系统的要求60在电动压缩机的驱动系统中，永磁无刷直流电机（BLDC电机）因其高效能、可靠性和…在电动压缩机的驱动系统中，永磁无刷直流电机（BLDC电机）因其高效能、可靠性和可控性优势，已成为电动压缩机的主流选择。值得注意的是，现代电动压缩机普遍采用低背压结构。低背压结构利用压缩机低温低压的吸气特性来冷却驱动功率模块和永磁无刷电机，从而保证压缩机的高效运转并防止过热。正如前面所述，新能源汽车的动力电池、乘员舱、驱动电机和电控系统各自都有不同的热管理需求。在电动车发展的初期，确实存在每个子系统独立运行且互不干扰的情况。在这种配置下，热管理系统通常会有以下几种工作模式：①电机冷却；②电池冷却；③电池加热；④乘员舱冷却；⑤乘员舱加热。第六章乘员舱舒适性对热管理系统的要求61然而，随着技术的发展，设计者们开始考虑将这些独立的热管理系统通过冷却液回路进行…然而，随着技术的发展，设计者们开始考虑将这些独立的热管理系统通过冷却液回路进行连接，形成一个共享冷源和热源的集成化热管理系统，甚至可以实现余热回收。通过这种集成化的系统设计，除了能实现上述五种单独的功能外，还可以实现以下组合功能，以提升热管理的效率和灵活性：①电池冷却+电机冷却；第六章乘员舱舒适性对热管理系统的要求62②乘员舱冷却+电机冷却；③乘员舱冷却+电池冷却；第六章乘员舱舒适性对热管理系统的要求63④乘员舱冷却+电池冷却+电机冷却；⑤乘员舱加热+电池冷却；第六章乘员舱舒适性对热管理系统的要求64⑥乘员舱加热+电机冷却；⑦乘员舱加热+电池冷却+电机冷却；第六章乘员舱舒适性对热管理系统的要求65⑧乘员舱加热+电池加热。此外，乘员舱加热和电池加热有多种方式可供选择，包括PTC加热、电机堵转加热和热泵加热。在某些工作条件下，热泵加热可能需要与PTC加热相结合，以满足特定环境下的加热需求。因此，热管理系统在实际运行中可能会涉及多种运行模式的组合，确保整车在不同工况下都能实现高效的热管理。第六章典型纯电车热管理应用666.2.4典型纯电车热管理应用：本节知识结构沿ModelS—Model3—ModelY的时间线学习：PTC与分立回路、Superbottle与电机余热、热泵与八通阀集成。重点追踪不同模式下冷媒和冷却液的流向。第六章典型纯电车热管理应用671.ModelS：ModelS（见图6-18）是一款全尺寸、高性能的电动轿…ModelS（见图6-18）是一款全尺寸、高性能的电动轿车，提供了多种不同的配置选项，满足不同消费者的需求。无论是基础版还是高配版，所有车型都标配了Autopilot自动驾驶系统，这不仅增强了驾驶安全性，还提高了驾驶的便利性，特别是在高速公路上，能够有效减少驾驶员的操作负担。在性能方面，最高配版本的ModelS配备了100kWh的大容量电池包，提供了充足的电能支持，确保车辆具有较长的续航里程。车辆还采用了前后双电机的全时四轮驱动系统，能够实现高效的动力分配，无论是在高速行驶还是复杂路况下，都能保证卓越的动力性能和卓越的稳定性。此外，ModelS还配备了先进的超级快充技术，支持高功率快速充电功能。在理想条件下，该车能够在1小时内将电池充满，为长途驾驶提供了极大的便利，减少了因充电而产生的停留时间，极大提升了电动车在长途行驶中的实用性和续航能力。通过这样的技术创新，ModelS不仅成为性能卓越的电动轿车，还在充电便捷性上走在了行业的前沿。第六章典型纯电车热管理应用68图6-19ModelS结合教材图识别热源、冷源、被控对象与关键阀口，沿介质流向判断吸热、放热和回收路径，再联系环境温度与车辆工况解释控制器为何选择这一工作模式。第六章典型纯电车热管理应用69由于ModelS的开发较早，尽管它配备了热管理系统，能够实现乘员舱温控、电池…由于ModelS的开发较早，尽管它配备了热管理系统，能够实现乘员舱温控、电池冷却与加热，以及电机和电控系统的冷却等基本功能，但该系统并未采用热泵技术或余热回收等更为先进的节能手段。