1.1　汽车热管理系统概述

1.1.1　新能源汽车热管理系统

新能源汽车由于其良好的节能效果和低排放特性被认为是汽车工业的发展趋势。2021年，我国原油进口依赖度达到72%，发展新能源汽车能够更加有效地利用风能、太阳能等多样化可再生能源，有助于我国电力能源结构的清洁化和加强电网建设，对于调节、优化道路交通领域能源结构，缓解对进口石油的高度依赖，保障国家能源安全，具有非常重要的战略意义。

近20年来，我国大力推进新能源汽车的技术发展和产品落地，已经成为全球新能源汽车保有量、产量最高的国家。2023年，我国新能源汽车产销量分别为958.7万辆和949.5万辆，同比分别增长35.8%和37.9%，市场占有率达到31.6%，整个新能源汽车行业快速增长。截至2023年1月，我国新能源汽车产销量连续8年蝉联全球第一，成为全球汽车产业电动化转型的重要驱动力。

汽车的热管理系统（Thermal Management System，TMS）是整车的重要部分，其从整车角度统筹车辆发动机、空调、电池、电机等部件及子系统的匹配、优化与控制，可以有效解决整车热管理问题，使得各功能模块处于最佳工作温度区间，提高整车经济性和动力性，保证车辆安全行驶。

以电池、电机、电控三大部件取代发动机和变速箱，是新能源汽车较传统燃油车的主要变化，另外其还以电动压缩机替代普通压缩机，因此，新能源汽车热管理系统是从传统燃油车热管理系统衍生过来的，既有与传统燃油车热管理系统的共同部分如空调系统等，又多了电池、电机、电控等新增部件的冷却系统，即新增了电池冷却板、电池冷却器、PTC（Positive Temperature Coefficient）加热器或热泵等部件。

纯电动汽车的热管理系统，除了提供舒适的驾乘环境，控制座舱内环境的温度、湿度、送风量等，还要对动力电池进行温控，这是保障纯电动汽车高效安全运行的重要前提。动力电池的冷却方式有很多种，可分为空气冷却、液体冷却、相变材料冷却和热管冷却等。而要保证电机的高效率运行，离不开冷却系统的作用，高温会影响电机内零件的正常运行，甚至引发故障，还会增加耗电量；降低电机温度主要依靠水泵和风扇的运行，以使电机工作在合适的温度范围。

相对于纯电动汽车热管理系统，混合动力汽车热管理系统的结构较复杂。该热管理系统不仅要考虑电机、电池的冷却要求，以及座舱的换热和空调控制，还要考虑发动机的冷却要求。由于存在发动机这个热源，所以混合动力汽车在很大程度上可以不使用PTC加热器来对动力系统进行加热，发动机运行是以燃料燃烧为基础的，工作过程中产生的大量热可以满足动力电池初始加热及座舱加热的需求。在运行过程中，若发动机冷却不足，则其内部零件温度升高、机械强度降低，且高温会加剧零件的磨损并使润滑油变质和结焦，还会影响缸内燃烧过程，降低发动机功率；若冷却过度，则发动机气缸壁温度降低，高温混合气与之接触时会重新凝结流回曲轴箱，增加燃油的消耗量，本该转换为有用功的热量也会被冷却液带走。

新能源汽车发展初期，各系统的热管理功能是独立的。座舱制冷采用传统空调制冷系统，而采暖则采用高压PTC加热器。电池冷却采用风冷或液冷循环方式，加热则采用高压PTC加热器。电机冷却多采用前端散热器。这样的分散式热管理系统部件众多、体积及质量大、能耗高，系统成本高，但结构简单，系统控制简单。

在纯电动汽车续驶里程和整车能耗的压力下，随着技术进步，具备更低热管理能耗、更宽工作温域、更低系统成本和更紧凑系统结构的一体化集成 热管理系统成为大势所趋。一体化集成热管理系统采用更高效的热泵空调代替PTC加热器作为主要热源，并采用电机余热回收或电机发热等作为补充热源来拓展工作温域；将各系统的加热功能、冷却功能集成化，而不采用分散式结构；将冷却管路、控制阀、水泵、膨胀壶等辅助系统部件集成使结构更紧凑。但是，集成化的系统在面对不同环境、不同系统的热管理需求时，控制策略会变得较复杂。

新能源汽车热管理系统的发展可以划分为三个阶段，总体向高度集成化的方向演进。

（1）单冷配合电加热。早期座舱采用蒸气压缩循环制冷和PTC加热器制热，电池热管理采用风冷方式，各子系统独立。

（2）热泵配合电辅热。座舱引入热泵空调，液冷逐步成为电池热管理的主流模式，电池与座舱热管理回路有简单整合。

（3）宽温区热泵与整车热管理系统一体化。合理增加了二次换热回路，对电池、电机余热进行回收利用，提升了热泵的环境适应能力，座舱、电池、电机热管理回路进一步整合。

总体来看，对于动力电池，采用液冷方式逐步替代风冷方式成为电池热管理的主流方案，冷媒直冷方式是未来的发展方向。对于车用空调系统，由于PTC加热器加热效率较低，热泵空调渗透率快速提升，采用CO ₂ 等环保工质的热泵空调是空调系统的重要发展方向。对于电机、电控，液冷方式是主流，油冷方式是未来的发展趋势。最后，通过电机、电池余热回收可有效改变整车能效，集成式换热模块是实现热管理系统高度集成的关键技术。

