《工程科学学报》：电动汽车集成热管理研究进展

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工程科学学报.第42卷.第4期：412-422.2020年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.42,No.4:412-422,April 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.20.003;http://cje.ustb.edu.cn 电动汽车集成热管理研究进展姚孟良”，甘云华)四，梁嘉林”，李勇) 1)华南理工大学电力学院，广州5106402)华南理工大学机械与汽车工程学院.广州510640 ☒通信作者，E-mail:ganyh@scut.edu.cn 摘要电动汽车具有节能环保的优点，电池、乘员舱和电机驱动系统的热管理是提高其运行安全性和司乘人员舒适性的关键技术.针对电动汽车集成热管理系统构建过程中的关键问题，首先概述了电池、乘员舱和电机驱动系统的产热模型；其次系统地总结了现有的电池、乘员舱和电机驱动系统的热管理方法，重点分析了集成热管理系统的研究现状、运行控制和系统性能评价：最后总结了当前研究存在的不足并进行了研究展望，指出研究准确的产热计算模型，发展紧凑高效的集成热管理系统，在综合性能评价体系下优化集成热管理系统的运行控制是未来的主要研究方向关键词电动汽车：热管理系统：集成：运行控制：整体优化分类号TK16 Research progress in integrated thermal management of electric vehicles YAO Meng-liang,GAN Yun-hua,LIANG Jia-lin,LI Yong? 1)School of Electric Power,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China 2)School of Mechanical Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China Corresponding author,E-mail:ganyh @scut.edu.cn ABSTRACT Severe energy crisis and environmental pollution are the foremost problems in the world today.Electric vehicles have several advantages over traditional internal combustion engine-based vehicles,such as high energy efficiency and low emissions,which are effective in alleviating the energy crisis and environmental problems.However,the electric vehicles'performance is greatly affected by temperature.An excessively high temperature during the charging and discharging process may accelerate the degradation rate of a battery cell and shorten its lifespan.In contrast,an excessively low temperature may reduce the battery's efficiency and affect its discharge capacity.Air-conditioning systems in electric vehicles consume electricity to create a comfortable environment in the passenger compartment.However,excessive temperature of the motor drive will decrease its efficiency.Therefore,the battery,passenger compartment and motor drive system must be maintained at adequate temperatures to ensure the safety,comfort,and economy of the electric vehicles.Previous studies usually focused on a single thermal management system at a time,such as a battery thermal management system,air-conditioning systems in electric vehicles,and motor thermal management system.This means that the coupling relationships between the above-mentioned thermal management systems and the performance analysis of the integrated thermal management system at the vehicle level were not properly investigated.This study focused on the key issues in the construction of an integrated thermal management system for electric vehicles.Firstly,the heat generation models of the battery,passenger compartment, and motor drive system were summarized.Secondly,the existing thermal management methods for these three systems were systematically reviewed.Especially,the research status,operation control,and performance evaluation of the integrated thermal management system were especially analyzed.Finally,the deficiencies of the previous studies were summarized and the research 收稿日期：2019-12-20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51776077)：广东省自然科学基金资助项目(2020B1515020040,2018B030311043):广州市科技计划资助项目(201707010071)

电动汽车集成热管理研究进展姚孟良1)，甘云华1) 苣，梁嘉林1)，李勇2) 1) 华南理工大学电力学院，广州 510640 2) 华南理工大学机械与汽车工程学院，广州 510640 苣通信作者，E-mail: ganyh@scut.edu.cn 摘要电动汽车具有节能环保的优点，电池、乘员舱和电机驱动系统的热管理是提高其运行安全性和司乘人员舒适性的关键技术. 针对电动汽车集成热管理系统构建过程中的关键问题，首先概述了电池、乘员舱和电机驱动系统的产热模型；其次系统地总结了现有的电池、乘员舱和电机驱动系统的热管理方法，重点分析了集成热管理系统的研究现状、运行控制和系统性能评价；最后总结了当前研究存在的不足并进行了研究展望，指出研究准确的产热计算模型，发展紧凑高效的集成热管理系统，在综合性能评价体系下优化集成热管理系统的运行控制是未来的主要研究方向. 关键词电动汽车；热管理系统；集成；运行控制；整体优化分类号 TK16 Research progress in integrated thermal management of electric vehicles YAO Meng-liang1) ，GAN Yun-hua1) 苣，LIANG Jia-lin1) ，LI Yong2) 1) School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China 2) School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China 苣 Corresponding author, E-mail: ganyh@scut.edu.cn ABSTRACT Severe energy crisis and environmental pollution are the foremost problems in the world today. Electric vehicles have several advantages over traditional internal combustion engine-based vehicles, such as high energy efficiency and low emissions, which are effective in alleviating the energy crisis and environmental problems. However, the electric vehicles’ performance is greatly affected by temperature. An excessively high temperature during the charging and discharging process may accelerate the degradation rate of a battery cell and shorten its lifespan. In contrast, an excessively low temperature may reduce the battery ’s efficiency and affect its discharge capacity. Air-conditioning systems in electric vehicles consume electricity to create a comfortable environment in the passenger compartment. However, excessive temperature of the motor drive will decrease its efficiency. Therefore, the battery, passenger compartment and motor drive system must be maintained at adequate temperatures to ensure the safety, comfort, and economy of the electric vehicles. Previous studies usually focused on a single thermal management system at a time, such as a battery thermal management system, air-conditioning systems in electric vehicles, and motor thermal management system. This means that the coupling relationships between the above-mentioned thermal management systems and the performance analysis of the integrated thermal management system at the vehicle level were not properly investigated. This study focused on the key issues in the construction of an integrated thermal management system for electric vehicles. Firstly, the heat generation models of the battery, passenger compartment, and motor drive system were summarized. Secondly, the existing thermal management methods for these three systems were systematically reviewed. Especially, the research status, operation control, and performance evaluation of the integrated thermal management system were especially analyzed. Finally, the deficiencies of the previous studies were summarized and the research 收稿日期: 2019−12−20 基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51776077）；广东省自然科学基金资助项目（2020B1515020040，2018B030311043）；广州市科技计划资助项目（201707010071）工程科学学报，第 42 卷，第 4 期：412−422，2020 年 4 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 42, No. 4: 412−422, April 2020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.20.003; http://cje.ustb.edu.cn

姚孟良等：电动汽车集成热管理研究进展 413 prospects were proposed.It is pointed out that it is necessary to study the accurate heat generation models,develop the compact and efficient integrated thermal management system,and optimize the operation control of the integrated thermal management system under a comprehensive performance evaluation system in the near future. KEY WORDS electric vehicle;thermal management system;integration;operational control;global optimization 日益严峻的能源危机和环境污染是当今世界面 1.1电池产热模型临的两大难题山电动汽车与传统内燃机汽车相比电池产热模型按原理可分为电化学-热耦合具有能源利用效率高四、污染物排放少等优点)，模型、电-热耦合模型和热滥用模型，本文主要介能够有效缓解能源危机和环境问题.世界各国都在绍电池在正常工作情况下的电化学一热耦合模型大力发展电动汽车，我国“十三五”规划中也明确和电一热耦合模型.从传热角度看，电池的产热、指出：“实施新能源汽车推广计划，提高电动车产业散热过程是一个有时变内热源的非稳态过程，其化水平.”温度是影响电池性能的关键因素4，电池遵循能量守恒方程：充放电过程中温度过高可能造成电池腐蚀、分解甚至爆炸阿，温度过低则可能造成电池功率和容量衰 =7(a7T)+9 (1) 减、充放电效率下降切电动汽车夏季制冷时压缩机式中，p为电池单元的密度，kgm；c为电池单元的由电机驱动，冬季难以利用内燃机余热供暖圆.电动比热容，J(kgK);A为电池单元的导热系数，汽车所有辅助系统中空调系统能耗最大9，严重影 W(mK);T为电池单元的温度，K;t为时间，s 响汽车的行驶里程此外，电机驱动系统温度较高 9为电池单元的产热率，Wm3.由式(1)可知，通过时，其寿命和效率会急剧下降叫因此，研发高效的求解电池导热微分方程可以解决电池温度场分布热管理系统，使电池、乘员舱、电机驱动系统处在适这一传热学问题，因此对电池产热率的计算是求宜的温度范围内是推进电动汽车发展的必要措施解该热问题的关键之一.目前最常用的计算电池电动汽车集成热管理系统由电池热管理、乘员舱热管理和电机驱动系统热管理中的两个或三产热率的模型是Bernardi产热率模型u): 个子系统组成，各热管理子系统的性能相互影响， (2) 存在复杂的耦合关系.近年来，电池热管理、乘员舱热管理和电机驱动系统热管理都取得了较多的式中，I为电流，A;为电池体积，m3;Uo为开路电研究成果，然而现有的热管理研究往往针对某单压，V;U为工作电压，V 一系统展开，割裂了各子系统之间的耦合关系，忽电化学-热耦合模型是以电化学反应产热为视了对整车层面热管理系统性能的分析，因此亟基础，利用能量守恒定律来研究电池内部的热特需对电动汽车集成热管理系统进行统筹设计.本性，进而指导电池单体内部参数的微观设计.近年文从电动汽车集成热管理系统构建过程中的关键来主要通过提高模型维数，、细化产热和热传递问题出发，首先阐述各热管理子系统的产热模型，过程6来研究电池热特性，张立军等☑基于多其次介绍各子系统热管理的方法，重点分析集成孔电极理论和温度场相似准则提出了电化学一热热管理系统的研究现状、运行控制和性能评价，最耦合模型的建模思路（图1），通过该模型研究电池后总结电动汽车集成热管理系统研究中亟需解决内部分层结构发热分布和温度场预测的问题并进行展望电一热耦合模型通过计算电池内部电流分布仿 1产热模型真温度分布，通常用来指导电池尺寸、电极大小、电极分布和电池组散热系统等宏观设计.姬芬竹等劉电动汽车集成热管理系统的作用是妥善解决车内热量产生与传输的问题，车内的热源主要有在Bernardi产热率模型的基础上建立了LiFePO4电电池产热、空调系统冷热负荷以及电机驱动系统池三维电-热耦合模型，其数学控制方程分别为：产热.电池和电机驱动系统的产热量是空调系统 aT 所要考虑的重要因素之一，整车冷热负荷的计算丽+证+卵-9卿（3）是空调系统选型的依据，因此准确建立各子系统产 aT O2T 热模型是集成热管理系统设计优化的理论基础. PaCn 2T, F=kar证+ks+ke欣+9a-加（4）

