文/碳纤维圣斗士
随着排放要求的日趋严格，电池技术和价格上的日益优化，基础设施的不断完善以及消费者对电动车接受度的不断提高，从长远来看，新能源汽车尤其是纯电动汽车，将继续保持其全球增长势头。
电动车上最值钱的零部件就是电池。对于电池而言，岁月不是一把杀猪刀，温度才是杀猪刀。不管电池技术水平有多牛，遇上极端温度都得歇菜。所以电池热管理系统应运而生。
关于三元锂、三电系统这一类词汇，咱们之前的扫盲班已经讨论过了，今天咱们就来掰扯掰扯电动车的电池热管理系统。对此我们专门请教了这一领域的专家，海拉中国区执行器项目负责人Lars Kostede先生。
热管理系统是啥？
不要被这个术语唬住，就好比路边的手机贴膜，说好听点就是“高分子表面处理”。传统燃油车上的发动机冷却系统——也就是俗称的水箱，还有就是车载空调，都属于热管理系统。“热管理系统”更多的是一种统称。
不同的热管理系统针对不同的领域，例如水箱针对的就是发动机，而车载空调就是驾乘舒适性的最大决定性因素——没有之一。一辆车但凡空调罢工，底盘滤震能力再强，NVH再好又能怎样？没有空调的劳斯莱斯，不如奇瑞QQ——尤其是在这个季节，车主的命都是空调给的。
而电动车电池热管理系统，其实针对的就是动力电池而已。
电池为啥需要热管理系统？
相对于燃油车，电动车“独有”的安全隐患就是动力电池热失控。热失控发生之后，会产生类似热核反应的链式传播。
以大家所熟知的18650三元锂电池为例，若干个电池单元组成电池包，某颗电池单元发生热失控之后，热量会向周围转播，然后周围的电池单元就会像放鞭炮似的一个接一个发生连锁反应。在这个过程中，会引发包括中间温度升高率，化学能产热和电能产热，还有传热对流等等在内的诸多研究课题。
控制这样的链式热失控，最简单也是最有效的办法就是在动力电池单元之间加隔热层——现在很多燃油车讲究一点的话，也会在蓄电池外部包一圈隔热层。
尽管隔热层属于是最简单的一种电池热管理系统，但也是最麻烦的一种热管理系统，一方面隔热层的厚度会直接影响电池包的整体体积；另一方面隔热层属于是“被动热管理系统”，当电池包需要加温或降温的时候，隔热层就会拖后腿。
传统锂电池的最佳工况温度在0-40℃之间。温度太高的话，电池储存能力和电池循环寿命都会降低。其实夏天地面温度超过40℃是大概率事件，而且众所周知的是，夏天密闭车内温度或超过60℃，同理，电池包内部也属于密闭空间，同样也会很热……对于电动车来说，完善的电池热管理系统必不可少。
2011年在北美大规模销售的某品牌电动车，正式由于电池热管理系统比较简单，5年后均出现了比较严重的电池容量衰减，以至于北美车主们不得不自掏5000美元更换电池。
而温度如果低于0℃的话，普通锂电池放电能力就会相应降低——也就是俗称的“跑电”。而且，温度越低，电池的电离活性越差，就会导致充电效率降低即“充电难，容量低”。好的电池热管理系统，在低温充电前都会给电池包加热升温，接电状态下甚至具备低能耗保温功能。
其实也有企业开发出了针对极端环境温度的特种锂电池，比如专为极地环境设计的，能在-40℃低温下实现0.2C快速充电，以及不低于80%放电容量的低温锂电池；还有能在-50℃ 到70℃温度区间内不借助任何热管理系统就能正常工作的宽温锂电池等等。
这些锂电池在能量密度和成本方面都很难满足车企的需求，所以对于车企来说，电池热管理系统依旧是保证电池寿命和工况的经济解决方案。
电池热管理系统是怎么工作的？