图6-19展示了ModelS热管理系统的完整原理图。整个热管理系统可大致分为两大部分：制冷剂系统和冷却液系统。制冷剂系统主要负责乘员舱的制冷，并冷却电池冷却液，确保电池在适宜的温度范围内运行。冷却液系统则主要负责电机和电控系统的冷却，同时也负责动力电池的冷却与加热。通过这两套系统的协同工作，ModelS能够在不同的工况下维持各个系统的温度稳定，确保整车的高效运转和舒适性。尽管ModelS的热管理系统在当时提供了较为全面的温控解决方案，但随着技术的进步，现代电动汽车越来越多地采用了热泵和余热回收等更加高效的技术，以提高能源利用效率并减少能源消耗。因此，虽然ModelS的热管理系统在其时代具备一定的前瞻性，但在当前的电动汽车热管理技术中，它仍存在一定的改进空间。第六章典型纯电车热管理应用70图6-20ModelS热管理系统原理图结合教材图识别热源、冷源、被控对象与关键阀口，沿介质流向判断吸热、放热和回收路径，再联系环境温度与车辆工况解释控制器为何选择这一工作模式。第六章典型纯电车热管理应用71乘员舱热管理系统可细分为冷却、加热、除雾和除霜等功能。其中，乘员舱的冷却功能通过R134a的蒸汽压缩制冷系统实现，确保在高温环境下车内温度保持舒适。加热功能则依赖于布置在HVAC（供暖、通风与空调）总成中的空气PTC加热器。当外部气温较低时，PTC加热器能够有效提升车内温度，确保乘客舒适。此外，ModelS的空调系统还具备除霜和除雾功能，以避免驾驶时出现因温差造成的视野障碍。需要特别指出的是，由于整车布局的原因，车外的换热器被设计为两个串联的小型换热器，并巧妙地布置在两个大灯后方，以节省空间并提高散热效率。第六章典型纯电车热管理应用72ModelS的电池包由18650型电池芯组成，采用镍钴铝三元电池，具有较高的…ModelS的电池包由18650型电池芯组成，采用镍钴铝三元电池，具有较高的能量密度，确保较长的续航里程。然而，这种高能量密度也对电池的温度控制提出了更为严格的要求。因此，电池包使用了液冷系统，通过蛇形液冷板实现对每个圆形电池芯的有效冷却与加热。其冷却原理如图6-20所示，通过冷却液的循环流动，确保电池始终保持在最佳的工作温度范围内。电池包的加热功能通过专用的水PTC加热器来实现，确保在低温环境下电池能够迅速升温至适宜的工作温度。而在电池冷却方面，系统主要依靠R134a制冷剂蒸发冷却冷却液，经过chiller处理后，冷却液通过水泵被输送到电池包进行冷却。当外界环境温度明显低于电池包温度时，系统通过四通阀和三通阀的配合调节，将电池包的冷却液与电机的冷却循环串联，利用低温散热器给电池降温。这种设计使得ModelS能够在不同温度条件下，灵活调节热管理系统，确保电池、乘员舱和电机始终处于理想的温度范围，保证整车的高效性能与安全性。第六章典型纯电车热管理应用73图6-21ModelS电池包冷却原理示意图结合教材图识别热源、冷源、被控对象与关键阀口，沿介质流向判断吸热、放热和回收路径，再联系环境温度与车辆工况解释控制器为何选择这一工作模式。第六章典型纯电车热管理应用74ModelS的热管理系统在低温环境下的制热完全依赖于PTC加热器。虽然这种方式能够有效保证乘员舱的舒适性和电池、电机在低温环境中的正常工作，但其缺点是能耗较高，特别是在寒冷天气下，使用PTC加热器会导致整车能耗迅速上升，从而显著降低续驶里程。PTC加热器通过电能转化为热能直接加热空气，虽然效率较高，但在低温条件下消耗大量的电池电量，进而影响电动车的续航表现。第六章典型纯电车热管理应用752.Model3：Model3是特斯拉于2018年推出的中型三厢轿车，相较…Model3是特斯拉于2018年推出的中型三厢轿车，相较于之前的ModelS，Model3在热管理系统上做出了显著的创新和优化。