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摘要
近期《Applied Thermal Engineering》发布了由University of Salerno工业工程系团队的最新研究成果，该文章揭示了研究人员和汽车制造商在电动汽车锂离子电池热管理方面的最新进展，从热工程的角度将学术研究与汽车行业的最新技术进行比较。文献中已经报道了一些实验和数值研究，并对九种电动汽车模型进行了分析，以解释汽车制造商如何开发在市场上推出的新车型。
现将文中涉及和分析道的9款车型的热管理系统的分析进行分享。
电动汽车销量的持续增长以及欧盟制定的 2035 年目标鼓励主要汽车制造商开发新车型和解决方案，以在全球范围内推广该技术的使用。例如，奥迪、宝马、梅赛德斯-奔驰、日产和丰田等知名汽车品牌以及保时捷和迈凯轮等运动品牌。本段重点介绍了量产市场中现有或即将推出的电动汽车的热管理系统，描述了为电池组冷却和预热所选择的策略。
文中涉及到的车型包括：
Sports cars: Audi e-tron GT quattro, McLaren Speedtail， Porsche Taycan
Sedan cars: BMW i4 eDrive 40 ， Mercedes EQS
Crossover: Tesla Model Y
SUV: Nissan Ariya, Toyota BZ4X ，Volkswagen ID.4
主要内容
01
Sports cars：Audi e-tron GT quattro
奥迪e-tron GT quattro是奥迪于2021年发布的一款运动电动汽车。据奥迪媒体中心官方网站和电动汽车数据库网站报道，这款跑车拥有锂离子电池系统，其特点是标称功率为390千瓦，由396个电池组成，可存储84kWh能源净值（总计93kWh）。电池系统位于乘客舱下方，因为主要目标之一是保持低重心并实现更高的稳定性。根据奥迪报道的信息，该车型使用的TMS是一种间接液基系统，由冷却板形成，将电池和工作流体分开。使用的物质是水和乙二醇的混合物，由暖通空调系统冷却或加热，该系统在炎热季节充当冰箱机，在寒冷气候充当热泵。制造商给出的主要信息是电池的温度范围：TMS可以将电池组温度维持在30℃至35℃之间。此外，奥迪声称该系统可以在-30°C至50°C的环境条件下管理电池组的主要温度。
02
Sports cars：McLaren Speedtail
迈凯伦 Speedtail是一款混合动力电动汽车。事实上，M840TQ动力总成由4.0 L内燃机与电力驱动单元相结合组成，总功率可达约790 kW，其中电动机产生的230 kW 。此外，270千瓦的锂离子电池组由高功率圆柱形电芯组成，以独特的阵列排列，可存储总能量1647千瓦时。该值由电池组的高功率密度证实，等于 5.2 kW/kg。这款跑车带来的创新是通过TMS实现的，因为 McLaren Speedtail 是市场上第一款实施浸入式液基技术的汽车。电池单元永久浸入轻质介电油中以改善热交换，使它们能够在更长的时间内提供更高的性能。
03
Sports cars：Porsche Taycan
保时捷开发了Performance Battery Plus，它位于汽车底部，实现了低重心，从而实现了运动驾驶风格。该电池组采用三明治结构，分为防水外壳和电池外壳等多个细分部分。电池框架由轻质铝制成，为电池提供了大量的安装空间并增加了电池容量。这些特性允许制造商插入33个模块，每个模块包含12 个独立电池，可存储总计 93.4 kWh 的能量。TMS 是一种间接液体系统，通过管路系统和冷却剂泵集成到车辆冷却回路中。逆变机在炎热气候下可用作制冷装置，在寒冷季节可用作热泵来加热电池组。
04
Sedan cars：BMW i4 eDrive40
该电动汽车采用由四个72电芯模块和三个12电芯模块（总共324个电芯）组成的锂离子电池组，可储存84kWh，其中81kWh可有效使用。根据 Ampacity 的说法，动力总成电动机是 ESM（退出同步电动机），总体效率为 93%，在 8000 rpm 至 17000 rpm 之间可提供高达 250 kW 的功率。关于电池组 TMS，与之前的车型一样，BMW i4 eDrive40 具有用于电池组的间接液体 TMS，其特点是用于 HVAC 系统的控制阀和单元，可以使用任意组合加热或冷却电池三个回路和一个膨胀水箱。而且，TMS可以回收发动机和电力电子设备的热量，以提高寒冷天气下电池和内部舱室的主温度，降低系统的能源需求。