电池热管理系统的工作原理和家用空调极为相似。简单说来就是测控单元负责监测温度，温控总成驱动导热介质完成最终的温度控制。只不过电池热管理系统的温控精度要比家用空调高很多，甚至可以对电池包内单个电池单元的温度实施监控。
电池热管理系统上常见的导热介质主要是空气、液体与相变材料这三大类。处于效率和成本因素，目前主流的电池热管理系统大多采用液体作为导热介质。而这类电池热管理系统的核心部件就是泵机。
目前海拉为新能源汽车的电池热管理系统提供诸多核心零部件，最具代表性的就是电子循环水泵MPx，该水泵可按需精准控制冷却液的压力和流量，将电动汽车的电池包的工况温度保持在理想水准，从而实现电池系统的经久耐用。
此外，Lars Kostede先生表示，海拉的电池热管理系统还针对车企尤其是中国车企，提供系统解决方案，而不仅仅单一产品解决方案——这点相当重要……
那么，什么叫系统解决方案，什么是单一解决方案？
以买电脑为例，你告诉卖家你要的性能、用途还有所能承受的价格，卖家帮你挑出几款产品并告诉你保修政策，你看中了一款，付钱，并告知卖家希望安装什么版本的操作系统，第二天电脑送到，你签收即可，电脑坏了直接找商家——这叫系统解决方案。
而单一解决方案就是，你自己去市场上买机箱、CPU、风扇、内存、硬盘、显卡，然后自己组装一台。这个过程没两天是搞不定的。而且组装出来的电脑没有整机保修，一旦当机了，需要自己去一个一个排除配件故障，找到故障配件之后和相关配件供应商沟通。而且，由于配件故障导致的第三方配件损毁，例如由于风扇问题导致CPU烧毁，充其量风扇供应商赔你一个新风扇，CPU的损失是不赔的……
这就是系统解决方案和单一解决方案的区别。
发动机热管理冷却发动机热管理技术：发动机热管理系统是给发动机装一台变频“空调”，使发动机在工作循环时， 保持在最佳温度（90°C）。发动机只有在最佳温度下工作才最省油。发动机热管理技术主要有两个系统 组成：一是冷却智能控制模式，二是风扇智能控制模式。随着计算机技术及发动机电控技术的发展，采用 电子驱动及控制的冷却水泵、风扇、节温器等部件，可以通过传感器和计算机芯片根据实际的发动机温度 控制运行，提供最佳的冷却介质流量，实现发动机冷却系统控制智能化，降低了能耗，提高了效率。 按冷却介质类型划分可分为风冷式和水冷式。风冷发动机基本已经跟汽车划清了界限，因为水冷可以 提供更为稳定的温度环境，在为乘客提供舒适服务方面，风冷发动机也表现得不是那么人性化，至少在冬 天不能像水冷发动机那样为车内提供暖风服务。但是风冷发动机的质量更轻，维护起来也更方便，例如不 用换冷却液，也不涉及到漏水等故障。传统发动机冷却系统的主要部件有水箱（散热器）、水泵、风扇、 节温器、暖风水箱以及储液罐。
奇瑞汽车
发动机起家的奇瑞汽车，在传统发动机的节能减排技术方面一直走在行业前列，其最新下线的第三代高性能发动机，热效率达到了世界先进的37.5%水平。除了采用自主开发的电控系统、优化燃烧室结构、降摩擦等技术外，奇瑞先进的热管理系统也发挥了关键作用。
专业人士都知道,汽车发动机只有在适当的温度状态下，才能保持优良运行状况，燃烧更充分，效率也更高。就像人体一样，体温在37℃时，身体状态最 佳，过低则反应迟缓运转不灵，过高则引起发烧症状。如果发动机运转时温度不够，就会造成燃油燃烧不充分，同时润滑油流动性差，造成摩擦力增加，从而使发动机效率降低并且排放出更多污染物，还会加快组件的磨损。因此，热管理系统的重要作用是使发动机尽快升温，减少其在低温状态下的运行时间，并使其保持恒温。