这些创新旨在提高整体能效、提升续驶里程并优化乘员舱的舒适性。其系统原理如图6-21所示。在Model3的热管理系统中，制冷、加热、冷却等功能都通过液冷系统和热泵技术实现，特别是在电池管理方面，系统通过液冷来维持电池的理想工作温度，从而确保电池的最佳性能和较长的使用寿命。此外，电机和电控系统的冷却也得到了优化，采用了先进的冷却液循环技术来有效分配热量，保证这些关键部件的稳定工作。第六章典型纯电车热管理应用76图6-22Model3热管理系统原理图结合教材图识别热源、冷源、被控对象与关键阀口，沿介质流向判断吸热、放热和回收路径，再联系环境温度与车辆工况解释控制器为何选择这一工作模式。第六章典型纯电车热管理应用77从Model3的热管理系统原理图可以看出，尽管制冷剂系统在设计上并未发生显著…从Model3的热管理系统原理图可以看出，尽管制冷剂系统在设计上并未发生显著变化，依旧使用单一制冷功能来降温乘员舱并冷却电池冷却液，但在冷却液系统方面，特斯拉进行了显著的创新和优化，提升了系统的效率和灵活性。具体的变化有以下几点：第六章典型纯电车热管理应用78取消水加热PTC：在Model3的设计中，取消了传统的水加热PTC系统，这一传统系统通常用于在低温环境下为电池加热。取而代之的是，Model3完全依赖电机的余热来实现电池的加热。这种设计不仅减少了对额外加热装置的依赖，还提升了能效，避免了传统加热系统可能带来的能量浪费。引入Superbottle系统：Superbottle是一种创新的五向控制阀系统，通过电控调节液路的流向，实现电池温度管理系统与电机电控冷却系统的统一管理。这个系统能够根据不同的需求灵活切换，比如，当电池需要散热时，Superbottle会允许冷却液流向低温散热器；而当电池需要加热时，它能利用电机余热或者主动加热电机来为电池提供所需的热量。通过这种方式，Superbottle不仅提升了热管理系统的整体效率，也减少了系统的复杂性和重量。第六章典型纯电车热管理应用79电机余热与电池加热：与传统的电池加热方式不同，Model3通过电机余热来为电池加热。当电机的热量足够时，热量会通过冷却液流向电池系统。如果在某些情况下，电机余热不足以满足加热需求，Model3还可通过电机的堵转模式主动增加电机的热量输出，从而为电池提供更多热能。综上所述，Model3的热管理系统通过取消水加热PTC、引入Superbottle控制阀和优化电机余热利用，显著提升了系统的综合效率。这些改进有效减少了能量消耗、提高了热管理系统的灵活性和响应速度，同时也有助于延长电池和电机的使用寿命。通过这一系列创新，Model3不仅实现了更高效的温控管理，还提升了车辆在不同环境下的续航表现和舒适性。第六章典型纯电车热管理应用803.ModelY：ModelY是特斯拉于2020年推出的紧凑型SUV车型，…ModelY是特斯拉于2020年推出的紧凑型SUV车型，其在热管理系统方面做出了显著的创新，尤其是在制热和冷却方面，首次引入了热泵技术。相较于Model3，ModelY的热管理系统具有更为显著的改进和优化，提升了系统的效率，并有效减少了能量消耗。热泵技术的引入：ModelY的热管理系统最显著的改进是采用了热泵技术。与传统的加热方式不同，热泵能够通过从外界环境中提取热量，为乘员舱加热，在寒冷环境中表现尤其出色。热泵系统既能为乘员舱提供加热，也能够在需要时进行制冷，因此它在温控管理上非常高效。与室外侧的热交换是通过冷却液进行的二次换热，而与乘员舱的热交换则直接与空气进行，这大大提高了系统的灵活性和能效。第六章典型纯电车热管理应用81冷却液与制冷剂的双重换热：由于引入了热泵技术，ModelY的热管理系统增加了制冷剂与冷却液之间的热交换功能。这使得整个热管理系统能够更高效地利用各个部件的热量，并根据实际需求进行动态调节。为了实现这种热量交换，特斯拉将传统的五通阀升级为八通阀。