1.4.3 能量管理与热管理技术

1. 能量管理技术

能量管理在车辆能量转换过程中扮演着“能量协调者”的角色，旨在不影响性能与安全的前提下，对能量进行科学合理的分配与控制，使整车能量利用效率达到最优，实现节能降耗的目的。电动汽车能量管理是一个多维度的控制系统，其包含了软、硬件两方面的内容：硬件方面主要是驱动系统部件、热管理系统部件以及其他附件的能量利用效率；软件方面主要是能量管理策略，包括驱动控制策略、能量回收策略、整车热管理策略、低压附件策略等。

电动汽车的能量传递路径主要可分为两条：一条是动力传递路径，由动力电池经配电系统、电驱动总成、半轴到达车轮；另一条是电气传递路径，由动力电池经配电系统到达用电设备，包括空调压缩机、PTC（Positive Temperature Coefficient）加热器、低压附件等。电动汽车能量管理的一个重要工作思路是通过对整车能量流进行测试分析，分解出能量流经的各个部件的能耗，并对能耗较高的部件进行优化提升，实现从零部件最优到整车综合最优的目标。

电动汽车能量管理的另一个重要工作方向是能量管理策略的匹配优化：

（1）驱动控制策略

基于综合寻优的设计原则，并结合驱动系统方案与特性，合理开发加速控制、能量回收以及转矩分配等车辆纵向控制策略，使得台架工况及大部分实际用车工况下的车辆驱动能耗趋于最优。

（2）整车热管理策略

不同于燃油汽车的热管理，电动汽车的热管理包含了动力蓄电池热管理，乘员舱热管理（空调系统）和电驱动总成热管理，系统更为复杂，因此需要从系统集成的角度出发，统筹热量与电驱动总成及整车之间的关系，根据环境温度与使用工况的不同，开发整车多系统耦合的热管理策略，减少能量损失。

（3）低压附件策略

随着汽车的电动化和智能化发展，电动汽车的低压用电设备逐步增多，其消耗的能量占比也逐渐提高，因此根据工况与需求合理匹配水泵、油泵、电子风扇、鼓风机等低压元器件的控制策略，对降低整车能耗具有重要意义。

电动汽车能量管理是从整车层面对各子系统进行能量的综合优化利用。随着能量管理需求由单一维度向多维度转变，对电动汽车能量管理的要求也由粗放式控制向精细化管理发展。因此，集成化与精细化将成为电动汽车能量管理的未来发展趋势。

2. 动力蓄电池热管理技术

动力蓄电池系统是电动汽车的核心部件，锂离子电池在高低温充放电时，充、放电功率和能量会因温度受到限制。因此，热管理技术在动力蓄电池系统设计中越来越重要。热管理技术主要通过对动力电池系统包括电芯、模组、电池系统等不同层级模型的仿真计算、测试验证，优化设计出匹配的热管理系统。设计热管理系统的初衷是转移动力蓄电池系统在充放电过程中的多余热量或向其提供热量，以使其能保持在适宜的工作温度范围内，并具有较好的温度均匀性。由于受到外界环境温度的影响，热管理系统的设计需考虑冷却、加热、保温三方面。

当前，依据传热介质的不同，动力电池热管理系统主要有三种形式：空气介质热管理系统，液体介质热管理系统，相变材料热管理系统。影响热传递的因素有：①流体传热是强制对流传热还是自然对流传热；②流体有无相变；③流体的流动状态是层流还是湍流；④换热表面的几何因素，包括形状、大小、与运动方向的相对位置、粗糙度等；⑤流体的物性性质，包括密度、动力黏度、导热系数、比热容等。因此，对流换热过程是一个复杂的物理过程，尤其涉及流体的湍流和相变。

空气介质热管理系统，是动力蓄电池系统应用最早的一种热管理技术，成本低、实现简单且安全。利用空气的自然流动或者强迫流动，将电池多余热量带走或者将外部热量传递给电池，保持动力蓄电池系统处于适宜的工作温度范围内。由于空气比热小，且动力蓄电池系统空间有限，其换热能力受限。

液体介质热管理系统，是当前动力电池系统应用最多也是最普遍的一种热管理技术，常用的冷却液是50%乙二醇溶液，其具有热容量大、冰点低的优势。配合冷板和流道的设计，通过驱动冷却液在流道中的循环流动进行换热，冷却液温度的调整可实现冷却、加热功能。

相变材料热管理系统，是利用介质潜热的吸收和释放来实现热管理系统大而快的换热量需求。在充分考量动力蓄电池系统结构及实现成本的基础上，比亚迪研制出新型的热泵空调电池热管理系统，在保留液体介质热管理系统的冷板换热模式基础上，配合冷板流道设计，将换热介质改为与空调系统同样的制冷剂（R134a、R1234yf等），流体的换热从显热变成潜热，换热量大大提升，且瞬时换热速度加快。且热泵空调电池热管理系统与液体介质热管理系统相比，节省了冷却液回路、水泵及板式换热器，降低了系统成本；系统中换热由两次换热变为一次换热，换热效率提高，减少了换热的损失能耗。

动力蓄电池系统的热管理技术是一项系统工程，不仅与动力蓄电池系统本身相关，还需要电动汽车其他系统间的互相配合，以实现最优的能量管理。