基于整车电池直冷直热热管理集成模块开发与应用的研究

新能源汽车正朝着高续航、高安全、高舒适性方向快速发展，为满足整车发展的性能需求，优化整车热管理系统架构将有利于提升整车续航能力，提高驾乘人员舒适性等。整车热管理系统开发正从传统分散式设计向系统化、集成化方向转变。热管理集成模块通过减少热管理系统零件重量、优化能量分配、降低系统能耗及提升热能效率等措施来延长整车续航。传统液冷系统因管路复杂、漏液风险及响应速度慢、二次换热导致热效率较低等问题，难以满足高能量密度电池的散热需求。电池直冷直热技术通过制冷剂直接接触电池模组，利用制冷剂的相变潜热实现快速降温或加热，其散热效率可达液冷系统的3-4倍。

关键词：热管理集成模块；直冷直热；热管理效率

1. 引言

随着新能源汽车对续航里程以及充电速度需求越来越高，动力电池的热管理将面临着更高的挑战。受环境温度影响，低温下，电池放电效率降低，乘员舱制热需求较大，导致能耗激增，续航里程衰减高达40%。在电池充电过程中，为减少充电时间，采用5C等快充技术，虽然对电池充电速率有很大提升，但对电池快速降温，保证电芯温度不失控，对电池的热管理要求将提出较高要求。传统液冷系统因管路复杂、漏液风险及热管理需求响应速度慢等问题，难以满足高能量密度电池的散热需求。因此，开发一种高效、节能、可靠、低成本的热管理集成模块显得尤为重要。

传统的电动汽车热管理系统通过空调箱总成的蒸发器和暖风芯体/空气PTC实现乘客舱的温度调节。在夏季，热管理系统通过空调箱内蒸发器对空气进行热交换，通过吸热实现降温；冬季采暖，则通过水PTC加热防冻液，通过水泵将温度较高的防冻液输入给空调箱暖风芯体对乘客舱进行加热，或采用布置在空调箱内的空气PTC将经过空气PTC的冷风进行加热，再经空调箱内部流道顺着整车风道吹到乘客舱，对乘客舱进行加热。但是不管是水PTC还是空气PTC加热均需要通过整车高压电进行加热，制热效率低于1，导致电动汽车续航里程减少。热泵空调系统则采用压缩机压缩系统中的制冷剂，制冷剂通过布置在空调箱内的室内冷凝器直接加热冷空气，最终实现整车制热功能。相较于传统的水PTC或空气PTC，热泵系统可节省整车的能耗。目前在热泵系统的基础上，开发热管理集成模块，降低整车的重量有助于提高电动汽车的续航里程。

热管理集成模块主要将传统的热管理零部件通过整合，将各种电子膨胀阀、电磁阀、单向阀、水泵、水阀、温度传感器等零部件以集成化、模块化、简化布置方式。整车采用热管理集成模块，零部件数量将减少约35%，管路长度减少约40%，整个热管理系统中制冷剂加注量减少约20%左右，对环境保护更有利。零部件数量减少、制冷剂加注量的减少以及整车上将热管理零部件模块化装配，提升整车装配效率同时也降低了整车的总成本。这种新型的开发方式受到各主机厂的广泛应用。本文针对某热泵车型开发一款针对电池直冷直热的集成模块来提升整车的续航能力。

2. 电池直冷直热技术原理及优势

电池直冷直热技术是通过把制冷剂直接进入电池冷板内，电池冷却板直接对电池模组进行冷却或加热。由于直接用制冷剂中的潜热作用到电池模组内进行热交换，不需要二次换热导致的损失，因此具有更高的能效比和更快的温度控制速度。

本文为某车型开发的一款电池直冷制热的热管理系统，根据系统原理图讲述相关原理

2.1 电池直冷技术原理

电池直冷技术利用制冷系统中的制冷剂通过电子膨胀阀节流，两相状态的制冷剂直接在电池模组间蒸发吸热，将动力电池的热量带走。如图1，压缩机出口的制冷剂经内冷凝器后通过电子膨胀阀2（电子膨胀阀2为大口径电子膨胀阀，此时电子膨胀阀2全开，制冷剂不进行节流功能），经SOV5后进入前端冷凝器，再经过单向阀2到EXV3（EXV3为大口径电子膨胀阀，在电池制冷时该电子膨胀阀实现节流）两相状态的制冷剂进入电池冷板，制冷剂在电池冷板中随电池冷板的内部流道均匀的分布在电池模组位置，实现电池冷却。

2.2 电池直热技术原理

电池直热技术利用经过压缩机压缩的高温制冷剂对低温的电池模组进行加热。工作原理如图1压缩机压缩后高温制冷剂经SOV3后进入电池冷板对电芯进行加热，通过EXV3对chiller进行节流（EXV3出口的制冷剂需经过单向阀1和SOV6后进入chiller），再经SOV1进入气液分离器，最后再回压缩机，完成电池制热过程。制冷剂流经板式换热器，根据测试环境温度或者系统对制热需求的不同，chiller内制冷剂可以吸收电驱堵转将防冻结加热的冷却液热量实现余热回收或者通过三通水阀切换，吸收空气中的热量。