八通阀可以更灵活地控制冷却液流向，连接起电池包系统、电池包冷却系统、电机电控系统和低温散热器系统，从而形成一个集成化的热管理回路。多模式工作和高效能效：通过对八通阀、散热器阀和两个冷却液泵的精确控制，ModelY的热管理系统能够根据不同的工况调整工作模式，确保不同部件的温控需求都能得到有效满足。热泵的节能优势：热泵的使用显著提高了寒冷气候下的乘员舱加热效率。在低温环境下，传统的加热系统通常需要消耗大量电能，而热泵则能够以更低的能耗提供相同的加热效果。这一改进有效减少了在寒冷天气下的电能消耗，从而增加了整车的续驶里程，提升了车辆的整体能源利用效率。第六章典型纯电车热管理应用82图6-23ModelY热管理系统原理图集成化设计带来的优势：ModelY的热管理系统采用了集成化设计，结合了两个水泵和八通阀的高效控制方式。这一设计不仅简化了冷却液回路的布局，还优化了热管理的控制系统，降低了系统的复杂度和成本。通过这种方式，特斯拉进一步提升了热管理系统的可靠性和耐用性，同时降低了生产和维护成本。其热管理原理框图如图6-22和图6-23所示第六章典型纯电车热管理应用83图6-24ModelY热管理系统原理图（八通阀）结合教材图识别热源、冷源、被控对象与关键阀口，沿介质流向判断吸热、放热和回收路径，再联系环境温度与车辆工况解释控制器为何选择这一工作模式。第六章典型纯电车热管理应用84如图6-23所示，在ModelY的单独乘员舱制热模式下，系统能够根据电池温度…如图6-23所示，在ModelY的单独乘员舱制热模式下，系统能够根据电池温度的不同，灵活调整热量的提供方式，以优化能效和确保舒适性。第六章典型纯电车热管理应用85（1）乘员舱单独制热模式：当电池温度高于10°C时，热泵系统能够通过电池冷却器从电池…当电池温度高于10°C时，热泵系统能够通过电池冷却器从电池和电机的循环回路中回收热量，为乘员舱提供加热。冷媒通过压缩机后，依次经过电磁截止阀1、乘员舱冷凝器、电子膨胀阀2、气液分离器，最终返回压缩机，完成制热循环。这一过程不仅提升了系统的能效，还能够在较低的温度条件下充分利用电池余热。与此同时，冷却液通过电池冷却器与冷媒进行热交换，之后流经八通阀水口8至2、电池包、八通阀水口1至3、电子水泵1、控制器及驱动单元、八通阀水口4至6、液冷冷凝器、膨胀水壶、八通阀水口5至7、电子水泵2，最终返回电池冷却器。为了避免热量损失，室外换热器部分在这个过程中被八通阀遮蔽，确保系统的热量保持最大化。若电池温度较低，无法为乘员舱提供足够的热量，系统则主要依赖压缩机做功来加热乘员舱。在这种极端情况下，热泵系统无法通过外部散热器或电池冷却器与冷却液进行热量交换。此时，电子膨胀阀2和电磁截止阀2都处于关闭状态。冷媒经过压缩机压缩后，直接经过电磁截止阀1、乘员舱冷凝器、电子膨胀阀1、乘员舱蒸发器、气液分离器，最后回到压缩机，完成制热循环。冷却液循环保持与上述电池不提供热量时一致，但在电池冷却器处并不进行热交换。第六章典型纯电车热管理应用86当外部环境温度高于-10°C时，热泵系统优先从外部环境中吸收热量。在这种情况下，膨胀阀1会关闭，冷媒通过电池冷却器吸收环境中的热量。冷却液通过八通阀控制的液路依次经过八通阀水口8至6、液冷冷凝器、膨胀水壶、室外散热器、八通阀水口9至7、电子水泵2，最终返回电池冷却器，形成完整的闭环。整个热管理系统利用压缩机的电功率和电池回路的热量，实现了显著高于1的系统性能系数（COP）。在低温环境下，即使电池温度较低，热泵系统仍能有效地为乘员舱加热，保证乘员的舒适性，同时通过高效的热量回收和循环，最大程度地减少能耗，提高续航能力。第六章典型纯电车热管理应用87（2）乘员舱和电池同时加热模式：通常电池包的温度会高于外界环境温度。通常电池包的温度会高于外界环境温度。