prospects were proposed. It is pointed out that it is necessary to study the accurate heat generation models, develop the compact and efficient integrated thermal management system, and optimize the operation control of the integrated thermal management system under a comprehensive performance evaluation system in the near future. KEY WORDS electric vehicle；thermal management system；integration；operational control；global optimization 日益严峻的能源危机和环境污染是当今世界面临的两大难题[1] . 电动汽车与传统内燃机汽车相比具有能源利用效率高[2]、污染物排放少等优点[3] ，能够有效缓解能源危机和环境问题. 世界各国都在大力发展电动汽车，我国“十三五”规划中也明确指出：“实施新能源汽车推广计划，提高电动车产业化水平. ”温度是影响电池性能的关键因素[4–5] ，电池充放电过程中温度过高可能造成电池腐蚀、分解甚至爆炸[6] ，温度过低则可能造成电池功率和容量衰减、充放电效率下降[7] . 电动汽车夏季制冷时压缩机由电机驱动，冬季难以利用内燃机余热供暖[8] . 电动汽车所有辅助系统中空调系统能耗最大[9] ，严重影响汽车的行驶里程[10] . 此外，电机驱动系统温度较高时，其寿命和效率会急剧下降[11] . 因此，研发高效的热管理系统，使电池、乘员舱、电机驱动系统处在适宜的温度范围内是推进电动汽车发展的必要措施. 电动汽车集成热管理系统由电池热管理、乘员舱热管理和电机驱动系统热管理中的两个或三个子系统组成，各热管理子系统的性能相互影响，存在复杂的耦合关系. 近年来，电池热管理、乘员舱热管理和电机驱动系统热管理都取得了较多的研究成果，然而现有的热管理研究往往针对某单一系统展开，割裂了各子系统之间的耦合关系，忽视了对整车层面热管理系统性能的分析，因此亟需对电动汽车集成热管理系统进行统筹设计. 本文从电动汽车集成热管理系统构建过程中的关键问题出发，首先阐述各热管理子系统的产热模型，其次介绍各子系统热管理的方法，重点分析集成热管理系统的研究现状、运行控制和性能评价，最后总结电动汽车集成热管理系统研究中亟需解决的问题并进行展望. 1 产热模型电动汽车集成热管理系统的作用是妥善解决车内热量产生与传输的问题，车内的热源主要有电池产热、空调系统冷热负荷以及电机驱动系统产热. 电池和电机驱动系统的产热量是空调系统所要考虑的重要因素之一，整车冷热负荷的计算是空调系统选型的依据，因此准确建立各子系统产热模型是集成热管理系统设计优化的理论基础. 1.1 电池产热模型电池产热模型按原理可分为电化学−热耦合模型、电−热耦合模型和热滥用模型，本文主要介绍电池在正常工作情况下的电化学−热耦合模型和电−热耦合模型. 从传热角度看，电池的产热、散热过程是一个有时变内热源的非稳态过程，其遵循能量守恒方程[12] ： ρc ∂T ∂τ = ∇ ·(λ∇T)+q˙ （1） ρ c λ T q˙ q˙ 式中，为电池单元的密度，kg·m−3 ；为电池单元的比热容， J·（ kg·K） −1 ；为电池单元的导热系数， W·（m·K） −1 ；为电池单元的温度，K； τ 为时间， s；为电池单元的产热率，W·m−3 . 由式（1）可知，通过求解电池导热微分方程可以解决电池温度场分布这一传热学问题，因此对电池产热率的计算是求解该热问题的关键之一. 目前最常用的计算电池产热率的模型是 Bernardi 产热率模型[13] ： q˙ = I Vb (U0 −U)− I Vb ( T dU0 dT ) （2） I Vb U0 U 式中，为电流，A；为电池体积，m 3 ；为开路电压，V；为工作电压，V. 电化学−热耦合模型是以电化学反应产热为基础，利用能量守恒定律来研究电池内部的热特性，进而指导电池单体内部参数的微观设计. 近年来主要通过提高模型维数[14]、细化产热和热传递过程[15–16] 来研究电池热特性，张立军等[17] 基于多孔电极理论和温度场相似准则提出了电化学−热耦合模型的建模思路（图 1），通过该模型研究电池内部分层结构发热分布和温度场预测. 电−热耦合模型通过计算电池内部电流分布仿真温度分布，通常用来指导电池尺寸、电极大小、电极分布和电池组散热系统等宏观设计. 姬芬竹等[18] 在 Bernardi 产热率模型的基础上建立了 LiFePO4 电池三维电−热耦合模型，其数学控制方程分别为： ρpCp ∂T ∂τ = kpx ∂ 2T ∂x 2 +kpy ∂ 2T ∂y 2 +kpz ∂ 2T ∂z 2 +q˙p −q˙fp （3） ρnCn ∂T ∂τ = knx ∂T 2 ∂x 2 +kny ∂ 2T ∂y 2 +knz ∂ 2T ∂z 2 +q˙n −q˙fn （4）姚孟良等：电动汽车集成热管理研究进展 · 413 ·

414 工程科学学报，第42卷，第4期 Thermal model 3D temperature field model based on similarity principle T T Cathode Anode electrochemical Electrolyte ohmic heat electrochemical heat heat Positive Negative collector coll ector Negative collector Positive collector plate plate plate ohmic heat plate ohmic heat , 困1电化学-热耦合模型的建模思路与耦合过程叼 Fig.1 Modeling idea and coupling relationship of electrochemical-thermal coupling model! 02T 82T 02T =k+k+k红 PC +4:-9f (5) 片的电流，A;hp、hn分别为正负极片的厚度，m; Sp、Sm分别为正负极片在y平面内的面积，m2.通 4p-J Uo-U-T+hRm (6) 过该模型仿真研究了自然冷却和强制空气对流换热冷却下电池的产热和散热特性，基于仿真结果 4n=JUo-U-T dUo) dT +In2Rpo (7) 对出风口的位置进行了优化 1.2空调冷热负荷 4r=0 (8) 电动汽车冷热负荷的确定以建筑物冷热负荷 Jp=cp△pp (9) 计算方法为基础，将汽车视为“运动的建筑物”，乘 Jh=cn△pn (10) 员舱视为“移动的房间”.汽车空调冷热负荷计算方法可分为稳态传热法、准稳态传热法和非稳态 △pp=cphpSp (11) 传热法3种町鉴于影响整车冷热负荷的因素很多，包括气象参数、车身结构及材料、车辆速度、 △pm=TenlnSn =0 (12) 乘员人数、乘员舱电器发热量和电池包发热量等20 目前关于电动汽车冷热负荷的计算通常采用稳态式中，Pp、Pa、p分别为正极片集流体、负极片集流传热法，通过仿真软件实时研究不同参数的变化体和电池极板密度，kgm:Cp、Cn、C分别为正极片集流体、负极片集流体和电池极板的比热容，对整车冷热负荷的影响.叶立等四根据式(13)，使用一维仿真软件探寻影响夏季整车热负荷的最大 J(kgK);kx、ky、k分别为正极片内沿x,,方向的导热系数，W(mK);knr、kv、kn分别为负极因素，结果表明前窗玻璃的吸收比、透射比越低，片内沿x,y,z方向的导热系数，W(mK)；kx、安装倾角越大，前窗玻璃传人的热负荷越小 ko、k分别为电池极板内沿x,y,二方向的导热系 E=Ce+o+a+ep+2g+Cba (13) 数，W(mK);9p,ga、分别为正极片集流体、负式中，QE、Qe、Q、Qa、2p、Q和Qa分别为乘员舱极片集流体和电池极板的产热率，Wm3;p、gm 总热负荷、通过车身围护结构传入乘员舱的热负 9分别为正极片集流体、负极片集流体和电池极荷、通过车窗传人乘员舱的热负荷、车内驾驶员板的散热率，Wm3;p、Jn分别为正负极片内的电及乘客散发的热量、新风热负荷、乘客舱内的电流密度，Am3;p、1分别为流经正极片集流体和器散热热负荷和电池包传人乘员舱的热负荷，单负极片集流体的电流，A:Rp、Rm分别为正极片集位均为W 流体和负极片集流体的等效极化内阻，2：σ甲 1.3电机产热模型 cm分别为正负极片的电导率，Sm;△p、△pa分别电机将电能转化为机械能的过程中会产生能量为正负极片内电势差，V;Ip、m分别为流经正负极损耗，主要包括铁芯损耗、绕组损耗和机械损耗

