电动汽车为什么需要TMS热管理系统？

huangguang

与传统汽车相比，电动汽车中多了1个控制器叫TMS（Thermal Management System）热管理系统，这个控制器听起来有点陌生，其实我们在传统车中一直在使用它包含的1个功能，那就是自动空调HVAC。


为什么自动空调到了电动车中就变成了热管理系统？这个就要从车辆的动力系统说起。1. 动力系统的区别传统车的动力系统来自发动机，发动机的最佳工作温度在85-105℃，温度太低时性能不好，需要预热；温度太高时会引起零部件的损坏，需要散热。汽油车低温预热通常只需要发动机启动一会，利用自身的发热升温就行了，不需要额外处理；高温散热就需要打开冷却风扇，对发动机冷却液进行散热。总之，发动机的特点是热量大，温度高，温度控制需求主要是降温，相对简单。所以传统车中与热相关的系统主要是空调系统和发动机冷却系统，空调在制热时会利用发动机运行时产生的高温余热，但是空调与发动机冷却系统是相互独立的两个控制器。

传统燃油车空调系统电动车的动力系统来自电机，而动力源来自动力电池，电机的特点与发动机类似，工作时会发热，需要进行冷却处理。而动力电池就大不相同了，动力电池的最佳工作温度在20-40℃，温度过低，电池容量会显著下降，低温充电时的电镀现象还会对电池造成严重损伤。温度过高不仅会加速电池老化，还会导致电池膨胀、漏液、短路，甚至会发生燃爆。所以相对于粗犷的传统发动机而言，动力电池就显得那么的金贵，它的温度控制要非常精准细致！

动力电池高温报警2.一体化热管理控制器ITM由于动力系统不同，电动汽车的热相关系统包括了空调系统、电池热管理和电机冷却系统。单从数量上看，电动汽车只是比传统燃油车多了一个电池热管理，是不是只要增加1个电池热管理控制器就行了？实际上电动汽车动力系统的改变，导致了原本互相独立的热管理系统有了更紧密的关系！比如空调系统，原来的制热是靠发动机的废热产生的，非常节能。而电动车的制热只能依靠空调的热泵原理或PTC加热原理。热泵原理需要压缩机工作，PTC需要通电加热，这两种方式都要消耗电能，PTC消耗的更多。而电能来自于动力电池，所以空调系统的工作状态依赖于动力电池的性能。而前面提到过，动力电池的最佳工作温度范围很窄，不能像传统车那样简单的预热和冷却风扇就能控制，必须要通过空调系统的制热和冷却才能保证温度控制效果，因此动力电池的性能又依赖于空调系统的调节。这两者是互相依赖的关系！

动力电池和空调原本互不相干，现在要互相取暖同样的道理，空调可以给电机降温，电机的热量也可以给动力电池和空调使用，所以这三者的关系愈发紧密。

空调、电池和电机三者之间的关系变得更加紧密电池的温度过高或过低都会影响车辆的续航里程和空调舒适性。而电机和电控的温度过高也会影响整车的驱动能力，这些特点对热管理提出了更高的要求。电动车对热管理更高的要求以及空调、电池和电机三者的紧密关系使得原来的独立式热管理向电池、电机和乘客舱空调统一的整车一体化热管理系统方向发展，这种结构集成、功能耦合的方式更容易实现整车能耗最优和成本最优。3.系统架构热管理系统在结构和功能上把电机热管理系统、电池热管理系统和空调系统做了整合，结构上可以减少管路和零部件的使用。整个系统常用的零件包括散热器、冷却风扇、水箱、冷却液泵、chiller冷却器、电子膨胀阀、油冷器、连通阀、电动压缩机、蒸发器、冷凝器、储液罐、电磁阀、电子膨胀阀、鼓风机，PTC加热器等。