然而，在极端情况下，当环境温度降至-10℃以下时，电池的温度也可能低于理想工作温度，此时热泵系统无法从外部环境中获得足够的热量。为了在这种低温环境下同时保持乘员舱的舒适性和为电池加热，热泵系统依赖压缩机提供的功率进行加热，此时系统的COP（性能系数）为1，即能效较低。第六章典型纯电车热管理应用88（2）乘员舱和电池同时加热模式：从系统原理图来看，冷媒在经过压缩机加压后，通过两个截止阀（…从系统原理图来看，冷媒在经过压缩机加压后，通过两个截止阀（截止阀1和截止阀2）按比例分流。首先，部分冷媒通过乘员舱冷凝器进行加热，另一部分则通过液冷冷凝器进行热交换。两路冷媒在电子膨胀阀1处汇合后，流经乘员舱蒸发器、气液分离器，并最终回到压缩机，完成一个制热循环。在这一过程中，冷却液依然在电池冷却器处与冷媒进行热交换。冷媒加热冷却液后，将热量传递给电池包，从而保证电池在低温环境下仍能保持合适的温度。然而，在某些特殊情况下，如电池需要快速升温（例如进行大电流充电时，电池温度必须高于0℃才能确保安全充电），热泵系统需要牺牲部分乘员舱的舒适性来确保电池的加热。此时，热泵会通过关闭截止阀1和电子膨胀阀1，打开电子膨胀阀2，保持冷却液的循环不变，并启用“快速加热电池包模式”。这样，冷却液将继续流动，直接向电池包传递热量，迅速提升电池的温度，使其达到能够进行充电或大功率放电的状态。第六章典型纯电车热管理应用89（3）乘员舱制热与电池冷却模式：这一工作模式通常出现在低温环境下，尤其是在车辆进行大功率快…这一工作模式通常出现在低温环境下，尤其是在车辆进行大功率快充时。由于快充时间较短，乘员往往需要在车内等待充电，因此乘员舱的制热功能需要得到充分保障。在这种情况下，热管理系统的冷媒流向与其他模式有所不同。具体工作原理如下：经过压缩机加压后的冷媒，会分为两路。一部分冷媒经过乘员舱冷凝器，用于加热乘员舱；另一部分则流经液冷冷凝器，随后两路冷媒会在电子膨胀阀2与电池冷却器处汇合，并通过蒸发吸热后，回流至压缩机完成循环。同时，冷却液的流动也被八通阀分成两路。首先，经过电池冷却器的冷却液在冷媒的作用下被冷却后，依次流经八通阀水口8至2，进入电池包，随后通过八通阀水口1至7，进入电子水泵1，最终返回电池冷却器，形成闭环循环。另一部分冷却液经过液冷冷凝器，与电驱动系统和室外散热器串联，将多余的热量排放至室外环境。特斯拉这一设计非常巧妙，既确保了乘员舱的舒适性，又有效管理了电池温度。第六章典型纯电车热管理应用90（3）乘员舱制热与电池冷却模式：当乘员舱的制热需求超过时，部分热量通过液冷冷凝器被排放到室…当乘员舱的制热需求超过时，部分热量通过液冷冷凝器被排放到室外环境，这部分热量不会影响电池包的温控。而当乘员舱制热需求不足时，系统会关闭截止阀2，使冷媒的所有热量都集中供应给乘员舱冷凝器，从而增强制热效果。此外，在一些情况下，当电池散热能力不足时，八通阀可以调节冷却液的流向，使其先经过室外换热器，从而进一步降低循环水的温度，帮助电池达到最佳工作状态。第六章典型纯电车热管理应用91（4）余热回收模式：特斯拉的热管理系统展现了热泵空调技术的独特优势和智能化控制…特斯拉的热管理系统展现了热泵空调技术的独特优势和智能化控制的高度应用。这一模式的核心思想是利用整车冗余的热量进行存储，并在下一次使用时加以释放，帮助提高能效并延长续航。由于电池包对温度非常敏感，通常会在其表面加装较厚的保温层，以确保电池温度维持在一个稳定的范围内。这一特性使得电池包成为理想的热量存储载体。特别是在冬季，车辆停车并且乘员离开后，乘员舱或电机内部依然可能会有一定的余热残留。此时，热泵系统可以将这些残余的热量收集并存储到电池包内。在这一工作模式下，乘员舱内部的制冷循环与普通制冷状态类似，冷媒和冷却液通过液冷冷凝器进行热交换。冷却液在八通阀的控制下，避免与外部环境的热交换，即屏蔽了室外散热器，防止热量通过散热器被释放到外界。