1.1.2　传统燃油车热管理系统

传统燃油车热管理系统主要包括发动机、变速箱的冷却系统及座舱空调系统。传统燃油车通过空调冷媒为座舱制冷，通过发动机余热为座舱制热，并通过液冷或风冷的方式冷却发动机和变速箱。发动机冷却系统包括风扇、散热器、水泵、节温器和相关管路，其利用管路中流动的冷却液来实现热量传递，再利用风扇和散热器散热。节温器将发动机冷却系统分为大循环回路与小循环回路（见图1-1）。小循环回路的作用是帮助发动机自身预热，使发动机尽快工作在最佳温度范围。当发动机刚起动、冷却液温度低于80℃时，冷却液经过小循环回路。当冷却液温度高于90℃时，节温器打开，冷却液经过大循环回路流经散热器。

对于传统燃油车的热管理系统，热管理的目标主要是如下两项。

（1）寒冷天气，迅速暖车实现冷起动。

在冬季寒冷地区，比如东北气温为-35℃时，汽油的雾化性极差，发动机起动时必须喷射远大于正常起动的油量才能够获得有条件燃烧的混合气，并且点火困难，起动时间明显较长，一般来说，气温为-35℃时发动机在15s内起动成功都属正常现象；缸内直喷可以使冷起动性能有所改善。

当传统燃油车发动机熄火一段时间后，发动机冷却，其温度低于正常工作温度，机油由于重力作用回流到油底壳。当车辆再次起动时，需要通过机油泵将油底壳中的机油重新通过油道输送至各个运动部件和摩擦副中，并建立、保持一定的油压。一方面，由于机油温度很低，其黏度变大，在低温工况下很难快速润滑发动机各零部件，所以需要时间来提升油温；另一方面，发动机内部各零件的间隙较大，需要经过时间预热，预热膨胀后才能逐步达到规定间隙。而在机油输送和油压建立过程中，零部件之间尚未形成油膜，尤其是缸盖中的气门液压挺柱需要经历充油的过程，此时气门间隙较大，气门闭合落座时将产生机械“哒哒”声。冷起动困难引起的机械磨损对发动机的影响是非常严重的，发动机80%以上的磨损都是在冷起动阶段产生的。

（2）炎热天气，防止发动机“开锅”。

“开锅”是指冷却液沸腾，呈现出“水被烧开”的状态。冷却液在正常的状态下是不会达到沸点的，如果出现“开锅”情况那就意味着出现了冷却液失效、冷却系统故障等热管理问题。

在空间有限的发动机舱内布置冷却模块必然会对冷却空气的流动造成很大阻碍，可能导致局部过热、冷侧空气流动不良等问题。如果汽车厂商没有对发动机冷却系统散热器的选配进行合理的计算分析就去选择散热器和风扇，则会使冷却模块之间的匹配，以及冷却模块与发动机之间的匹配出现问题，导致低速工况或爬坡等极限工况下冷却液温度过高，进而导致发动机“开锅”。“开锅”情况会使连杆、活塞、活塞环等零件强度降低或者变形，以至于汽车难以承受正常的驾驶负荷，破坏各部件的正常工作状态，影响整车工作的可靠性。

纯电动汽车相对于传统燃油车在结构上发生了巨大的改变，对热管理功能的控制也有很大的差异。下面叙述传统燃油车和纯电动汽车在热管理方面的区别。

传统燃油车与纯电动汽车热管理差异点简图如图1-2所示，两种类型的汽车在热管理系统结构和控制方式上存在着明显的差异。

对于传统燃油车，车辆的热管理主要集中在发动机冷却系统和座舱空调系统。传统燃油车的热源主要是发动机，需要利用冷却介质给发动机降温。座舱空调系统也是依靠发动机做功运行的。座舱空调系统的冷风输出依靠的是，发动机通过皮带带动空调压缩机工作，启动制冷；暖风输出依靠的是，发动机产生的热量通过热交换器加热座舱内部空气。

而纯电动汽车的热管理系统就发生了较大的变化。纯电动汽车利用电机替代了发动机，没有了变速箱，整个动力系统更新为三电架构：电机、电池、电控。整车新增加了DC/DC转换器、充电机（OBC）、PTC加热器。纯电动汽车没有了发动机作为动力源，热管理系统也相应发生了变化，比如空调压缩机的运行利用的是电池供电，暖风的获取利用的是PTC加热器。