ρrCr ∂T ∂τ = krx ∂ 2T ∂x 2 +kry ∂ 2T ∂y 2 +krz ∂ 2T ∂z 2 +q˙r −q˙fr （5） q˙p = Jp ( U0 −U −T dU0 dT ) + Ip 2Rpp （6） q˙n = Jn ( U0 −U −T dU0 dT ) + In 2Rpn （7） q˙r = 0 （8） Jp = σcp ·∆ϕp （9） Jn = σcn ·∆ϕn （10） ∆ϕp = Itp σcphpS p （11） ∆ϕn = Itn σcnhnS n = 0 （12） ρp ρn ρr Cp Cn Cr kpx kpy kpz knx kny knz krx kry krz q˙p q˙n q˙r q˙fp q˙fn q˙fr Jp Jn Ip In Rpp Rpn σcp σcn ∆ϕp ∆ϕn Itp Itn 式中，、、分别为正极片集流体、负极片集流体和电池极板密度，kg·m−3 ；、、分别为正极片集流体、负极片集流体和电池极板的比热容， J·（kg·K） −1 ；、、分别为正极片内沿 x，y，z 方向的导热系数，W·（m·K） −1 ；、、分别为负极片内沿 x， y， z 方向的导热系数， W·（ m·K） −1 ；、、分别为电池极板内沿 x，y，z 方向的导热系数，W·(m·K)−1 ；，、分别为正极片集流体、负极片集流体和电池极板的产热率，W·m−3 ；、、分别为正极片集流体、负极片集流体和电池极板的散热率，W·m−3 ；、分别为正负极片内的电流密度，A·m−3 ；、分别为流经正极片集流体和负极片集流体的电流，A；、分别为正极片集流体和负极片集流体的等效极化内阻， Ω；、分别为正负极片的电导率，S·m−1 ；、分别为正负极片内电势差，V；、分别为流经正负极 hp hn S p S n 片的电流， A；、分别为正负极片的厚度，m；、分别为正负极片在 xy 平面内的面积，m 2 . 通过该模型仿真研究了自然冷却和强制空气对流换热冷却下电池的产热和散热特性，基于仿真结果对出风口的位置进行了优化. 1.2 空调冷热负荷电动汽车冷热负荷的确定以建筑物冷热负荷计算方法为基础，将汽车视为“运动的建筑物”，乘员舱视为“移动的房间”. 汽车空调冷热负荷计算方法可分为稳态传热法、准稳态传热法和非稳态传热法 3 种[19] . 鉴于影响整车冷热负荷的因素很多，包括气象参数、车身结构及材料、车辆速度、乘员人数、乘员舱电器发热量和电池包发热量等[20] . 目前关于电动汽车冷热负荷的计算通常采用稳态传热法，通过仿真软件实时研究不同参数的变化对整车冷热负荷的影响. 叶立等[21] 根据式（13），使用一维仿真软件探寻影响夏季整车热负荷的最大因素，结果表明前窗玻璃的吸收比、透射比越低，安装倾角越大，前窗玻璃传入的热负荷越小. QE = Qe + Qb + Qa + Qp + Qg + Qba （13）式中， QE、Qe、Qb、Qa、Qp、Qg 和 Qba 分别为乘员舱总热负荷、通过车身围护结构传入乘员舱的热负荷、通过车窗传入乘员舱的热负荷、车内驾驶员及乘客散发的热量、新风热负荷、乘客舱内的电器散热热负荷和电池包传入乘员舱的热负荷，单位均为 W. 1.3 电机产热模型电机将电能转化为机械能的过程中会产生能量损耗，主要包括铁芯损耗、绕组损耗和机械损耗. Thermal model 3 D temperature field model based on similarity principle Cathode electrochemical heat Electrolyte ohmic heat A node electrochemical heat Negative collector plate ohmic heat Positive collector plate Cathode Negative coll ector Positive collector plate plate ohmic heat Electrolyte Anode Qohm,− Qche,− Qohm,1 Qohm,+ Qche,+ T− T1 T+ 图 1 电化学−热耦合模型的建模思路与耦合过程[17] Fig.1 Modeling idea and coupling relationship of electrochemical–thermal coupling model[17] · 414 · 工程科学学报，第 42 卷，第 4 期

姚孟良等：电动汽车集成热管理研究进展 415 目前，计算电机铁芯损耗普遍使用的是Bertotti 差、体积变化大，因此通过添加纳米材料、金属分立铁耗模型22，其表达式如下式所示：翅片B乳、多孔介质B等导热材料，与空气B阿、液体3 PFe khfBa +kef2B2+kofl5B15 (14) 等介质组成的复合热管理结构成为主要的研究方式中，等号右侧三项分别为磁滞损耗、涡流损耗和向.热管是基于气液相变原理制成的高效传热元附加损耗，f为交变磁场频率，Hz:B为基波磁通密件，具有热响应速度快、结构紧凑等优点，广泛应度幅值，Wbm2,k、k和k均为损耗系数用于能源化工、航空航天、电子电力等领域？-测绕组损耗主要为基本铜耗，可根据焦耳楞次但热管仅仅是一种传热元件，在将电池中的热量导定律求得：出后还需要与其他散热方式结合，因此关于热管冷 Pam=∑PR: (15) 却系统的研究主要集中在研发高效新型热管B90 或将热管作为高效传热元件与空气、液体2-、式中，Pc为绕组铜损值，W;I为绕组中电流，A; 相变材料7结合组成复合热管理系统 R为工作时绕组的电阻，2. 2.2乘员舱热管理机械损耗通常可由经验公式进行计算电动汽车与传统内燃机汽车一样需要空调系上述的产热模型能够基本满足集成热管理系统来保证司乘人员的舒适度和驾驶的安全性.目统中不同热源产热量的计算，但对于复杂的产热前，电动汽车空调系统普遍采用的是蒸汽压缩式过程描述，还需要进一步完善单冷型空调与PTC(Positive temperature coefficient) 2热管理方法电加热器或燃油加热器结合的方式.这种空调方式与传统燃油车空调系统差异最小，最受汽车厂电动汽车电池、乘员舱和电机驱动系统针对家青睐，然而PTC电加热器耗电量大，会严重缩短各自的热管理需求都已发展出相应的热管理方电动汽车行驶里程48，燃油加热器系统复杂，且同法，然而随着电动汽车性能参数的提高，对热管理样会产生环境污染问题.热泵型空调既可以夏季系统的效果、动态响应特性和经济性等都提出了制冷又可以冬季制热，且制热的理论运行效率大更为严苛的要求，现有的研究在优化某一热管理于1，采用热泵型空调系统替代加热设备实现冬季系统性能的基础上，着眼于将不同热管理子系统取暖成为当前研究的热点.但是热泵型空调系统进行耦合也存在一些缺点，如冬季气温较低时热泵效率下 2.1电池热管理降，存在结霜等问题.因此目前的研究主要集中在电池热管理包括高温时对电池冷却和低温时采用辅助加热器9、余热回收5o等技术提高热泵对电池加热，按使用介质不同可分为空气、液体、系统在冬季的性能，设计新的热泵循环回路解决相变材料和热管热管理系统.空气热管理系统以热泵除霜5刚和挡风玻璃除雾问题5近年来，随着其结构简单、成本低及后期维护方便等优点)，最人们环保意识不断增强，传统含氟氯烃类制冷剂早应用于电池热管理系统.然而随着电池组能量已逐渐被淘汰，部分学者正在研究环保型制冷剂) 密度的增加和快充技术的发展，电池组在短时间内在汽车空调中的应用.此外，热电汽车空调系统网、会产生大量热量，研究结果表明以空气为传热介质磁热汽车空调系统5阿、储能汽车空调系统[5、吸附难以将电池的温度和温差控制在合理范围内242习式汽车空调系统57也都在研发阶段与空气相比，液体介质具有更高的热容量和传热 2.3电机驱动系统热管理系数，因此液体热管理系统更能达到动力电池电机驱动系统热管理主要处理冷却问题，根的热管理需求P)目前关于液体热管理系统的研据冷却介质不同分为风冷和液冷等.风冷的效果究集中在流道几何结构优化设计1、不同冷却介较差，在电机中会引起通风损耗，降低电机效率；质强化换热29、流速和流向控制01等方面.制约采用液体冷却能迅速带走电机驱动系统的产热液体热管理技术发展的主要因素在于该系统复量，使其能够长时间在适宜的温度下工作.目前关杂，需要较多附属设备，增加整车质量且存在泄漏于电机驱动系统热管理的研究主要集中在冷却流风险.相变材料指在特定温度下发生相变并吸收道优化设计58和冷却介质选择59等方面或释放能量的物质.相变材料以其成本低、冷却 2.4集成热管理效果优异、储能能力巨大等优点，成为近年来电池在当前电池能量密度和整车质量制约的情况热管理的热点然而相变材料导热率低、流动性下，降低辅助系统的能耗和提高动力系统的效率

