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文丨江柊留声机
编辑丨江柊留声机
随着汽车产业的快速发展，电动车辆已经成为未来交通领域的焦点。然而，电动汽车的高效能源利用和舒适性依赖于其热管理系统和空调技术的优化。
这两个关键领域的不断创新，不仅可以提高车辆性能，还可以推动电动汽车在全球范围内的更广泛应用。
在这篇文章中，我们将探讨不同类型车辆的热管理差异，以及电动车辆中电池、电动机和功率模块等组件的冷却技术。
包括传统内燃汽车与电动汽车之间的HVAC系统差异，以及在寒冷天气下加热能力的挑战与解决方案。
车辆热管理系统的重要性在于提高汽车的热效率，同时实现乘客的舒适度和零部件的可靠性。
越来越多的研究人员正在探索先进的车辆热管理方法，以在保持乘客舒适的同时提高燃油经济性。
车辆热管理系统的有效性可以通过减少汽车动力系统的热负荷和提升车内的热舒适度来评估。
高效的车辆热管理系统可以提升汽车的热效率，从而提高内燃发动机车辆（ICEVs）的燃油经济性或电动车辆（EVs）的每次充电里程。
因此，优化的车辆热管理系统对于ICEVs和EVs都至关重要。
ICEVs和EVs的热管理解决方案之间的差异也很明显，涉及到能源来源、动力系统和暖通空调系统等方面。
ICEVs的推进能源来自内燃发动机中化石燃料的燃烧，至于EVs，这种能源是由电池而不是发动机提供的。
消除发动机废热，加上电气化动力系统中的先进热管理需求，导致了EVs中热负荷减少和车内舒适度提升方面的新挑战。
根据工作温度的不同，EVs为电池、电动机和动力电子设备的冷却设置了两个独立回路。
电池热管理系统在过去几年中取得了良好的发展，全球研究机构和汽车制造商在控制电池工作温度和提高电池温度一致性方面做出了许多贡献。
对于EVs的电池热管理的最新发展已有大量研究进行了回顾，因此，本文将主要关注EVs的电气动力系统和暖通空调系统的热管理。
ICEVs和EVs的动力系统完全不同，因此需要不同的热管理系统，对于ICEVs，内燃发动机是产生动力的核心组件，也是热管理的重点。
典型的内燃发动机产生足够多的多余机械功率，以驱动水泵、压缩机和其他散热部件，以控制发动机和车内的温度。
与ICEVs不同，电池是EVs的主要能源，因此电池的热管理在EVs中更为重要。
此外，虽然电气动力组件可以实现更高的功率效率，热生成率相对较低，但这些组件的高温敏感性和较低的工作温度范围要求热管理系统必须对车辆的驾驶条件快速做出实时响应。
电动机、功率模块和传动是需要电气动力系统中的热管理系统进行冷却的三个主要组件。
随着电动汽车（EV）的发展，现代电气化动力总成实现了高度一体化。
电动机、功率模块和变速器的集成利用了缩小布局空间、减轻动力总成总重量以及适应不同平台的优势。
高度集成的电气化动力总成也将简化热管理系统的冷却电路。
通常，电动机定子中的硅钢片和功率模块的冷却使用低温水冷却电路，而电动机和变速箱的铜线则使用高温油冷却电路。
由于集成，水冷和油冷电路可以合并在一起,热量将在这两个电路之间交换，以实现每个组件的工作温度。
因此，电气化动力总成的热管理应考虑对每个组件的冷却以及冷却电路的分布，以实现在最低泵送功率下获得最佳热性能，并保持每个组件的温度达到最佳值。
汽车中的暖通空调（HVAC）系统主要作用是提供车辆驾驶舱的供暖、通风和空调,并且控制车辆内部热环境并确保视野安。
传统内燃汽车（ICEV）和电动汽车之间的HVAC系统主要有几个方面的差异。
首先，需要注意压缩机的驱动功率差异，ICEV中的压缩机是由皮带驱动的组件，与发动机曲轴轴承直接耦合。