2.3 直冷直热技术的优势

高效性：直冷直热技术通过制冷剂的直接作用于电池的蒸发吸热或加热，避免中间能量的转换，实现了高效、快速的热管理效应。

节能性：相较于传统的PTC电加热器，热泵系统直接采用压缩机压缩的高温制冷剂对乘客舱或者电池加热，降低整车能耗，提高电动汽车的续航里程。

集成化：直冷直热技术与热泵空调系统相结合，实现多种模式下的冷却和加热需求，简化了系统零件的数量，缩短整车装配作业时间，减轻整体重量，减少了系统制冷剂加注量，降低了成本，节省整车布置空间，同时因系统制冷剂加注量减少，减少了对环境的污染。

3. 整车电池直冷直热热管理集成模块设计

本文将基于整车电池直冷直热热管理集成模块的开发与应用研究。该集成模块综合考虑了电池、电机及乘员舱的热管理需求，实现了高效、节能和舒适性的有机统一

3.1 集成模块架构设计

图1为某车型设计的的一款利用热管理集成模块，能实现电池的直冷、电池直热、乘客舱制冷、乘客舱制热、乘客舱与电池同时制冷、乘客舱与电池同时制热、乘客舱制热电池制冷、电驱系统的冷却等模式的自由切换。在制冷剂回路中，通过各种阀的组合实现上述各项功能，电池直冷制热系统对制冷剂侧架构较复杂。对于水路测相对较简单，在-20℃低温环境下电池或者乘客舱有制热需求，电机需通过堵转对冷却液进行加热，加热后的冷却液经水泵给chiller加热提升电池/乘客舱的加热性能。

3.2 关键组件选型与设计

电池冷却器（Chiller）：电池冷却器（余热回收器）是电池直热和空调热泵制热时的核心零部件，利用电机堵转产生的热量或空气中的热量将经过chiller中的制冷剂进行加热。

电子膨胀阀（EXV）：电子膨胀阀利用改变阀的通径大小，实现制冷剂流量的控制，实现精确的温度控制。在本架构中EXV1为电子膨胀阀，EXV2和EXV3为大口径电子膨胀阀，大口径电子膨胀阀可实现制冷剂的节流和制冷剂的通断功能，运用大口径电子膨胀阀可减少电磁阀的开发，降低成本。

3. 性能差异的量化验证

3.1 仿真模型对比

基于AMEsim平台构建传统系统与集成模块的联合仿真模型：

传统系统：COP平均值为1.8，制热量误差达8%；

集成模块：COP提升至2.8，制热量误差≤4.25%。

3.2 台架与道路测试

台架测试（-20℃工况）：

集成模块制热量达4.2 kW，COP为2.7，能耗较传统系统降低23%。

道路测试（NEDC使用测试工况）：

某车型搭载集成模块后，整车能耗降低18%，续航里程从400 km增至472 km。

4. 电池直冷直热技术挑战与未来趋势

4.1. 低温制热效率提升：本文实验使用的是R134A做为制冷剂介质进行测试，但R134A由于其物理特性℃工况下的制热能力衰减问题，故后期开发动力电池制冷制热的热管理集成模块需要考虑能兼容R744（CO2）系统，对产品的耐爆破等试验要求更高，对集成模块的密封要求以及零部件选型提出更高要求。

4.2电池模组之间存在温度不均匀：由于制冷剂直接冷却板内存在压降和过热度，造成电池冷却板的温度不均匀，因而影响电池模组的温度均匀性。同时，由于制冷剂在空调蒸发器和电池冷却板之间分配不合理，也会造成电池模组内温度不均匀。对整车BMS提出更高的挑战。

4.3.集成模块各电子膨胀阀控制优化：传统PID控制依赖固定参数调节，难以应对动态工况，对热管理集成模块各阀体的匹配响应精度有很大挑战，某车型测试高温环境下，乘员舱温度波动达±2℃，压缩机能耗波动15%，集成模块采用BPNN-MPC（反向传播神经网络-模型预测控制）算法，结合数字孪生技术优化压缩机转速与阀开度，高温工况下温度波动缩小至±0.5℃，能耗降低15%。

5. 结论

热管理集成模块将传统车型的热管理零部件集成化后，降低整车零部件的数量和重量，同时也降低整车成本，由于管路等零部件数量的减少，整车加注R134A的制冷剂量也有所降低，对环境污染也有所降低。电池直冷直热集成模块将制冷剂直接作用于电池模组，减少了中间的能量转换，提升整车热管理的能效和热管理需求响应速度，大大提升了电池的使用范围，加强电池的安全性。未来需进一步突破材料极限、算法优化与跨学科协同，以实现全工况下的高效能热管理集成模块。

参考文献：

纯电动汽车动力电池热管理技术探析，翟端正;王思杰;牛治锋;-《汽车电器》-2024-03-20