目前，计算电机铁芯损耗普遍使用的是 Bertotti 分立铁耗模型[22] ，其表达式如下式所示： PFe = kh f Bα +ke f 2B 2 +kα f 1.5B 1.5 （14） f B kh ke kα 式中，等号右侧三项分别为磁滞损耗、涡流损耗和附加损耗，为交变磁场频率，Hz；为基波磁通密度幅值，Wb·m−2 ，、和均为损耗系数. 绕组损耗主要为基本铜耗，可根据焦耳-楞次定律求得： Pcui = ∑ Ii 2Ri （15） Pcui i Ii i Ri i 式中，为绕组铜损值，W；为绕组中电流，A；为工作时绕组的电阻，Ω. 机械损耗通常可由经验公式进行计算. 上述的产热模型能够基本满足集成热管理系统中不同热源产热量的计算，但对于复杂的产热过程描述，还需要进一步完善. 2 热管理方法电动汽车电池、乘员舱和电机驱动系统针对各自的热管理需求都已发展出相应的热管理方法，然而随着电动汽车性能参数的提高，对热管理系统的效果、动态响应特性和经济性等都提出了更为严苛的要求，现有的研究在优化某一热管理系统性能的基础上，着眼于将不同热管理子系统进行耦合. 2.1 电池热管理电池热管理包括高温时对电池冷却和低温时对电池加热，按使用介质不同可分为空气、液体、相变材料和热管热管理系统. 空气热管理系统以其结构简单、成本低及后期维护方便等优点[23] ，最早应用于电池热管理系统. 然而随着电池组能量密度的增加和快充技术的发展，电池组在短时间内会产生大量热量，研究结果表明以空气为传热介质难以将电池的温度和温差控制在合理范围内[24–25] . 与空气相比，液体介质具有更高的热容量和传热系数[26] ，因此液体热管理系统更能达到动力电池的热管理需求[27] . 目前关于液体热管理系统的研究集中在流道几何结构优化设计[28]、不同冷却介质强化换热[29]、流速和流向控制[30] 等方面. 制约液体热管理技术发展的主要因素在于该系统复杂，需要较多附属设备，增加整车质量且存在泄漏风险. 相变材料指在特定温度下发生相变并吸收或释放能量的物质. 相变材料以其成本低、冷却效果优异、储能能力巨大等优点，成为近年来电池热管理的热点[31] . 然而相变材料导热率低、流动性差、体积变化大，因此通过添加纳米材料[32]、金属翅片[33]、多孔介质[34] 等导热材料，与空气[35]、液体[36] 等介质组成的复合热管理结构成为主要的研究方向. 热管是基于气液相变原理制成的高效传热元件，具有热响应速度快、结构紧凑等优点，广泛应用于能源化工、航空航天、电子电力等领域[37– 38] . 但热管仅仅是一种传热元件，在将电池中的热量导出后还需要与其他散热方式结合，因此关于热管冷却系统的研究主要集中在研发高效新型热管[39–40] 或将热管作为高效传热元件与空气[41]、液体[42–46]、相变材料[47] 结合组成复合热管理系统. 2.2 乘员舱热管理电动汽车与传统内燃机汽车一样需要空调系统来保证司乘人员的舒适度和驾驶的安全性. 目前，电动汽车空调系统普遍采用的是蒸汽压缩式单冷型空调与 PTC（Positive temperature coefficient）电加热器或燃油加热器结合的方式. 这种空调方式与传统燃油车空调系统差异最小，最受汽车厂家青睐，然而 PTC 电加热器耗电量大，会严重缩短电动汽车行驶里程[48] ；燃油加热器系统复杂，且同样会产生环境污染问题. 热泵型空调既可以夏季制冷又可以冬季制热，且制热的理论运行效率大于 1，采用热泵型空调系统替代加热设备实现冬季取暖成为当前研究的热点. 但是热泵型空调系统也存在一些缺点，如冬季气温较低时热泵效率下降，存在结霜等问题. 因此目前的研究主要集中在采用辅助加热器[49]、余热回收[50] 等技术提高热泵系统在冬季的性能，设计新的热泵循环回路解决热泵除霜[51] 和挡风玻璃除雾问题[52] . 近年来，随着人们环保意识不断增强，传统含氟氯烃类制冷剂已逐渐被淘汰，部分学者正在研究环保型制冷剂[53] 在汽车空调中的应用. 此外，热电汽车空调系统[54]、磁热汽车空调系统[55]、储能汽车空调系统[56]、吸附式汽车空调系统[57] 也都在研发阶段. 2.3 电机驱动系统热管理电机驱动系统热管理主要处理冷却问题，根据冷却介质不同分为风冷和液冷等. 风冷的效果较差，在电机中会引起通风损耗，降低电机效率；采用液体冷却能迅速带走电机驱动系统的产热量，使其能够长时间在适宜的温度下工作. 目前关于电机驱动系统热管理的研究主要集中在冷却流道优化设计[58] 和冷却介质选择[59] 等方面. 2.4 集成热管理在当前电池能量密度和整车质量制约的情况下，降低辅助系统的能耗和提高动力系统的效率姚孟良等：电动汽车集成热管理研究进展 · 415 ·

416 工程科学学报，第42卷，第4期是延长电动汽车行驶里程的可行方式.保证动力 Water Water V3 tank 电池处在适宜的温度范围内可为整车提供一个稳 tank 定可靠的动力，而空调系统性能提升能够节省更 HVAC 多的能量，从而提升汽车行驶里程.人体舒适的温 Electric 4X Pump 2 motor Power 度区间与电池适宜的工作温度区间接近，且电机 Pump I battery 余热在冬季是一种可利用的热源.目前集成热管 Chiller Heating 理系统常见的耦合方式是以空调系统为主体，在 film ompressor 其蒸发器侧（冬夏不同）并联支路换热器，利用空调系统制冷或制热过程为电池包提供额外的冷源图3整车热管理系统方案设计6 或回收电机驱动系统的余热，在满足乘员舱热舒适 Fig.3 Vehicle thermal management system design 的同时实现电池或电机驱动系统的热管理需求散热部件的排布位置，由于空调冷凝器表面温度由上所述，电池、乘员舱和电机驱动系统分别最高，因此以汽车行驶方向为正，将电池散热器和有不同的热管理方法，这些热管理方法在效果、安电机散热器上下布置且置于空调冷凝器前方. 全性、稳定性和经济性等方面各有所长，因此根据电机余热在冬季是一种可以利用的热源，在实际需求选择特定的耦合方式并进行恰当的设计传统电机液冷回路上并联热交换器，再将该热交匹配是集成热管理系统发挥优势的关键.刘志勇换器并联到热泵系统蒸发侧（冬季工况）作为其低等6o]分析某车型的热管理需求后提出了一种集成温热源，通过热泵技术回收电机余热既可以降低热管理系统，如图2所示.该系统夏季采用单冷型电机驱动系统温度也能提高集成热管理系统的性空调制冷，在其蒸发器侧并联支路换热器为电池能.Tian等6提出了一种集车内热舒适、电池冷包散热提供冷源：冬季采用水加热器为乘员舱供却和电机余热回收为一体的电动汽车集成热管理暖，在该支路侧并联热交换器为电池组加热.试验 EVTMS(Electric vehicle thermal management 结果表明该集成热管理系统能够满足乘员舱及电 system),如图4所示.该系统充分利用了热泵技术池组的热管理需求.方财义等6刚设计了如图3所的优势，在热泵系统两个换热器侧分别并联热交示的整车热管理系统，该系统同样采用在单冷型换器支路，冬夏季通过不同循环支路电磁阀开闭空调蒸发器侧并联热交换器的方式解决乘员舱和实现与热泵技术耦合.结果表明，在开启电池冷却回电池包的夏季热管理需求，并为电池包专门设计 PCCR(Percentage of cooling capacity reduction) 了液冷回路，当电池包温度在38~45℃时，仅采在26.3%~32.1%之间，电机废热回收率在18.73%~ 用液冷回路为电池包散热.冬季则直接采用PTC 45.17%之间.此外，通过实验数据验证了EVTMS 电加热器和电加热膜分别为乘员舱和电池包加仿真模型，仿真结果表明采用电池冷却可使电池热，减少了加热中间液体介质的环节.此外，该系荷电比降低10.60%，采用电机余热回收可使加热统还将电机驱动系统热管理考虑在内并优化了各 COP(Coefficient of performance)提高25.55%.与 PTC加热器相比，EVTMS提高了31.71%行驶里 Water heate 程.杨小龙等61也进行了相关的研究工作，设计 alv 了如图5所示的纯电动轿车整车综合热管理系统 ater con 并进行了冬夏季仿真研究，结果表明整车综合热管理系统可为车内、电机及电池提供良好的热环境，特别是对于冬季制热模式，与PTC电加热器相 Condense Solenoi 比，纯电动轿车采用热泵系统，其制热运行时的整车电能消耗可降低16.4%，续驶里程可提高18.3% 以上研究表明，将热泵技术应用于电动汽车集成热管理系统中具有广阔前景为减少整车质量、热管理系统体积及液体泄图2空调系统及电池热管理系统原理图] 露风险，部分学者正在尝试将制冷剂直接蒸发冷 Fig.2 Schematic of air conditioning system and battery therma 却电池包技术应用到整车热管理系统中.Cen等I6例 management systemo 提出了一种取消中间液冷介质传热环节，利用电