并且它的性能直接与车速相关，而在电动汽车中，使用电驱动的压缩机，因此可以独立调节压缩机的速度以满足冷却和加热负荷。
然而，在电动汽车的AC系统运行时，续航里程会大幅减少，其次，ICEV中燃烧产生的废热可以在不进一步消耗化石燃料的情况下重新利用，用于加热车内空气。
而在电动汽车中，由于电机和电池产生的废热往往远小于加热车内的需求，因此需要不同的加热方案和来源，并且电动汽车在开发更高效的空调系统方面面临着特殊挑战。I
电动汽车的AC系统主要有两种解决方案，即基于蒸气压缩（VC）循环的AC系统或无VC循环的AC系统。
在电动汽车的AC系统中，VC循环仍然占主导地位，并且为加热车内空气主要有两种不同的方法。
一种是蒸气压缩制冷专用加热器（VCR-DH）系统，该系统使用电力或燃料驱动的加热器来加热车内空气。
另一种是蒸气压缩热泵（VC-HP）系统，该系统通过采用由逆变器控制的压缩机和四通阀来改变制冷剂流动方向来实现加热。
VCR-DH系统对于电动汽车来说是有优势的，因为它具有可靠性和简单性，但这种解决方案的缺点是加热消耗大量电力，特别是在寒冷地区，会导致续航里程大幅减少。
通常情况下，在运行冷却系统和加热器时，行驶里程分别减少约15%和45%，这已经付出了许多努力来提高VCR-DH系统的热效率。
在丰田普锐斯（Toyota Prius）中，采用了双相喷射器来提高系统效率，其中喷射器集成到蒸发器中，以减少设备体积。
在不同温度范围内，喷射器使普锐斯混合动力车的压缩机功耗分别降低了11％、18％和24％。
不同的冷却剂操作模式也可以在提高热效率方面发挥重要作用，冷却剂流量可以通过阀门协调，与电池冷却系统连接或断开连接，以实现较短的预热阶段。
高压层加热器是另一种可以在预热阶段比其他类似技术减少约18％能源消耗的技术。
此创新高压层加热器的功率密度可以达到3.2 W/cm3，几乎是正温度系数（PTC）加热器的两倍，而且不会给整车增加过多重量。
改进烧结工艺或涂层以增强表面之间的热传递是另一种优化电动汽车加热系统能耗的机制，将VCR-DH系统的能源消耗分别降低了70%和50%。
电动车辆空调系统因其能源效率和紧凑系统的前景而具有潜力，然而存在许多阻碍阻止该系统实际应用，比如在寒冷天气下加热能力的下降以及外部换热器的除霜问题。
电动汽车中基本的VC-HP空调系统类似于住宅热泵空调系统，采用的是可逆的VC-HP系统会使电动汽车的冬季续航里程减少10%，夏季减少15%。
显然，热泵系统是电动汽车空调系统的实际和有前途的解决方案，VC-HP系统在电动汽车中的目标通常建议集中在除雾和除湿上。
提高VC-HP系统热效率的改进可以分为不同的途径，在一些技术上，如带电加热器的混合系统、经济蒸汽注入（EVI）和余热回收，已被用于改善低环境温度下的加热性能。
在这个组合系统中包含了一个热泵和一个PTC加热器作为电动汽车的加热单元，并且通过实验得出，组合系统的加热能力增加了59%，热泵系统的性能系数（COP）也显著提高。
并且在一种基于EV恩德瓦尔循环的空气源热泵中，进行了一系列模拟和实验研究。
最后结果表明，系统的COP约为1.5，在环境温度为-20°C时，系统的加热能力增加了超过20%。
在2016年，有科学家验证了在电动汽车中同时使用环境空气和电机余热作为低温热源的双源VC-HP系统的可行性。
结果显示，与传统的空气源系统相比，加热能力和系统COP分别提高了24.16%和10.81%。
除了基于VC循环的空调系统，还有其他替代方案，比如热能储存（TES）空调系统、磁热（MC）空调系统和热电（TE）空调系统。