当车辆再次启动时，电池包的温度能够保持在较高水平，热泵系统便能够有效地利用电池包中的余热为乘员舱提供加热。通过这一模式，特斯拉实现了在低温环境下利用整车剩余热量的再利用，不仅有效减少了能量消耗，还提升了车辆在寒冷天气中的续航表现与舒适性。第六章典型纯电车热管理应用92（4）余热回收模式：从特斯拉系列车型热管理系统的发展历程来看，主要体现出以下几…从特斯拉系列车型热管理系统的发展历程来看，主要体现出以下几个显著特点：第六章典型纯电车热管理应用93多元化工作模式：特斯拉的整车热管理系统服务于电机、电控系统、电池、辅助驾驶系统及乘员舱舒适性等多个方面，系统根据不同需求可以切换多种工作模式，适应不同的工况。集成化设计：特斯拉通过集成化设计的思路来简化热管理系统，降低成本，提高系统的技术含量。通过优化冷却液回路、热泵技术的引入等手段，使得热管理系统更加紧凑高效。第六章典型纯电车热管理应用94注重能效与能耗管理：特斯拉逐渐意识到热管理系统对能耗的影响，采用热泵技术降低加热过程中的能耗，尤其是在寒冷环境下，通过余热回收和热泵加热的方式，提升了整体能效并延长了电动车的续航里程。第六章典型纯电车热管理应用95图6-25小鹏P7的热管理系统原理图小鹏P7的热管理系统采用了连通的水路设计，通过三通阀和四通阀实现水路的串联与并联模式。这种设计使得系统能够根据不同工况灵活调整，优化各个部件的温控效果。整个热管理系统的框图如图6-24所示。第六章典型纯电车热管理应用964.小鹏P7：空调热舒适性系统：空调热舒适性系统：该系统主要负责车内的空调制热、制冷、除湿、前挡玻璃除雾、车内温度调节以及空气循环的智能调节等功能，确保车主在不同气候条件下的驾驶舒适性。电池加热与冷却系统：此系统采用一个四通换向阀和两个三通比例阀，实现电池和电机回路的串联与并联。通过这些阀门的控制，系统可实现余热回收和电池温度管理功能。第六章典型纯电车热管理应用97在高温环境下，系统通过电池换热器，利用制冷剂强制冷却电池。在中温环境下，四通换向阀将电池回路与电机回路串联，通过低温散热器进行散热，从而节省电动压缩机的能耗。第六章典型纯电车热管理应用98在低温环境下，三通比例阀使低温散热器短路，电池和电机回路串联，将电机余热回收并…在低温环境下，三通比例阀使低温散热器短路，电池和电机回路串联，将电机余热回收并传递给电池以保持电池温度。在超低温环境下，三通比例阀配合水水换热器为电池回路加热，实现快速升温。第六章典型纯电车热管理应用99电驱冷却系统：该系统通过电动水泵将冷却液送至低温散热器，为电机控制器和电机提供散热，确保电驱系统在高负载运行时的温控。XPU和大屏主机散热：根据温度变化和温升速率，系统自动控制电机水泵的开启，将电机回路中的一部分冷却液流向XPU和大屏主机的水冷板进行散热，并通过散热器或旁通系统将热量排出。第六章典型纯电车热管理应用100补水排气系统：通过膨胀水壶，系统为电池、电机和暖风回路提供补水功能，确保三个回路在运行过程中的液体充足。电池和电驱回路共用一个分水箱进行排气，而暖风回路则有一个单独的分水箱用于排气。通过上述设计，整车热管理系统能够有效调节各个部件的温度，确保电池、电驱系统及乘员舱在不同工况下的温控需求，从而提高车辆的能效和驾驶体验。第六章典型纯电车热管理应用101各个模块的热管理策略如下：第六章典型纯电车热管理应用102（1）电机冷却控制：电机冷却由VCU（VehicleControlUnit…电机冷却由VCU（VehicleControlUnit，整车控制单元）控制。VCU通过判断电机回路中某一器件温度是否过高来启动电机冷却系统。系统会调节电机回路水泵的转速和电子风扇的转速，同时HVAC（Heating,Ventilation,andAirConditioning，空调系统）会调节三通比例水阀1的位置来控制散热器的运行。