是延长电动汽车行驶里程的可行方式. 保证动力电池处在适宜的温度范围内可为整车提供一个稳定可靠的动力，而空调系统性能提升能够节省更多的能量，从而提升汽车行驶里程. 人体舒适的温度区间与电池适宜的工作温度区间接近，且电机余热在冬季是一种可利用的热源. 目前集成热管理系统常见的耦合方式是以空调系统为主体，在其蒸发器侧（冬夏不同）并联支路换热器，利用空调系统制冷或制热过程为电池包提供额外的冷源或回收电机驱动系统的余热，在满足乘员舱热舒适的同时实现电池或电机驱动系统的热管理需求. 由上所述，电池、乘员舱和电机驱动系统分别有不同的热管理方法，这些热管理方法在效果、安全性、稳定性和经济性等方面各有所长，因此根据实际需求选择特定的耦合方式并进行恰当的设计匹配是集成热管理系统发挥优势的关键. 刘志勇等[60] 分析某车型的热管理需求后提出了一种集成热管理系统，如图 2 所示. 该系统夏季采用单冷型空调制冷，在其蒸发器侧并联支路换热器为电池包散热提供冷源；冬季采用水加热器为乘员舱供暖，在该支路侧并联热交换器为电池组加热. 试验结果表明该集成热管理系统能够满足乘员舱及电池组的热管理需求. 方财义等[61] 设计了如图 3 所示的整车热管理系统，该系统同样采用在单冷型空调蒸发器侧并联热交换器的方式解决乘员舱和电池包的夏季热管理需求，并为电池包专门设计了液冷回路，当电池包温度在 38～45 °C 时，仅采用液冷回路为电池包散热. 冬季则直接采用 PTC 电加热器和电加热膜分别为乘员舱和电池包加热，减少了加热中间液体介质的环节. 此外，该系统还将电机驱动系统热管理考虑在内并优化了各散热部件的排布位置，由于空调冷凝器表面温度最高，因此以汽车行驶方向为正，将电池散热器和电机散热器上下布置且置于空调冷凝器前方. 电机余热在冬季是一种可以利用的热源，在传统电机液冷回路上并联热交换器，再将该热交换器并联到热泵系统蒸发侧（冬季工况）作为其低温热源，通过热泵技术回收电机余热既可以降低电机驱动系统温度也能提高集成热管理系统的性能. Tian 等[62] 提出了一种集车内热舒适、电池冷却和电机余热回收为一体的电动汽车集成热管理系统 EVTMS（ Electric vehicle thermal management system），如图 4 所示. 该系统充分利用了热泵技术的优势，在热泵系统两个换热器侧分别并联热交换器支路，冬夏季通过不同循环支路电磁阀开闭实现与热泵技术耦合. 结果表明，在开启电池冷却回路后 PCCR（Percentage of cooling capacity reduction）在 26.3%～32.1% 之间，电机废热回收率在 18.73%～ 45.17% 之间. 此外，通过实验数据验证了 EVTMS 仿真模型，仿真结果表明采用电池冷却可使电池荷电比降低 10.60%，采用电机余热回收可使加热 COP（ Coefficient of performance）提高 25.55%. 与 PTC 加热器相比，EVTMS 提高了 31.71% 行驶里程. 杨小龙等[63] 也进行了相关的研究工作，设计了如图 5 所示的纯电动轿车整车综合热管理系统并进行了冬夏季仿真研究，结果表明整车综合热管理系统可为车内、电机及电池提供良好的热环境，特别是对于冬季制热模式，与 PTC 电加热器相比，纯电动轿车采用热泵系统，其制热运行时的整车电能消耗可降低 16.4%，续驶里程可提高 18.3%. 以上研究表明，将热泵技术应用于电动汽车集成热管理系统中具有广阔前景. 为减少整车质量、热管理系统体积及液体泄露风险，部分学者正在尝试将制冷剂直接蒸发冷却电池包技术应用到整车热管理系统中. Cen 等[64] 提出了一种取消中间液冷介质传热环节，利用电 Solenoid valve Water heater Heat exchanger Heater core Pump PumpPower battery Heat Expansion exchanger valve Condenser Expansion valve Compressor Evaporator Solenoid valve 图 2 空调系统及电池热管理系统原理图[60] Fig.2 Schematic of air conditioning system and battery thermal management system[60] Water tank Condenser Compressor Motor radiator Pump 1 Electric motor Evaporator Cabin Chiller Pump 2 P T C Power battery HVAC Water tank Heating film V1 V2 V3 V4 Battery radiator 图 3 整车热管理系统方案设计[61] Fig.3 Vehicle thermal management system design[61] · 416 · 工程科学学报，第 42 卷，第 4 期

姚孟良等：电动汽车集成热管理研究进展 417 Four-way Water回 valye Gas-liquid tank 2 SV3 ③ (④ separator SV2 30 SV6 ② Filter 28 26 2④ drier 10)* ⑧ ⑨ Battery Electric ② motor PF Plate pack Plate 四 HEx 1② Scroll ⊙ HEx ① compressor ⑦ 25 23 ⑥External Intemal ⑨ ⑦ HEx + 个 HEx HSVI ④ ⑥ Pump 2 EXVI⑤ (16)EXV2 Pump 1 Working circuits: MC circuit -AC/HP circuit BC circuit Working modes: Summer mode →Winter mode 图4电动汽车集成热管理系统6网 Fig.4 Schematic of proposed EVTMS Vehicle drive Four-way motor High valve External hea M pressure Low exchanger side Externalr Heat pressure side cooling fan 0 exchanger )Pump Expansion valve Battery pack +- Solenoid Heat valve exchanger Demisting/Defrosting channel Pump of windshield To face PTC HVAC Internal heat To foot assembly exchanger Cabin Heating Refrigeration return air condition condition 困5纯电动轿车整车综合热管理系统原理图剧 Fig.5 Schematic diagram of BEV's integrated vehicle thermal management system 动汽车空调制冷剂直接冷却锂离子电池的集成热以下.当其放电倍率为0.5、1或1.5C时，电池包管理系统，如图6所示.该集成热管理系统为双蒸温差小于4℃.这说明针对极端高温的气候条件，发器设置，一个蒸发器为乘员舱制冷，另一个特制采用制冷剂直接蒸发冷却是进行电池热管理的一蒸发器为电池包散热.由于乘员舱和电池包的产种可行方式. 热量和对热管理温度要求不同，因此该集成热管综上所述，不同的热管理方法能够解决电动理系统利用自控模块分别调节两个电子膨胀阀的汽车热管理中的某一问题，集成系统中热管理对开度从而控制两个蒸发器的制冷量和蒸发温度，象逐渐由两个增加到三个，空调子系统从单冷型改进了传统双蒸发环路集成热管理系统共用一个发展到热泵冷暖型，热管理介质由气体过渡到液膨胀阀节流后再分流制冷剂的做法.实验结果表体，制冷剂直接冷却，电动汽车集成热管理系统朝明，在极端环境温度高达40℃的情况下，集成热着轻量化、紧凑化和集成化方向发展.当前研究管理系统可以很容易地将电池组温度控制在35℃ 探索了不同热管理子系统之间的耦合方式，并针