根据储热材料，TES空调系统可以分为感热储能系统和潜热储能系统，具有高比热的材料适用于高储能密度，感热储能的能力受到材料的冰点和沸点的限制。
磁热效应的MC空调系统是基于不同金属材料和新合金（称为磁热材料）应用磁热效应的结果，当材料置于强磁场中时，由于自旋定向的内在效应，会产生热量。
在新的电动汽车气候控制系统将包括在近室温度下既有冷却又有加热的两个相位。
热电效应的TE空调系统是当电流通过一对半导体时，会在一个结合处产生热量，在另一个结合处吸收热量的效果。
在TE空调系统中，通过改变电流方向可以轻松地切换加热或冷却，并且开发了一种新型的电动汽车热管理系统，其中包括使用了加热和冷却的热电模块。
最后经实验证明，TE空调系统是可行的，但其性能系数（COP）相对较低，在加热和冷却模式下分别为0.65和0.23。
随着电动汽车的不断发展，其空调系统在提高能源效率和系统紧凑性方面正取得显著的创新进展。
然而，在实际应用中仍然存在一些挑战，例如在寒冷天气下加热能力的下降以及外部换热器的除霜问题。
针对这些挑战，研究人员不断探索新的技术和方法，以提高电动车辆空调系统的性能和可靠性。
基于VC-HP系统的热泵技术在电动车辆空调系统中显示出潜力，并且一系列改进措施已被提出，以提高其在不同环境条件下的加热性能。
同时，其他替代方案如热能储存、磁热和热电系统也在被研究和探索，为电动车辆空调系统的未来发展提供了多样化的选择。
尽管目前还存在一些技术和实际应用上的挑战，但可以预见，随着科技的进步和创新的推动，电动车辆空调系统将会不断完善并取得更大的突破。
这不仅将有助于提高电动车辆的驾驶舒适性和能源利用效率，还将推动电动汽车作为未来交通方式的更广泛应用。
电动车辆的热管理和空调系统在现代汽车设计中扮演着至关重要的角色，优化热管理系统有助于提高热效率，从而增加车辆的经济性和性能。
空调系统的效能优化则在提供舒适性的同时，为车辆的能源消耗和续航里程提供更多的潜力。
尽管目前仍存在一些技术挑战，但随着创新的不断涌现，这些问题将逐步得到解决，未来，电动车辆的热管理和空调系统有望实现更大的突破，为可持续、高效的交通方式做出贡献。
电动车热管理原理解析-整体篇整车热管理原理图，是热管理系统零部件开发的基石。系统原理图不仅决定了零件的关键性能，也决定了零部件之间的连接关系。原理图越复杂，往往意味着硬件结构也越复杂。
整车热管理原理图一般可拆分为冷却系统，空调系统和暖风系统。三者相互依存，又形成统一的整体。独立分析三大系统，是深入理解设计逻辑的基础。融合分析三大系统，方能形成整体的认知。
解析大众MEB平台的热管理原理图，希望详细理解大众的技术方案，也尝试建立一种分析思路。先实物（数据）再抽象，先分后总，先简单再复杂，是一种可行的思路。
首先解读冷却系统。冷却系统的分析，先扫略系统包含的零部件，然后通过水泵确定水流的方向，根据水流方向识别零部件的串并联关系。冷却系统通过阀调整水流的方向，分析系统阀工况的所有组合，自能确定系统含有多少种工作模式。
然后解读空调系统。空调系统的分析，先确认系统包含的换热器，然后通过压缩机确定冷媒的流动方向。空调系统通常包含TXV、EXV、ETXV、SOV以及单向阀，识别并理解各类阀的特征，是解析空调系统工作模式的基础。
最后解读暖风系统。暖风系统的分析，主要基于空调主机。空调主机内通常含有蒸发器，可能含有暖风芯体、换热器或风热PTC。通过分析换热器的种类，再结合风门和风道的布局，亦能识别乘员舱的制冷、制热、除霜等工作模式。
解析整车热管理原理图，理论结合实际尤为重要。纸上谈兵，容易走火入魔。