05
Sedan cars： Mercedes EQS
近年来，梅赛德斯-奔驰推出了一系列新的电动汽车，称为梅赛德斯EQ。有两种不同的动力总成架构：梅赛德斯EQS 450+ 和梅赛德斯EQS 580 4MATIC。后轮驱动系统的特点是梅赛德斯 EQS 450 + 具有单个电机，可产生 245 kW 的标称功率。相反EQS 580 4MATIC 是一款全轮驱动汽车，其动力总成可提供 385 kW 的标称功率，分布在后轴和前轴上，分别为255 kW和 135 kW 。对于这两种模型，再生制动可以通过永磁同步电动机恢复最大功率290 kW。Mercedes EQS 的存储容量取决于为电池组选择的电池数量，可以组成 10 或 12 个模块。考虑到每个模块的容量为 9 kWh，锂离子电池的总容量等于 90 kWh 或 107.8 kWh。电池组温度由间接液体TMS进行管理，该 TMS 使用底部冷却板，冷却剂在其表面形成的空腔中流动。
TMS可以通过电力智能在行驶时或充电阶段控制锂离子电池的温度，这可以减少充电时间并将主要温度保持在最佳范围内。此外，该系统使用正温度系数（PTC）加热器，这是当环境温度达到热泵失去性能的值时TMS必须使用的电加热器。事实上，由于PTC元件，电加热器结构简单，响应速度快，具有自我调节功能。由于环境温度的变化，器件的这一部分会改变其电阻，从而调节电池组热控制所需的热量。
06
Crossover: Tesla Model Y
特斯拉 Model Y是美国电动汽车制造商特斯拉开发的新型跨界车，自 2022 年 11 月起上市。据电动汽车数据库报道，这款电动汽车配备总容量为 60.0 kWh 的锂离子电池，有效可用电量为 57.5 kWh。该电池组的特点是由 106 节锂电池产生的最大功率为 220 kW，为双电机系统供电。事实上，根据 Tesla 的官方网站，全轮驱动是 Model Y 使用的技术，其中两个独立的电动机以数字方式控制前轮和后轮的扭矩，以获得更好的操控性、牵引力和动力。稳定性控制。关于动力总成TMS，正如之前其他车辆分析的那样，特斯拉实施了一种间接液体系统，其中汽车的HVAC系统控制冷却剂的温度。亚历克斯·雷等人分析了 Model Y TMS，描述了最具创新性的功能以及它如何满足动力总成和驾驶室调节的不同要求。这项新技术的主要关注点集中在特斯拉于 2019 年获得专利的新组件，称为octovalve。
八阀是一种旋转阀，有八个端口，允许冷却剂以五种独特的状态流动，每种状态根据系统运行情况具有多种功能。
逆机由一台电动压缩机、一个三通阀、LCC和冷水机组、驾驶室冷凝器和蒸发器以及蓄能器组成。它可以在炎热的天气中作为制冷机运行，在寒冷的气候中作为热泵运行。主要特点是使用两个并联冷凝器（机舱空气冷凝器和LCC）和两个并联蒸发器（机舱空气蒸发器和冷却器），从而可以独立控制机舱条件和动力总成热管理。此外方案没有外部冷凝器，因此必须使用机舱冷凝器或散热器将热量传递到环境。特斯拉提出的这种新颖的工厂允许 Model Y 实现 12 种不同的加热模式和三种不同的冷却模式。根据 Alex Wray 等人报告的数据。 该系统可以将电池组预热到低于-10℃的环境温度，并在炎热气候下可以将电池的主要温度保持在30℃至35℃之间。
07
SUV: Nissan Ariya
Nissan Ariya是一款自 2022 年起上市的电动汽车，也是Nissan Leaf的后继者。日产推出了两种不同的配置，其区别在于电池组容量和标称功率：B6版本和B9版本。第一个电池组的总容量和功率分别为 66.0 kWh 和 160 kW，而第二个电池组的储能容量更大，为 87.0 kWh，电功率为 178 kW 。关于电池组 TMS，日产改变了其理念，引入了间接液体 TMS，而不是 Nissan Leaf 上使用的空气系统。特别是，冷却是利用冷却器来实现的，冷却器降低液体温度，而寒冷天气下的加热则通过与电池组并联的加热器来实现。
长效冷却剂 (LCC)通过冷却板交换热量，热量在冷却板上流经单独的通道。此外，液体必须均匀地供应到整个平板上，但厚度要减小，以减少电池组的体积和重量。因此换热器由三层组成：下板、LLC流道和保护盖。下板的特征在于 LLC 在模块下方流动的横截面。管道所在的空腔是中空的，可将热量引导至电池并减少扩散。