动汽车空调制冷剂直接冷却锂离子电池的集成热管理系统，如图 6 所示. 该集成热管理系统为双蒸发器设置，一个蒸发器为乘员舱制冷，另一个特制蒸发器为电池包散热. 由于乘员舱和电池包的产热量和对热管理温度要求不同，因此该集成热管理系统利用自控模块分别调节两个电子膨胀阀的开度从而控制两个蒸发器的制冷量和蒸发温度，改进了传统双蒸发环路集成热管理系统共用一个膨胀阀节流后再分流制冷剂的做法. 实验结果表明，在极端环境温度高达 40 ℃ 的情况下，集成热管理系统可以很容易地将电池组温度控制在 35 ℃ 以下. 当其放电倍率为 0.5、1 或 1.5 C 时，电池包温差小于 4 ℃. 这说明针对极端高温的气候条件，采用制冷剂直接蒸发冷却是进行电池热管理的一种可行方式. 综上所述，不同的热管理方法能够解决电动汽车热管理中的某一问题，集成系统中热管理对象逐渐由两个增加到三个，空调子系统从单冷型发展到热泵冷暖型，热管理介质由气体过渡到液体，制冷剂直接冷却，电动汽车集成热管理系统朝着轻量化、紧凑化和集成化方向发展. 当前研究探索了不同热管理子系统之间的耦合方式，并针 Scroll compressor Water tank 2 Pump 2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 SV1 SV3 SV2 SV4 SV5 SV6 Four-way valve External HEx Battery pack Plate HEx Plate HEx 2 PF HEx EXV 1 EXV 2 Working circuits: MC circuit AC/HP circuit BC circuit Working modes: Summer mode Winter mode Filter drier Gas-liquid separator Electric motor Water tank 1 Internal HEx Pump 1 图 4 电动汽车集成热管理系统[62] Fig.4 Schematic of proposed EVTMS[62] M + − To face To foot Demisting/Defrosting channel of windshield Cabin return air HVAC assembly PTC High pressure side Four-way valve External heat exchanger External cooling fan Vehicle drive motor Heat exchanger Pump Battery pack Heating condition Refrigeration condition Expansion valve Solenoid valve Low pressure side Heat exchanger Pump Internal heat exchanger 图 5 纯电动轿车整车综合热管理系统原理图[63] Fig.5 Schematic diagram of BEV’s integrated vehicle thermal management system[63] 姚孟良等：电动汽车集成热管理研究进展 · 417 ·

418 工程科学学报，第42卷，第4期 EEV 2 EEV driver board Cabin evaportor EEV 1 Battery pack cooling module Computer Battery pack test system Compressor Condenser 图6集成热管理系统原理图6俐 Fig.6 Schematic of the experimental test riglu 对某特定工况进行实验研究，未充分考虑实际情部件之间的匹配关系及对系统整体性能的影响，况下的多变因素，应对电动汽车集成热管理系统三维模型侧重于对研究对象细节的分析和优化6 进行实际测试，分析热管理系统的动态响应特性、 Lu等67针对纯电动汽车发动机舱内换热部件安全性、稳定性和经济性等多、热交换过程互相影响的特点提出了如图7所示的纯电动汽车发动机舱热管理系统一维/三维联 3集成系统运行控制合仿真框架，通过关联算法使一维空调系统和动电动汽车集成热管理系统耦合了不同的热管力系统与三维发动机舱内冷凝器模型、电池散热理对象，因此系统的运行控制显得尤为重要.只有器以及电机散热器进行联合计算，仿真研究了集通过合理有效的控制策略对集成热管理系统运行成热管理系统中空调负荷变化与冷凝器、电池散参数进行优化控制，才能真正发挥集成热管理系热器及电机散热器排布位置之间的互相影响.结统取长补短的优势.鉴于电动汽车集成热管理系果表明，当冷凝器置于电机和电池散热器之前时，统的复杂性，仅仅通过实验无法对集成热管理系随着空调负荷的增大，电机和电池散热系统冷却统进行全面的研究，目前多通过建立仿真系统，在效果会减小：当冷凝器置于电机和电池散热器之验证仿真系统准确性的基础上通过改变仿真参数和后时，空调系统负荷变化对动力系统冷却性能影新的控制策略对集成热管理系统进行优化研究. 响不大.该研究方法为电动汽车集成热管理系统冯权等6的对某款纯电动汽车的动力总成热管的优化设置及运行控制提供了新的思路理系统进行研究，基于AMEsim软件搭建了包括由上可知，采用一维系统仿真模型能够从整驱动电机、电机控制器和动力电池的分布式一维体角度优化电动汽车集成热管理系统的控制策冷却系统，并基于实际台架验证了搭建模型的准略，从而提高集成热管理系统的性能.然而仅采用确性.在Simulink软件中设计模型预测控制器，以一维仿真模型无法对集成热管理系统中核心换热热源的发热功率作为扰动量，冷却水泵流量和风部件的三维结构如形状、尺寸和位置等三维细节扇转速作为操作变量对冷却系统的控制策略进行进行优化，进一步的研究应采用一维与三维联合了优化，通过和AMEsim软件的联合仿真，结果表仿真的形式研究不同运行控制策略对集成热管理明相比PD控制和开关阈值控制，采用模型预测系统的影响控制的热管理系统响应性能更好，对于温度的变 4集成系统性能评价化会提前做出反应，同时也减少了冷却系统的能量消耗电动汽车集成热管理系统具有多热源、多温维系统仿真模型能够从系统角度研究不同区和变温度的特点，现阶段不同的热管理子系统

对某特定工况进行实验研究，未充分考虑实际情况下的多变因素，应对电动汽车集成热管理系统进行实际测试，分析热管理系统的动态响应特性、安全性、稳定性和经济性等. 3 集成系统运行控制电动汽车集成热管理系统耦合了不同的热管理对象，因此系统的运行控制显得尤为重要. 只有通过合理有效的控制策略对集成热管理系统运行参数进行优化控制，才能真正发挥集成热管理系统取长补短的优势. 鉴于电动汽车集成热管理系统的复杂性，仅仅通过实验无法对集成热管理系统进行全面的研究，目前多通过建立仿真系统，在验证仿真系统准确性的基础上通过改变仿真参数和新的控制策略对集成热管理系统进行优化研究. 冯权等[65] 对某款纯电动汽车的动力总成热管理系统进行研究，基于 AMEsim 软件搭建了包括驱动电机、电机控制器和动力电池的分布式一维冷却系统，并基于实际台架验证了搭建模型的准确性. 在 Simulink 软件中设计模型预测控制器，以热源的发热功率作为扰动量，冷却水泵流量和风扇转速作为操作变量对冷却系统的控制策略进行了优化，通过和 AMEsim 软件的联合仿真，结果表明相比 PID 控制和开关阈值控制，采用模型预测控制的热管理系统响应性能更好，对于温度的变化会提前做出反应，同时也减少了冷却系统的能量消耗. 一维系统仿真模型能够从系统角度研究不同部件之间的匹配关系及对系统整体性能的影响，三维模型侧重于对研究对象细节的分析和优化[66] . Liu 等[67] 针对纯电动汽车发动机舱内换热部件多、热交换过程互相影响的特点提出了如图 7 所示的纯电动汽车发动机舱热管理系统一维/三维联合仿真框架，通过关联算法使一维空调系统和动力系统与三维发动机舱内冷凝器模型、电池散热器以及电机散热器进行联合计算，仿真研究了集成热管理系统中空调负荷变化与冷凝器、电池散热器及电机散热器排布位置之间的互相影响. 结果表明，当冷凝器置于电机和电池散热器之前时，随着空调负荷的增大，电机和电池散热系统冷却效果会减小；当冷凝器置于电机和电池散热器之后时，空调系统负荷变化对动力系统冷却性能影响不大. 该研究方法为电动汽车集成热管理系统的优化设置及运行控制提供了新的思路. 由上可知，采用一维系统仿真模型能够从整体角度优化电动汽车集成热管理系统的控制策略，从而提高集成热管理系统的性能. 然而仅采用一维仿真模型无法对集成热管理系统中核心换热部件的三维结构如形状、尺寸和位置等三维细节进行优化，进一步的研究应采用一维与三维联合仿真的形式研究不同运行控制策略对集成热管理系统的影响. 4 集成系统性能评价电动汽车集成热管理系统具有多热源、多温区和变温度的特点，现阶段不同的热管理子系统 Battery pack test system Compressor Condenser Computer Cabin evaportor EEV 2 EEV 1 EEV driver board Battery pack cooling module 图 6 集成热管理系统原理图[64] Fig.6 Schematic of the experimental test rig[64] · 418 · 工程科学学报，第 42 卷，第 4 期