常用零部件示意图整个系统的基本工作原理是控制器接收各类传感器信号，各种信号在控制器内部进行综合运算，再对执行器进行输出控制。内部运算主要分为三个模块，空调模块、电池模块和电机模块。空调模块会根据外部设置温度，结合当前环境温度和车内温度计算出目标温度，根据目标温度控制压缩机的运行。电池模块首先通过CAN接收电池单元的温度，根据电池温度的高低，计算出目标温度，再根据车内外的环境温度和制冷剂回路的温度，决定热管理的工作模式，比如是降温、升温还是热平衡。电机模块主要是过热时打开水泵，通过冷却液、冷却水等降温。

系统框图实际的处理过程和算法比较复杂，三者的温度目标针对不同的场景会有不同的优先级和处理方法。另外对压缩机转速的调节和对电子膨胀阀开度调节都要求精准控制，常用PID算法进行控制。

PID控制原理图4.空调系统的特点与传统车相比，电动车热管理系统中的空调控制原理也有很大的不同。

首先在制热上，传统车通过引入发动机工作余热的热风来升高车内的温度，空调中的压缩机等部件不需要工作，这种方案即可以废热利用，又不消耗额外的功率，非常的节能。电动车的空调系统需要用热泵的原理来制热，基本原理跟家用空调是一样的，通过压缩机和电子膨胀阀控制制冷剂的循环流动，让制冷剂在车外吸热，在车内放热；或者吸收电池和电机的热量再放到乘员舱。热泵的原理相对比较节能，但是与热源有关，冬天气温低时热量少，可能需要通过PTC加热。其次在压缩机的控制上，传统车的压缩机是靠发动机的运转带动的，所以它的动力来自发动机，这种方案因为利用了发动机的转速，因此比较节能，缺点是只能控制压缩机的通断，不能精确控制速度，因为压缩机的速度主要取决于发动机的转速。而电动车压缩机是靠电力来控制旋转的，动力来自于电池，这种方案的优点是压缩机的转速可以根据需要精确控制，温度控制精度高；缺点就是工作时要一直使用动力电池的高压电，所以相对传统车会更耗电。此外，电动车的空调系统不仅可以给车内的人员调节温度，还可以通过与chiller冷却器的连接，给电池和电机调温，满足车辆在行驶和充电时的温度要求。

5.电机堵转电动车在制热时如果外部环境温度低、电池和电机也没有余热、车辆没有PTC，或者只有低压PTC，没有高压PTC，无法提供足够的热源时怎么办呢？热管理可以在驱动电机不旋转时，使用电机堵转技术产生热能，当作热源使用。当然这个过程是根据车辆不同工作模式，控制驱动电机是否输出电磁转矩。在不产生电磁转矩时，驱动电机就相当于一个加热绕组。通过电机堵转所产生的热量可以为电池加热，也可以为乘员舱采暖，电机堵转功率的大小根据电池包需要的温度调节，电机此时的角色由驱动车辆变成了加热装置。当然，电机堵转加热的方式也要控制好时间，因为电机长时间处于高温状态下，会导致电机部件的老化，加速电机的损坏，缩短了电机的使用寿命。6.废热回收电机和电机控制器在工作过程中，温度会逐渐升高，温度过高会影响电机和电机控制器的性能，如果将这部分余热散发到车外又是一种浪费。此时如果车内人员需要升温，就可以通过空调的热泵原理把电机的余热释放到乘员舱中。此时如果电池温度偏低，需要加热，就可以把电池和电机循环系统串联，把电机的余热释放给电池包。如果乘员舱和电池同时需要加热，系统会根据优先级和需求热量的大小，按比例的分配给电池和乘员舱，实现精确控制。同样的道理，如果电池有余热，此时乘员舱需要升温，也可以进行类似控制。另外，蒸发器在工作时由于蒸发吸热的原理，蒸发器表面容易结冰，结冰后会严重影响蒸发器的工作，此时可以用余热为蒸发器除霜化冰。7.小结电动车中动力电池的温度过高或过低会影响电量，进而影响车辆的续航里程和空调舒适性；电机和电控的温度过高会影响整车的驱动能力；空调的制热需要依赖电池电量，电池和电机也需要空调的制冷来降温，这些系统的特点使得电动车需要有一个结构集成、功能耦合的热管理控制器来统一协调和控制，在实现温度调节的同时，尽可能达到整车能耗最优！