汽車熱管理的智能化發(fā)展研究概述

一、背景在以傳統(tǒng)燃油車為主的汽車時代，整車的熱量主要來源于發(fā)動機及控制系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，處于此狀態(tài)下的汽車熱管理功能相對簡單，而隨著汽車進入電動化時代，以發(fā)動機為動力源的燃油車被以動力電池為主要動力源的新能源汽車所取代。在此趨勢之下，整車的零件愈加復(fù)雜且多樣，由此而引起的熱量源也越來越多，如何統(tǒng)籌且管理好這些熱量源是實現(xiàn)汽車安全駕駛的重要保障。在如今汽車行業(yè)高速發(fā)展下，以電動化為基礎(chǔ)的智能汽車已甚囂塵上，如何通過智能化的管理去實現(xiàn)整車熱量的合理、精準(zhǔn)且高效利用將會是下一階段汽車行業(yè)在熱管理研究方向上的重要課題。同時，通過智能熱管理的應(yīng)用，可在同等電池容量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)整車更長的續(xù)航應(yīng)用，而能量的高效利用是提升系統(tǒng)能耗比不可避開之路，因此利用好汽車熱管理功能是對國家在碳中和的大目標(biāo)的實現(xiàn)上具有一定的重要意義。二、智能熱管理汽車智能熱管理系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)‘離線型’熱管理系統(tǒng)，其是基于汽車智能化趨勢下所誕生的新一代產(chǎn)品。與傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)相比，智能熱管理系統(tǒng)在工作原理上是通過系統(tǒng)軟件并結(jié)合動力電池剩余電量（SOC）、環(huán)境溫度、駕駛模式、路徑規(guī)劃等信息對整車所產(chǎn)生的熱量進行統(tǒng)一管理，使其實現(xiàn)對熱量高效利用的同時讓整車獲得更佳的續(xù)航，是汽車智能化下的能量精細(xì)化管理的具體體現(xiàn)之一。圖1

智能熱管理目標(biāo)2.1、遠(yuǎn)程熱管理智能熱管理按其工作模式的不同可分為兩種，即遠(yuǎn)程熱量管理與本地?zé)崃抗芾?。其中遠(yuǎn)程熱量管理指用戶可通過App實現(xiàn)對車內(nèi)、車身熱量的遠(yuǎn)程控制。此模式的主要應(yīng)用場景有車輛啟動前的預(yù)熱和休息模式熱量預(yù)啟動。1）預(yù)熱模式，也稱預(yù)定用車模式。汽車作為‘移動的第三空間’，此功能的應(yīng)用就如在居家環(huán)境中已非常成熟的智能家居領(lǐng)域的控制那般，用戶可設(shè)定座艙溫度以及預(yù)計的用車時間，系統(tǒng)將根據(jù)所設(shè)定參數(shù)并結(jié)合SOC、環(huán)境溫度等因素，提前開啟整車熱管理功能，此功能主要實現(xiàn)的熱管理區(qū)域有座艙和相關(guān)玻璃視鏡以及，通過預(yù)加熱模式讓座艙溫度進入適合用戶的最佳體感區(qū)間，同時通過提前對動力電池的預(yù)熱，可讓整車進入最佳狀態(tài)，以便用戶獲得更好的駕駛體驗，其流程示意如下：圖2