开启温度值：第六章典型纯电车热管理应用103电机温度高于75℃IPU（InverterPowerUnit，电机控制单…电机温度高于75℃IPU（InverterPowerUnit，电机控制单元）温度高于45℃第六章典型纯电车热管理应用104DCDC（DC-DCConverter，直流-直流转换器）温度高于60℃O…DCDC（DC-DCConverter，直流-直流转换器）温度高于60℃OBC（On-BoardCharger，车载充电器）温度高于50℃第六章典型纯电车热管理应用105冷却回路：电机回路水泵→电机系统→三通比例水阀1→散热器/旁通→四通换向水阀→电机回路水泵第六章典型纯电车热管理应用106（2）电池冷却系统：电池冷却分为两种模式：电池冷却分为两种模式：充电场景和行车场景。充电场景：BMS（BatteryManagementSystem，电池管理系统）根据电池的冷却需求作出判断，VCU确认是否满足冷却条件。HVAC会根据环境温度、电池回路水温和电机回路水温判断是否使用压缩机冷却，并驱动水阀和压缩机，发出水泵和风扇请求。第六章典型纯电车热管理应用107冷却回路：压缩机→冷凝器→电子膨胀阀→电池换热器→压缩机在行车场景下，VCU再次判断是否满足电池冷却条件，并根据环境温度、电池回路水温和电机回路水温判断是否使用压缩机冷却。通过驱动水阀和压缩机，发出水泵和风扇请求。第六章典型纯电车热管理应用108冷却回路：电池回路水泵→动力电池→水水换热器→电池换热器第六章典型纯电车热管理应用109（3）电池加热系统：加热需求判断BMS根据电池状态判断是否存在加热需求，VC…加热需求判断BMS根据电池状态判断是否存在加热需求，VCU根据整车状态发送高压系统状态信号，HVAC计算电池需要的水温并启动PTC加热器和水泵。第六章典型纯电车热管理应用110加热回路冷却回路1：加热回路冷却回路1：电池回路水泵→水水换热器→电池换热器→动力电池→四通换向水阀→电池回路水泵第六章典型纯电车热管理应用111冷却回路2：采暖回路水泵→水加热PTC→三通比例水阀2→水水换热器→采暖回路水泵第六章典型纯电车热管理应用112（4）电池热平衡管理：当电池电芯的最高温度与最低温度差值过大，或电池回路水温与电…当电池电芯的最高温度与最低温度差值过大，或电池回路水温与电池的最高/最低温度差值过大时，会导致冷热冲击，需开启电池水泵进行电池热平衡。冷却回路：第六章典型纯电车热管理应用113电池回路水泵→动力电池→水水换热器→电池换热器→电池回路水泵第六章典型纯电车热管理应用114（5）电池与电机回路的联合冷却与热回收：该部分包括电池LT冷却、电池预冷和电机余热回收三种策略。该部分包括电池LT冷却、电池预冷和电机余热回收三种策略。电池LT冷却：当环境温度低于25℃且电池温度较高时，四通换向水阀会切换位置，将电池回路和电机回路串联，利用散热器给电池散热，从而节能。第六章典型纯电车热管理应用115电池预冷：当电池温度即将达到冷却需求温度时，散热器会预先对电池进行冷却。电机余热回收：当电池温度较低且电机回路水温高于电池回路水温时，电池和电机回路会串联，利用电机回路温度对电池进行加热，使电池保持在适宜的工作温度范围内，达到节能的效果。第六章典型纯电车热管理应用116冷却回路：四通换向水阀→电机回路水泵→电机系统→三通比例水阀1→散热器/旁通→四通换向水阀→电池回路水泵→水水换热器→电池换热器→动力电池→四通换向水阀第六章典型纯电车热管理应用117通过这些热管理策略，系统能够实现多种工况下的动态温控调节，确保电池、电机和其他…通过这些热管理策略，系统能够实现多种工况下的动态温控调节，确保电池、电机和其他关键组件在最佳温度范围内运行，从而提高整车的性能和能效，延长使用寿命，并提升驾驶体验。第六章纯电动汽车整车热管理应用1186.2纯电动汽车整车热管理应用小结：结构变化最终要落到能效与性能纯电动车热管理的主线是