汽车热管理的智能化发展研究概述

yuanyou

一、背景

在以传统燃油车为主的汽车时代，整车的热量主要来源于发动机及控制系统的运转，处于此状态下的汽车热管理功能相对简单，而随着汽车进入电动化时代，以发动机为动力源的燃油车被以动力电池为主要动力源的新能源汽车所取代。在此趋势之下，整车的零件愈加复杂且多样，由此而引起的热量源也越来越多，如何统筹且管理好这些热量源是实现汽车安全驾驶的重要保障。

在如今汽车行业高速发展下，以电动化为基础的智能汽车已甚嚣尘上，如何通过智能化的管理去实现整车热量的合理、精准且高效利用将会是下一阶段汽车行业在热管理研究方向上的重要课题。

同时，通过智能热管理的应用，可在同等电池容量的基础上实现整车更长的续航应用，而能量的高效利用是提升系统能耗比不可避开之路，因此利用好汽车热管理功能是对国家在碳中和的大目标的实现上具有一定的重要意义。

二、智能热管理

汽车智能热管理系统有别于传统‘离线型’热管理系统，其是基于汽车智能化趋势下所诞生的新一代产品。与传统热管理系统相比，智能热管理系统在工作原理上是通过系统软件并结合动力电池剩余电量（SOC）、环境温度、驾驶模式、路径规划等信息对整车所产生的热量进行统一管理，使其实现对热量高效利用的同时让整车获得更佳的续航，是汽车智能化下的能量精细化管理的具体体现之一。


图1 智能热管理目标
2.1、远程热管理

智能热管理按其工作模式的不同可分为两种，即远程热量管理与本地热量管理。其中远程热量管理指用户可通过App实现对车内、车身热量的远程控制。此模式的主要应用场景有车辆启动前的预热和休息模式热量预启动。

1）预热模式，也称预定用车模式。汽车作为‘移动的第三空间’，此功能的应用就如在居家环境中已非常成熟的智能家居领域的控制那般，用户可设定座舱温度以及预计的用车时间，系统将根据所设定参数并结合SOC、环境温度等因素，提前开启整车热管理功能，此功能主要实现的热管理区域有座舱和相关玻璃视镜以及，通过预加热模式让座舱温度进入适合用户的最佳体感区间，同时通过提前对动力电池的预热，可让整车进入最佳状态，以便用户获得更好的驾驶体验，其流程示意如下：


图2 预热模式热管理流程示意图
2）休息模式，用户仅对座舱空间进行远程温度设定，此模式下整车无行车需求，因此在执行热管理实际功能时系统也仅对座舱区域实施热量管理，通过对空调、玻璃视镜的热管理以提供适合用户休息的座舱环境。

2.2、本地热管理

在汽车热管理功能的应用中，本地热量管理始终处于主要地位，远程热量管理仅是本地热量管理的衍生应用。在智能化的本地热量管理模式中，整车热管理系统将不再是分模块独立存在，各模块之间的连接将通过可控阀门实现随时切换后的并联或串联，以此来实现模块间的能量交互。

以行车过程中的能量交互为例，在行车过程中由于电机始终处于运行状态，此过程电机会产生大量热量，但由于电机的安装位置与传统发动机不同，其所散发的热量无法通过风机被直接用于座舱加热，因此需通过电机冷却管路中的冷却液循环将这部分热量带至座舱区域，以此实现热量的共享。

同时，由于电机响应转速的时间快，电机在高速运行下可快速产生热量，在车辆起步时此热量可通过冷却液循环被运送至动力电池端，以为动力电池提供辅热作用。如此一来，便形成了电机冷却回路、电池冷却回路与座舱冷却回路的能量交互。


图3 通过阀门控制不同区域实现热量交互
不过由于各模块的热管理属性存在差异，故而在整车上热量的传递并非实时有效。如动力电池热管理属性为制热与冷却，通过其加热与冷却功能可让系统处于合适的工作温度区间内，但该方式却无法主动为其他区域提供制热或冷却服务。

同理，电机的热管理属性仅有冷却需求，通过冷却回路可让电机工作在合适温度区间内，但在功能上其电池系统类似，无法为其他系统提供主动的冷却作用。而座舱的热管理属性是即有加热和冷却需求，同时该系统具有主动控制温度的特性，理论上可利用其主动制冷、制热模式为其他区域提供能量辅助作用。


图4 区域热管理属性
同时，系统对于制冷需求的紧迫性常是高于制热的需求。制冷需求是系统所产生的热量已累积到了一定程度上后所产生的，通常此时对于系统的冷却需要在较短时间内完成，而制热是为了系统或驾乘人员进入舒适环境而被提出的，相对而言，制热过程存在一定的缓冲时间。

鉴于此等属性的差异，通过座舱的主动制冷功能去为电池或电机进行辅助冷却其效果将会微乎其微，又考虑到经济性等问题，辅助冷却功能在车用领域中的应用就显得不那么合理了，所以通常对于电机、电池的冷却依然只能靠其自身系统去完成。

尽管辅助冷却在车载中的应用并非‘真实需求’，但该功能在实际应用中并非需要主动实现。可通过多通阀的变化让原本电机、电池的冷却回路得以延长，再通过其自有区域的冷却循环系统将所产生的热量运送出去，以热量的搬运方式达到降温的目的。在此过程中‘辅助冷却功能’提供的仅有物理回路。但值得注意的是，在此多通阀的应用下，循环水泵的控制流量需要重新评估，性能不足将会导致系统冷却循环受阻。


图5 制冷、制热属性不同热管理功能策略也不同
综上所述，车载智能热管理将是通过热量之间的精细化控制与交互实现热量的高效利用，同时热管理功能的实现将不在单纯停留在为系统实现制冷与制热功能，其目标将是以实现车辆安全驾驶的前提下为用户提供理想的热量应用场景，以此提升用户的用车体验与整车智能化的具体实现。对智能热管理归纳整理如下图：


图6 车载智能热管理