奇瑞发动机的热管理系统，就像是发动机的“变频空调”。这台“变频空调”运用了诸如开关式水泵、电子节温器、集成缸盖水套、横流式水套等奇瑞最新或独 家技术，使发动机在启动后能够快速升温，降低摩擦功，提高热效率，在实现降油耗目标的同时，减少了污染颗粒物的排放。
以奇瑞热管理系统应用的开关式水泵技术为例，它可以配合电控系统，根据发动机实际运转工况发出的指令，实现对冷却系统水流量的控制。在减少热量损失的前提下，暖机速度提升了20%左右，大大提升了工作效率。这项技术既能满足散热需要，又能实现快速暖机，从而降低整机油耗。奇瑞电子节温器技术也是一大创新，可根据发动机运行转速、负荷状态、进气温度、冷却液温度等计算目标温度，精准调控水温，让发动机实际温度稳定在105-110℃范围，确保发动机始终在合理的温度下工作。
在冷却水的水流控制方面，奇瑞第三代发动机技术也在细节之处做到了极 致。通过缸盖集成排气歧管技术，奇瑞发动机将排气歧管集成在缸盖上，有效降低了排气温度，减少了热量损失，同时加快发动机升温速度。在缸体缸盖的内部结构上，奇瑞采用了独创的横流式水套，这种水套体积小，不仅有利于温度提升，还可以使冷却水在发动机内部流速更均匀、换热更充分，保证整机的高效换热。
宇通客车
发动机热管理系统Ⅱ代的主要特点：散热风扇采用电子风扇和冷却模块采用一体化冷却单元。
发动机热管理Ⅱ代与Ⅰ代热管理系统相比，控制更精准、效率更高、能耗更低，从而达到更好的节油效果。
· 电子风扇由发动机热管理系统(Engine Thermal Management System)ECU控制风扇的转速和启停，ECU采用脉冲宽度调制(PWM)技术，实现风扇的无级变速，从而使发动机水温恒定在最佳工作温度，进气温度恒定在最佳工作温度，此时发动机的功效比达到最佳；同时采用电子风扇省去了机械传动部分，减少了发动机的能量消耗。
· 一体化冷却单元为并联式结构，即散热器和中冷器并联，与串联式冷却单元相比，提高了热交换效率，减轻重量，降低油耗。
电子风扇控制器ECU通过CAN总线读取发动机水温及中冷器温度，当发动机水温或中冷器温度达到ECU内部标定的温度参数后，电子风扇控制器ECU控制冷却风扇工作。
1、可靠性高、稳定性好
电子风扇采用原装进口，其风扇具有寿命长、效率高、可靠性好、噪音低等优点。
冷却模块为宇通自主开发产品，拥有专利；冷却模块采用一体式结构，将散热器与中冷器并排布置，减小冷却模块体积，优化发动机舱布置，有效降低冷却模块整体重量，方便清理维护。
2、降低油耗、噪音
发动机热管理系统Ⅱ代采用了小直径电子风扇，与Ⅰ代热管理系统相比，大大减小发动机消耗功率，降低油耗，节油率在Ⅰ代热管理系统基础上可提升5%-8%；风扇尖端速度大幅降低，从而降低了整车噪声，提高舒适性。
3、试验验证结果
大众/奥迪汽车
大众/奥迪旗下开发了全新第3代四缸汽油发动机系列，代号为EA888 GEN3。为了应对欧6排放法规，且降低燃油消耗率（CO2排放），在第2代EA888基础上进行了全面的升级。全新第3代发动机采用了很多创新性的技术。包括气缸盖集成式废气冷却系统、直喷和歧管喷射组成的双喷射系统以及具有双凸轮轴调整功能的气门升程系统，一种新型的全电子冷却控制系统并配合着全新热管理系统。在GEN 3B（第3.5代）EA888上，还做了进一步的优化升级，提出了Budack-cycle（B循环概念），在油耗性能上进一步突破。