姚孟良等：电动汽车集成热管理研究进展 419 Characteristic parameters obtained through experiments or supplier supply 3D 3D models model Air ID models start Compressor conditioning Ambient calculation air 3D process Passenger arameter cabin control setting Battery Motor/IPU radiator /DC-DC Thermal Read Read load Condenser results working conditions Evaporator Motor radiator Battery ◆ pack External Power system Cooling system HVAC operating environmental operating operating conditions conditions conditions Expansion valve conditions 图7纯电动汽车发动机舱热管理系统框架6) Fig.7 Underhood thermal management system framework of PEV 采统用不同的性能评价指标，如采用电池温度和当前关于电动汽车集成热管理系统的综合评温差来评价电池热管理系统的性能，采用性能系价体系研究较少，而这一综合评价体系可以为电数COP即获得收益（制冷量或制热量）与付出代价动汽车集成热管理系统的发展提供指导方向，促 (耗电量)的比值来评价乘员舱热管理系统的性进其在实际车型中的应用.当前研究多关注单一能，采用电机温度来评价电机驱动系统热管理的系统性能优化，较少从整车层面引入现实考量来性能等，且上述热管理目标在实现过程中存在相综合评价集成热管理系统的性能，进一步的研究互矛盾之处，未引入工艺、成本、质量、强度、密应以热力学定律为基础，考虑实际因素，建立标准封性等现实考量，缺少标准化和通用化的综合评化和通用化的综合评价体系价体系 5结语电动汽车集成热管理系统是一种热力学系统，采用热力学方法可以从系统角度对集成热管温度是影响电动汽车性能的关键因素，高效理系性能进行优化设计.Hamut等6s!采用热力学的电动汽车集成热管理系统对于电动汽车的发展第二定律对一种增程式电动汽车的集成热管理系具有重要意义，随着电动汽车对热管理系统要求统进行性能分析，通过分析系统的㶲效率对热管的提升，电动汽车集成热管理系统还存在以下几理回路中各个部件进行优化，从而提高集成热管个方面的问题亟待解决：理系统的性能，研究结果表明，系统与周围环境之 (1)电池产热模型、冷热负荷计算模型、电机间的传热和系统部件内部的流体摩擦是造成集成驱动系统产热模型是集成热管理系统设计的基热管理系统不可逆的主要因素.Javani等6网设计础.应进一步研究不同产热模型的机理，提高模型了一套包含汽车空调和电池的集成热管理系统，的预测精度，为设备优化设计和工程应用提供理该系统中采用相变材料十八烷作为电池的冷却介论支撑质，通过在空调系统中设置平行蒸发器为相变材 (2)电动汽车集成热管理系统应朝着轻量化、料提供冷源.通过㶲分析发现，整个系统的㶲效率紧凑化、集成化方向发展.当前的热管理研究侧为31%，最大㶲损失率为0.4kW,与系统中其他部重某单一热管理系统的性能优化，忽视了各热管件相比换热器的㶲效率最低.在此基础上，还研究理子系统之间的互相影响.进一步的研究应利用了整个集成热管理的环境效益，指出提高系统的热泵技术、热管技术和直接蒸发冷却电池包等先㶲效率可减少温室气体排放量并提高系统可持续进的热管理方法从集成系统层面综合考虑热管理性.最后，采用遗传算法，以系统最大㶲效率和最各子系统之间的耦合关系，提升电动汽车集成热低成本率为优化目标，结果表明该系统的最大㶲管理系统性能效率和最低成本率分别为34.5%和1.38$h1 (3)电动汽车不同的驾驶工况对于集成热管

采统用不同的性能评价指标，如采用电池温度和温差来评价电池热管理系统的性能，采用性能系数 COP 即获得收益（制冷量或制热量）与付出代价（耗电量）的比值来评价乘员舱热管理系统的性能，采用电机温度来评价电机驱动系统热管理的性能等，且上述热管理目标在实现过程中存在相互矛盾之处，未引入工艺、成本、质量、强度、密封性等现实考量，缺少标准化和通用化的综合评价体系. 电动汽车集成热管理系统是一种热力学系统，采用热力学方法可以从系统角度对集成热管理系性能进行优化设计. Hamut 等[68] 采用热力学第二定律对一种增程式电动汽车的集成热管理系统进行性能分析，通过分析系统的㶲效率对热管理回路中各个部件进行优化，从而提高集成热管理系统的性能. 研究结果表明，系统与周围环境之间的传热和系统部件内部的流体摩擦是造成集成热管理系统不可逆的主要因素. Javani 等[69] 设计了一套包含汽车空调和电池的集成热管理系统，该系统中采用相变材料十八烷作为电池的冷却介质，通过在空调系统中设置平行蒸发器为相变材料提供冷源. 通过㶲分析发现，整个系统的㶲效率为 31%，最大㶲损失率为 0.4 kW，与系统中其他部件相比换热器的㶲效率最低. 在此基础上，还研究了整个集成热管理的环境效益，指出提高系统的㶲效率可减少温室气体排放量并提高系统可持续性. 最后，采用遗传算法，以系统最大㶲效率和最低成本率为优化目标，结果表明该系统的最大㶲效率和最低成本率分别为 34.5% 和 1.38 $·h–1 . 当前关于电动汽车集成热管理系统的综合评价体系研究较少，而这一综合评价体系可以为电动汽车集成热管理系统的发展提供指导方向，促进其在实际车型中的应用. 当前研究多关注单一系统性能优化，较少从整车层面引入现实考量来综合评价集成热管理系统的性能，进一步的研究应以热力学定律为基础，考虑实际因素，建立标准化和通用化的综合评价体系. 5 结语温度是影响电动汽车性能的关键因素，高效的电动汽车集成热管理系统对于电动汽车的发展具有重要意义. 随着电动汽车对热管理系统要求的提升，电动汽车集成热管理系统还存在以下几个方面的问题亟待解决：（1）电池产热模型、冷热负荷计算模型、电机驱动系统产热模型是集成热管理系统设计的基础. 应进一步研究不同产热模型的机理，提高模型的预测精度，为设备优化设计和工程应用提供理论支撑. （2）电动汽车集成热管理系统应朝着轻量化、紧凑化、集成化方向发展. 当前的热管理研究侧重某单一热管理系统的性能优化，忽视了各热管理子系统之间的互相影响. 进一步的研究应利用热泵技术、热管技术和直接蒸发冷却电池包等先进的热管理方法从集成系统层面综合考虑热管理各子系统之间的耦合关系，提升电动汽车集成热管理系统性能. （3）电动汽车不同的驾驶工况对于集成热管 3D models Motor radiator Condenser Battery pack Passenger cabin Thermal load Evaporator Compressor Air conditioning 1D models Motor/IPU /DC-DC External environmental conditions Power system operating conditions Cooling system operating conditions HVAC operating conditions Characteristic parameters obtained through experiments or supplier supply Battery radiator 3D model start 3D parameter setting Read results Read working conditions 1D calculation process control Ambient air Expansion valve 图 7 纯电动汽车发动机舱热管理系统框架[67] Fig.7 Underhood thermal management system framework of PEV[67] 姚孟良等：电动汽车集成热管理研究进展 · 419 ·

420 工程科学学报，第42卷，第4期理系统中各子系统的要求不同.进一步的研究可 39(10):1565 采用一维三维联合仿真的方法面向不同的集成热 (张前，冯明，陈俊，等.车载超高速永磁无刷电机驱动器.工程管理系统制定针对性的运行控制策略及优化控制科学学报，2017,39(10)：1565) [12]Chen S C,Wan CC,Wang YY.Thermal analysis of lithium-ion 方法，从而满足复杂多变的运行工况下电动汽车 batteries.J Power Sources,2005,140(1):111 的热管理需求 [13]Bemardi D,Pawlikowski E,Newman J.A general energy balance (4)当前研究多关注于提升某单一热管理系 for battery systems.J Electrochem Soc,1985,132(1):5 统的性能指标，而忽视了工艺、成本、质量、强 [14]Chiew J,Chin C S,Toh W D,et al.A pseudo three-dimensional 度、密封性等多方面因素的影响，缺少标准化和通 electrochemical-thermal model of a cylindrical LiFePO4/graphite 用化的综合评价体系.进一步的研究应充分考虑 battery.Appl Therm Eng,2019,147:450 集成热管理系统中不同因素之间的制约关系，制 [15]Tian H,Wang W G,Shu G Q,et al.Analysis of heat generation in a Li-ion battery based on a multi-scale and electrochemical- 定标准化的测试方法，提出相应的综合评价指标， thermal coupled model.J Tianjin Univ,2016,49(7):734 推动电动汽车集成热管理系统的发展 (田华，王伟光，舒歌群，等.基于多尺度、电化学-热耦合模型的锂离子电池生热特性分析.天津大学学报，2016,49(7)：734) 参考文献 [16]Liang J L,Gan Y H,Song W F,et al.Thermal-Electrochemical [1]Tilt B.China's air pollution crisis:science and policy perspectives. simulation of electrochemical characteristics and temperature Environ Sci Policy,2019,92:275 difference for a battery module under two-stage fast charging.J [2] Wada M.Research and development of electric vehicles for clean Energy Storage,2020,29:101307 transportation.J Environ Sci,2009,21(6):745 [17]Zhang L J,Li W B,Cheng H Z.Coupled thermal-electrochemical [3] Andersen P H,Mathews J A,Rask M.Integrating private transport model of 3D lithium-ion battery.Chin J Power Sources,2016, into renewable energy policy:the strategy of creating intelligent 40(7):1362 recharging grids for electric vehicles.Energy Policy,2009,37(7): (张立军，李文博，程洪正.三维锂离子单电池电化学-热耦合模 2481 型.电源技术，2016,40(7)：1362) [4] An F Q,Zhao J Y,Chen L F,et al.Consistency study on 18650 [18]Ji FZ,Liu L J,Yang S C,et al.Heating generation model and heat cells used in electric vehicles.Chin J Eng,2017,39(1):107 dissipation performance of the power battery in electric vehicle. (安富强，赵建源，陈璐凡，等.纯电动车用18650电池的一致性 Beijing Univ Aeron Astron,2014,40(1):18 研究.工程科学学报，2017,39(1)：107) (姬芬竹，刘丽君，杨世春，等.电动汽车动力电池生热模型和散 [5] An F Q,Zhou W N,Li P.Sensitivity of electrodes in a lithium ion 热特性.北京航空航天大学学报，2014,40(1)：18) cell to temperature and SOC.Chin J Eng,2018,40(6):729 [19]Wu S.Contrast and analysis on the calculation methods of air (安富强，周伟男，李平锂离子电芯用电极对温度与SOC的敏感 conditioning load in automobile.Refrig Air-Cond,2002,2(6):20 性.工程科学学报，2018,40(6)：729) (吴双.汽车空调车身热负荷计算方法分析与比较.制冷与空调， [6]Shim J.Kostecki R,Richardson T,et al.Electrochemical analysis 2002,2(6):20) for cycle performance and capacity fading of a lithium-ion battery [20]Wang J Y,Xue C T,Hu X J,et al.Simulation of airflow in cycled at elevated temperature.J Power Sources,2002,112(1): passenger compartment based on air-conditioning supply 222 parameters.J Jilin Univ Eng Technol Ed,2017,47(1):50 [7]Zhang S S,Xu K,Jow T R.The low temperature performance of (王靖宇，薛超坦，胡兴军，等.基于空调送风参数的车室内流模 Li-ion batteries.J Power Sources,2003,115(1):137 拟.吉林大学学报：工学版，2017,47(1)：50) [8] Zhang Z Q,Wang DD,Zhang C Q,et al.Electric vehicle range [21]Ye L,Zhao T W,Chen Y,et al.Establishment and analysis of a extension strategies based on improved AC system in cold climate simulation model for an electric vehicle's thermal load.JNew Ind, a review.Int J Refrig,2018,88:141 2019,9(5):70 [9]Khoury G E.Clodic D.Method of test and measurements of fuel (叶立，赵天玮，陈宇，等.某电动汽车整车热负荷仿真模型的建 consumption due to air conditioning operation on the new prius Il 立及分析.新型工业化，2019,9(5)：70) hybrid vehicle.SAE Trans,2005,114:2563 [22]Bertotti G.General properties of power losses in soft [10]Min H T.Wang X.Zeng X H,et al.Parameter design and ferromagnetic materials.IEEE Trans Magn,1988,24(1):621 computation study for air conditioning system of electric vehicle. [23]Chen K,Li Z Y,Chen Y M,et al.Design of parallel air-cooled Automob Technol,2009(6):19 battery thermal management system through numerical study (闵海涛，王晓丹，曾小华，等.电动汽车空调系统参数匹配与计 Energies,.2017,10(10):167 算研究.汽车技术，2009(6)：19) [24]Chen Y F,Evans J W.Heat transfer phenomena in [11]Zhang Q,Feng M,Chen J,et al.A vehicle mounted super high lithium/polymer-electrolyte batteries for electric vehicle speed permanent magnet brushless motor drive.Chin/Eng,2017, application.J Electrochem Soc,1993,140(7):1833

