1.4.3 能量管理與熱管理技術

1. 能量管理技術

能量管理在車輛能量轉換過程中扮演著“能量協調者”的角色，旨在不影響性能與安全的前提下，對能量進行科學合理的分配與控制，使整車能量利用效率達到最優，實現節能降耗的目的。電動汽車能量管理是一個多維度的控制系統，其包含了軟、硬件兩方面的內容：硬件方面主要是驅動系統部件、熱管理系統部件以及其他附件的能量利用效率；軟件方面主要是能量管理策略，包括驅動控制策略、能量回收策略、整車熱管理策略、低壓附件策略等。

電動汽車的能量傳遞路徑主要可分為兩條：一條是動力傳遞路徑，由動力電池經配電系統、電驅動總成、半軸到達車輪；另一條是電氣傳遞路徑，由動力電池經配電系統到達用電設備，包括空調壓縮機、PTC（Positive Temperature Coefficient）加熱器、低壓附件等。電動汽車能量管理的一個重要工作思路是通過對整車能量流進行測試分析，分解出能量流經的各個部件的能耗，并對能耗較高的部件進行優化提升，實現從零部件最優到整車綜合最優的目標。

電動汽車能量管理的另一個重要工作方向是能量管理策略的匹配優化：

（1）驅動控制策略

基于綜合尋優的設計原則，并結合驅動系統方案與特性，合理開發加速控制、能量回收以及轉矩分配等車輛縱向控制策略，使得臺架工況及大部分實際用車工況下的車輛驅動能耗趨于最優。

（2）整車熱管理策略

不同于燃油汽車的熱管理，電動汽車的熱管理包含了動力蓄電池熱管理，乘員艙熱管理（空調系統）和電驅動總成熱管理，系統更為復雜，因此需要從系統集成的角度出發，統籌熱量與電驅動總成及整車之間的關系，根據環境溫度與使用工況的不同，開發整車多系統耦合的熱管理策略，減少能量損失。

（3）低壓附件策略

隨著汽車的電動化和智能化發展，電動汽車的低壓用電設備逐步增多，其消耗的能量占比也逐漸提高，因此根據工況與需求合理匹配水泵、油泵、電子風扇、鼓風機等低壓元器件的控制策略，對降低整車能耗具有重要意義。

電動汽車能量管理是從整車層面對各子系統進行能量的綜合優化利用。隨著能量管理需求由單一維度向多維度轉變，對電動汽車能量管理的要求也由粗放式控制向精細化管理發展。因此，集成化與精細化將成為電動汽車能量管理的未來發展趨勢。

2. 動力蓄電池熱管理技術

動力蓄電池系統是電動汽車的核心部件，鋰離子電池在高低溫充放電時，充、放電功率和能量會因溫度受到限制。因此，熱管理技術在動力蓄電池系統設計中越來越重要。熱管理技術主要通過對動力電池系統包括電芯、模組、電池系統等不同層級模型的仿真計算、測試驗證，優化設計出匹配的熱管理系統。設計熱管理系統的初衷是轉移動力蓄電池系統在充放電過程中的多余熱量或向其提供熱量，以使其能保持在適宜的工作溫度范圍內，并具有較好的溫度均勻性。由于受到外界環境溫度的影響，熱管理系統的設計需考慮冷卻、加熱、保溫三方面。

當前，依據傳熱介質的不同，動力電池熱管理系統主要有三種形式：空氣介質熱管理系統，液體介質熱管理系統，相變材料熱管理系統。影響熱傳遞的因素有：①流體傳熱是強制對流傳熱還是自然對流傳熱；②流體有無相變；③流體的流動狀態是層流還是湍流；④換熱表面的幾何因素，包括形狀、大小、與運動方向的相對位置、粗糙度等；⑤流體的物性性質，包括密度、動力黏度、導熱系數、比熱容等。因此，對流換熱過程是一個復雜的物理過程，尤其涉及流體的湍流和相變。

空氣介質熱管理系統，是動力蓄電池系統應用最早的一種熱管理技術，成本低、實現簡單且安全。利用空氣的自然流動或者強迫流動，將電池多余熱量帶走或者將外部熱量傳遞給電池，保持動力蓄電池系統處于適宜的工作溫度范圍內。由于空氣比熱小，且動力蓄電池系統空間有限，其換熱能力受限。

液體介質熱管理系統，是當前動力電池系統應用最多也是最普遍的一種熱管理技術，常用的冷卻液是50%乙二醇溶液，其具有熱容量大、冰點低的優勢。配合冷板和流道的設計，通過驅動冷卻液在流道中的循環流動進行換熱，冷卻液溫度的調整可實現冷卻、加熱功能。

相變材料熱管理系統，是利用介質潛熱的吸收和釋放來實現熱管理系統大而快的換熱量需求。在充分考量動力蓄電池系統結構及實現成本的基礎上，比亞迪研制出新型的熱泵空調電池熱管理系統，在保留液體介質熱管理系統的冷板換熱模式基礎上，配合冷板流道設計，將換熱介質改為與空調系統同樣的制冷劑（R134a、R1234yf等），流體的換熱從顯熱變成潛熱，換熱量大大提升，且瞬時換熱速度加快。且熱泵空調電池熱管理系統與液體介質熱管理系統相比，節省了冷卻液回路、水泵及板式換熱器，降低了系統成本；系統中換熱由兩次換熱變為一次換熱，換熱效率提高，減少了換熱的損失能耗。

動力蓄電池系統的熱管理技術是一項系統工程，不僅與動力蓄電池系統本身相關，還需要電動汽車其他系統間的互相配合，以實現最優的能量管理。