整个冷却液回路（包括发动机内部和车辆侧）的设计旨在为热管理服务，从而使发动机和车辆内部（如果有需要的话）快速升温。热管理系统的两个主要部件是集成式废气冷却系统（如前所述），以及用于实现全电子冷却液控制的模块。整个冷却回路还配有流量控制阀，用于开启或停止流经散热器和变速箱热交换器的流量。如图所示
发动机冷却回路布置图
全电子冷却控制
用于全电子冷却控制和热管理系统的核心执行元件是塑料旋转滑块，它容纳了两个机械耦合的旋转滑块，用于调节冷却液流量。一个电机通过一个减速器迅速驱动旋转滑块1。依次通过灯笼齿轮与旋转滑块2连接。旋转滑块1取代了传统的石蜡式节温器，能够根据需要在85°C和107°C之间随意地改变冷却水温度。旋转滑块1还可以调节发动机机油冷却器的冷却液回流。如图所示。
旋转滑动模块（控制发动机和车辆中的热传递）
升温策略
在热机过程中，流入发动机的冷却液最初被旋转滑块2完全关闭。所有外部阀门都关闭，水只在发动机内部流动，也就是常说的小循环。当现实中用户需要进行空调加热等操作时，不必利用小循环内部的冷却液。在这种情况下，设计了一个带有辅助水泵的自动加热回路，通过该回路，来自排气歧管集成式气缸盖的废热被利用，送入空调系统传递热量。进入发动机缸体（旋转滑块2）的冷却液入口保持关闭状态，因此尽可能保持气缸的快速升温从而减少摩擦。这套系统可以在满足客户的舒适性要求前提下，同时实施最佳升温策略。
随着发动机温度进一步升高，旋转滑块2局部打开，产生部分的冷却液流量，以确保部件充分冷却。并且通过对水的快速加热减少了热机过程中的热损失。最终，在达到规定的水温后，发动机机油通过旋转滑块1定向流经发动机机油冷却器，对机油进行加热。一旦判定发动机充分热机后，变速箱冷却器的切换阀再打开，以便用部分热量对变速箱油进行加热。在热机过程中，一旦冷却液流经主散热器，则不可避免地会带来热量损失。因此，为了保证热效率，主散热器会在所有相关零部件充分热机的基础上再发挥作用。依靠这套集成式废气冷却系统和全电子冷却液控制系统，可以为这款发动机提供比上一代更短的热机时间，此外还可以加快空调加热的响应时间，如图所示
NEDC中的发动机升温曲线
不同发动机工况下冷却液温度目标map
温度控制
此热管理系统可以在整个发动机转速负荷区间对冷却液温度进行优化，从而最大限度地降低摩擦损失并提高热效率。在发动机转速和负荷较低时，冷却液调节至107°C，以将发动机机油回路阻力降到最低。随着负荷和发动机转速的提高，冷却液温度降低到85°C。平衡机油阻力损失和最佳点火提前角效率（以及爆震控制）之间实现最优化，从而确保发动机热效率的最佳化。旋转滑动模块的高响应速度和热管理系统的高可控性使冷却液温度能够迅速降低，以便在高负荷下保证可靠性。
这套热管理系统还有一个特殊的功能，就是在发动机关闭时也能工作。通过对旋转滑动模块的协同控制，让冷却液以一个设定的流量持续通过冷却液沸腾敏感的气缸盖和涡轮增压器，从而使存储在这些部件中的热量快速排出，解决了传统涡轮增压器寿命短的问题。
在发动机气缸体的部分位置，没有设计冷却回路，以免对发动机进行过冷却。通过该设计，显著减少了热机时间。总的来说，这套热管理系统，在NEDC中节约了2.5 g CO2/km，在实际驾驶模式下也大大节约了行驶成本。另外，空调的快速制热设计，也提高了舒适性。
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