理系统中各子系统的要求不同. 进一步的研究可采用一维/三维联合仿真的方法面向不同的集成热管理系统制定针对性的运行控制策略及优化控制方法，从而满足复杂多变的运行工况下电动汽车的热管理需求. （4）当前研究多关注于提升某单一热管理系统的性能指标，而忽视了工艺、成本、质量、强度、密封性等多方面因素的影响，缺少标准化和通用化的综合评价体系. 进一步的研究应充分考虑集成热管理系统中不同因素之间的制约关系，制定标准化的测试方法，提出相应的综合评价指标，推动电动汽车集成热管理系统的发展. 参考文献 Tilt B. China’s air pollution crisis: science and policy perspectives. Environ Sci Policy, 2019, 92: 275 [1] Wada M. Research and development of electric vehicles for clean transportation. J Environ Sci, 2009, 21（6）: 745 [2] Andersen P H, Mathews J A, Rask M. Integrating private transport into renewable energy policy: the strategy of creating intelligent recharging grids for electric vehicles. Energy Policy, 2009, 37（7）: 2481 [3] An F Q, Zhao J Y, Chen L F, et al. Consistency study on 18650 cells used in electric vehicles. Chin J Eng, 2017, 39（1）: 107 （安富强, 赵建源, 陈璐凡, 等. 纯电动车用18650电池的一致性研究. 工程科学学报, 2017, 39（1）：107） [4] An F Q, Zhou W N, Li P. Sensitivity of electrodes in a lithium ion cell to temperature and SOC. Chin J Eng, 2018, 40（6）: 729 （安富强, 周伟男, 李平. 锂离子电芯用电极对温度与SOC的敏感性. 工程科学学报, 2018, 40（6）：729） [5] Shim J, Kostecki R, Richardson T, et al. Electrochemical analysis for cycle performance and capacity fading of a lithium-ion battery cycled at elevated temperature. J Power Sources, 2002, 112（1）: 222 [6] Zhang S S, Xu K, Jow T R. The low temperature performance of Li-ion batteries. J Power Sources, 2003, 115（1）: 137 [7] Zhang Z Q, Wang D D, Zhang C Q, et al. Electric vehicle range extension strategies based on improved AC system in cold climate - a review. Int J Refrig, 2018, 88: 141 [8] Khoury G E, Clodic D. Method of test and measurements of fuel consumption due to air conditioning operation on the new prius II hybrid vehicle. SAE Trans, 2005, 114: 2563 [9] Min H T, Wang X, Zeng X H, et al. Parameter design and computation study for air conditioning system of electric vehicle. Automob Technol, 2009（6）: 19 （闵海涛, 王晓丹, 曾小华, 等. 电动汽车空调系统参数匹配与计算研究. 汽车技术, 2009（6）：19） [10] Zhang Q, Feng M, Chen J, et al. A vehicle mounted super high speed permanent magnet brushless motor drive. Chin J Eng, 2017, [11] 39（10）: 1565 （张前, 冯明, 陈俊, 等. 车载超高速永磁无刷电机驱动器. 工程科学学报, 2017, 39（10）：1565） Chen S C, Wan C C, Wang Y Y. Thermal analysis of lithium-ion batteries. J Power Sources, 2005, 140（1）: 111 [12] Bernardi D, Pawlikowski E, Newman J. A general energy balance for battery systems. J Electrochem Soc, 1985, 132（1）: 5 [13] Chiew J, Chin C S, Toh W D, et al. A pseudo three-dimensional electrochemical-thermal model of a cylindrical LiFePO4/graphite battery. Appl Therm Eng, 2019, 147: 450 [14] Tian H, Wang W G, Shu G Q, et al. Analysis of heat generation in a Li-ion battery based on a multi-scale and electrochemicalthermal coupled model. J Tianjin Univ, 2016, 49（7）: 734 （田华, 王伟光, 舒歌群, 等. 基于多尺度、电化学−热耦合模型的锂离子电池生热特性分析. 天津大学学报, 2016, 49（7）：734） [15] Liang J L, Gan Y H, Song W F, et al. Thermal-Electrochemical simulation of electrochemical characteristics and temperature difference for a battery module under two-stage fast charging. J Energy Storage, 2020, 29: 101307 [16] Zhang L J, Li W B, Cheng H Z. Coupled thermal-electrochemical model of 3D lithium-ion battery. Chin J Power Sources, 2016, 40（7）: 1362 （张立军, 李文博, 程洪正. 三维锂离子单电池电化学−热耦合模型. 电源技术, 2016, 40（7）：1362） [17] Ji F Z, Liu L J, Yang S C, et al. Heating generation model and heat dissipation performance of the power battery in electric vehicle. J Beijing Univ Aeron Astron, 2014, 40（1）: 18 （姬芬竹, 刘丽君, 杨世春, 等. 电动汽车动力电池生热模型和散热特性. 北京航空航天大学学报, 2014, 40（1）：18） [18] Wu S. Contrast and analysis on the calculation methods of air conditioning load in automobile. Refrig Air-Cond, 2002, 2（6）: 20 （吴双. 汽车空调车身热负荷计算方法分析与比较. 制冷与空调, 2002, 2（6）：20） [19] Wang J Y, Xue C T, Hu X J, et al. Simulation of airflow in passenger compartment based on air-conditioning supply parameters. J Jilin Univ Eng Technol Ed, 2017, 47（1）: 50 （王靖宇, 薛超坦, 胡兴军, 等. 基于空调送风参数的车室内流模拟. 吉林大学学报: 工学版, 2017, 47（1）：50） [20] Ye L, Zhao T W, Chen Y, et al. Establishment and analysis of a simulation model for an electric vehicle’s thermal load. J New Ind, 2019, 9（5）: 70 （叶立, 赵天玮, 陈宇, 等. 某电动汽车整车热负荷仿真模型的建立及分析. 新型工业化, 2019, 9（5）：70） [21] Bertotti G. General properties of power losses in soft ferromagnetic materials. IEEE Trans Magn, 1988, 24（1）: 621 [22] Chen K, Li Z Y, Chen Y M, et al. Design of parallel air-cooled battery thermal management system through numerical study. Energies, 2017, 10（10）: 1677 [23] Chen Y F, Evans J W. Heat transfer phenomena in lithium/polymer-electrolyte batteries for electric vehicle application. J Electrochem Soc, 1993, 140（7）: 1833 [24] · 420 · 工程科学学报，第 42 卷，第 4 期

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