工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 电动汽车集成热管理研究进展 姚孟良甘云华梁嘉林李勇 Research progress in integrated thermal management of electric vehicles YAO Meng-liang.GAN Yun-hua,LIANG Jia-lin,LI Yong 引用本文： 姚孟良，甘云华，梁嘉林，李勇.电动汽车集成热管理研究进展[J.工程科学学报，2020,42(4)：412-422.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2019.12.20.003 YAO Meng-liang,GAN Yun-hua,LIANG Jia-lin,LI Yong.Research progress in integrated thermal management of electric vehicles[J].Chinese Journal of Engineering,2020,42(4):412-422.doi:10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.20.003 在线阅读View online::htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.12.20.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于增强学习算法的插电式燃料电池电动汽车能量管理控制策略 Energy management control strategy for plug-in fuel cell electric vehicle based on reinforcement learning algorithm 工程科学学报.2019.41(10：1332 https:/doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2018.10.15.001 纯电动车用锂离子电池发展现状与研究进展 Development status and research progress of power battery for pure electric vehicles 工程科学学报.2019,41(1：22htps:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.01.003 混合选别过程半实物仿真系统 A hardware-in-the-loop simulation system for the mixed separation process 工程科学学报.2017,399%：1412htps:1doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2017.09.015 脉动热管的理论研究与应用新进展 New progress in the theoretical research and application of pulsating heat pipe 工程科学学报.2019,41(9%：1115 https:1oi.org10.13374.issn2095-9389.2019.09.002 微热管阵列应用于锂电池模块的散热实验 Experiment on heat dispersion of lithium-ion battery based on micro heat pipe array 工程科学学报.2018.40(1：120 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.01.015
电动汽车集成热管理研究进展 姚孟良 甘云华 梁嘉林 李勇 Research progress in integrated thermal management of electric vehicles YAO Meng-liang, GAN Yun-hua, LIANG Jia-lin, LI Yong 引用本文: 姚孟良, 甘云华, 梁嘉林, 李勇. 电动汽车集成热管理研究进展[J]. 工程科学学报, 2020, 42(4): 412-422. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.20.003 YAO Meng-liang, GAN Yun-hua, LIANG Jia-lin, LI Yong. Research progress in integrated thermal management of electric vehicles[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(4): 412-422. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.20.003 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.20.003 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 基于增强学习算法的插电式燃料电池电动汽车能量管理控制策略 Energy management control strategy for plug-in fuel cell electric vehicle based on reinforcement learning algorithm 工程科学学报. 2019, 41(10): 1332 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.15.001 纯电动车用锂离子电池发展现状与研究进展 Development status and research progress of power battery for pure electric vehicles 工程科学学报. 2019, 41(1): 22 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.003 混合选别过程半实物仿真系统 A hardware-in-the-loop simulation system for the mixed separation process 工程科学学报. 2017, 39(9): 1412 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.015 脉动热管的理论研究与应用新进展 New progress in the theoretical research and application of pulsating heat pipe 工程科学学报. 2019, 41(9): 1115 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.002 微热管阵列应用于锂电池模块的散热实验 Experiment on heat dispersion of lithium-ion battery based on micro heat pipe array 工程科学学报. 2018, 40(1): 120 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.01.015
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 ·