08
SUV: Toyota bZ4X
丰田bZ4X是自 2022 年 6 月起上市的新型电动 SUV。据官方网站Toyota Europe Newsroom报道，该车型是丰田旗下首款全新电动汽车，其名称源自子品牌“Beyond Zero”，其目标是开启汽车生产的新时代。全电动汽车。此外，这款 SUV 是与斯巴鲁合作设计和生产的，斯巴鲁提供了全轮驱动工程等各个领域的专业知识。bZ4X 有前轮驱动和全轮驱动版本：丰田 bZ4X FWD和丰田 bZ4X AWD。它们具有相同的由 96 个电池组成的电池组，可储存总能量等于 71.4 kWh（可用 64.0 kWh），而动力总成提供的标称功率分别为 150 kW 和 160 kW。特别是，AWD模型，如前面所示的全轮驱动汽车，每个车轴都有两个不同的电动机，其中车辆的总功率平均分配（每个车轴 80 kW）。关于TMS，同样在这种情况下，采用的技术是间接液基技术，这使得丰田bZ4X能够在-30°C至60°C的环境温度范围内工作。此外据丰田官方网站报道，这是第一款采用水TMS的丰田电动汽车，它与HVAC配对，在寒冷季节充当热泵，在寒冷季节充当冰箱机。
09
SUV: Volkswagen ID.4
大众 ID.4 有不同的配置，其中动力总成功率和锂离子电池容量发生变化。第一款是大众ID.4 Pure，功率为109千瓦，标称容量为55.0千瓦时，有效可用电量为52.0千瓦时。该车型采用后轮驱动，电池组由 192 个电池组成。相反，大众 ID.4 Pro配备后轮驱动动力总成，可释放总功率 150 kW，标称储存能量为 82.0 kWh，有效可用电量为 77.0 kWh。对于这两种配置，电池组的热管理都是通过间接液体系统实现的，该系统允许车辆在 - 28 °C 至 60 °C 的环境温度之间运行。
加热通过HVAC系统冷凝器(7)和PTC加热器(8)进行管理，而冷却可以通过HVAC系统或散热器(12)来实现。
据大众汽车报道，循环（a）允许通过液体冷却剂降低电池组的温度，液体冷却剂由外部散热器冷却，而不需要 HVAC 系统的任何请求。当电池组温度达到 30 °C 以上并且恒温器测量到的环境温度超过 15 °C 时，此配置将激活。相反，循环（b）通过空调系统在冰箱机模式下冷却电池单元。当车辆运行期间恒温器测量到的温度低于 15°C 并且电池组的温度超过 35°C 时，选择此策略。此外，当电动汽车处于充电模式且电池温度超过 30°C 时，该系统也会激活。当需要提高电池组温度时使用循环(c)。当锂离子电池的温度低于 8 °C，并且恒温器采样的环境温度低于 15 °C 时，就会实现此条件。另外还有一种电池不被冷却或加热而被旁路的情况。
来源：新能源汽车行业研究
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2024年新能源汽车热管理行业报告：技术路径演化，全球化打开市场S
摘要
新能源热管理技术演化的核心在于：以尽可能小的能量满足整车系统（冷媒路&水路）的工况需求（制热&制冷）。基于此推演后续技术趋势：①冷媒侧：热泵空调大范围普及， 2023 年 1-9 月标配搭载率达到 25.3%，2027年有望达 60%；方案预计将逐步收敛为 R1234yf 冷媒热泵与低功率 PTC 耦合。②水路侧：动力系统将主要采用液冷散热，以保证冷却效果，而高压大功率平台、智能化下芯片算力的提升将带来新增量；③集成化：打通冷媒路和水路实现更充分的热量交换和统筹管理，进一步提升系统效率，集成化对于零部件厂商而言是能否长期成长的关键与核心壁垒来源。
电动化趋势下，新能源乘用车热管理市场快速扩容。由于新能源热管理系统功能性与复杂度的大幅提升，根据不同零部件之间的工艺共通性，将其分为换热器类、阀类、泵类、压 缩机类以及其他零部件等。预计非热泵 BEV、PHEV 单车价值量约为5650、6650 元，而搭载热泵系统需要额外增加1000 元，相较于传统燃油车的2260元有明显提升。而在电动化趋势下，预计 2025 年全球 新能源乘用车热管理市场空间达1616亿元 （CAGR4=31%），国内新能源乘用车热管理市场空间达878亿元（CAGR4=45%）。
报告主要内容
来源：新能源汽车行业研究
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