預(yù)熱模式熱管理流程示意圖2）休息模式，用戶僅對座艙空間進行遠(yuǎn)程溫度設(shè)定，此模式下整車無行車需求，因此在執(zhí)行熱管理實際功能時系統(tǒng)也僅對座艙區(qū)域?qū)嵤崃抗芾?，通過對空調(diào)、玻璃視鏡的熱管理以提供適合用戶休息的座艙環(huán)境。2.2、本地?zé)峁芾碓谄嚐峁芾砉δ艿膽?yīng)用中，本地?zé)崃抗芾硎冀K處于主要地位，遠(yuǎn)程熱量管理僅是本地?zé)崃抗芾淼难苌鷳?yīng)用。在智能化的本地?zé)崃抗芾砟Ｊ街校嚐峁芾硐到y(tǒng)將不再是分模塊獨立存在，各模塊之間的連接將通過可控閥門實現(xiàn)隨時切換后的并聯(lián)或串聯(lián)，以此來實現(xiàn)模塊間的能量交互。以行車過程中的能量交互為例，在行車過程中由于電機始終處于運行狀態(tài)，此過程電機會產(chǎn)生大量熱量，但由于電機的安裝位置與傳統(tǒng)發(fā)動機不同，其所散發(fā)的熱量無法通過風(fēng)機被直接用于座艙加熱，因此需通過電機冷卻管路中的冷卻液循環(huán)將這部分熱量帶至座艙區(qū)域，以此實現(xiàn)熱量的共享。同時，由于電機響應(yīng)轉(zhuǎn)速的時間快，電機在高速運行下可快速產(chǎn)生熱量，在車輛起步時此熱量可通過冷卻液循環(huán)被運送至動力電池端，以為動力電池提供輔熱作用。如此一來，便形成了電機冷卻回路、電池冷卻回路與座艙冷卻回路的能量交互。圖3

通過閥門控制不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)熱量交互不過由于各模塊的熱管理屬性存在差異，故而在整車上熱量的傳遞并非實時有效。如動力電池?zé)峁芾韺傩詾橹茻崤c冷卻，通過其加熱與冷卻功能可讓系統(tǒng)處于合適的工作溫度區(qū)間內(nèi)，但該方式卻無法主動為其他區(qū)域提供制熱或冷卻服務(wù)。同理，電機的熱管理屬性僅有冷卻需求，通過冷卻回路可讓電機工作在合適溫度區(qū)間內(nèi)，但在功能上其電池系統(tǒng)類似，無法為其他系統(tǒng)提供主動的冷卻作用。而座艙的熱管理屬性是即有加熱和冷卻需求，同時該系統(tǒng)具有主動控制溫度的特性，理論上可利用其主動制冷、制熱模式為其他區(qū)域提供能量輔助作用。圖4

區(qū)域熱管理屬性同時，系統(tǒng)對于制冷需求的緊迫性常是高于制熱的需求。制冷需求是系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量已累積到了一定程度上后所產(chǎn)生的，通常此時對于系統(tǒng)的冷卻需要在較短時間內(nèi)完成，而制熱是為了系統(tǒng)或駕乘人員進入舒適環(huán)境而被提出的，相對而言，制熱過程存在一定的緩沖時間。鑒于此等屬性的差異，通過座艙的主動制冷功能去為電池或電機進行輔助冷卻其效果將會微乎其微，又考慮到經(jīng)濟性等問題，輔助冷卻功能在車用領(lǐng)域中的應(yīng)用就顯得不那么合理了，所以通常對于電機、電池的冷卻依然只能靠其自身系統(tǒng)去完成。盡管輔助冷卻在車載中的應(yīng)用并非‘真實需求’，但該功能在實際應(yīng)用中并非需要主動實現(xiàn)?？赏ㄟ^多通閥的變化讓原本電機、電池的冷卻回路得以延長，再通過其自有區(qū)域的冷卻循環(huán)系統(tǒng)將所產(chǎn)生的熱量運送出去，以熱量的搬運方式達到降溫的目的。在此過程中‘輔助冷卻功能’提供的僅有物理回路。但值得注意的是，在此多通閥的應(yīng)用下，循環(huán)水泵的控制流量需要重新評估，性能不足將會導(dǎo)致系統(tǒng)冷卻循環(huán)受阻。圖5

制冷、制熱屬性不同熱管理功能策略也不同綜上所述，車載智能熱管理將是通過熱量之間的精細(xì)化控制與交互實現(xiàn)熱量的高效利用，同