新能源机电产品热管理系统优化设计与性能分析

一、引言

在 “双碳” 目标推动下，新能源机电产品凭借高效清洁优势，广泛应用于交通、能源等领域。但产品运行中，电机、电池、功率半导体等核心部件会大量产热，若热量堆积，不仅导致效率下降（如电机温度每升 1℃，效率降约 0.3% ），还可能引发绝缘老化、部件烧毁等安全问题。传统热管理系统多采用单一散热方式（自然散热、强制风冷），存在散热效率低、适应性差、能耗高等缺陷，难以满足高功率密度、宽工况运行需求。因此，开展热管理系统优化设计，通过创新结构、优选介质、构建智能控制体系，实现 “高效散热 - 低能耗 - 高可靠性” 目标，具有重要理论与工程意义。

二、新能源机电产品热管理系统的设计原则与功能需求

2.1 设计原则

热管理系统设计需遵循 “可靠性优先、效率最优、能耗最低” 原则：

可靠性优先：确保核心部件（电池、电机、IGBT）温度控制在安全阈值内（锂电池最佳温度 25-40% ，电机绕组温度 ⩽155% ），避免过热导致性能衰减或风险；

效率最优：优化散热路径与传热方式，降低热阻，减少热量积聚；能耗最低：在满足散热需求的同时，减少风扇、水泵等散热设备能耗，避免影响产品整体能效。

2.2 功能需求

结合产品运行特性，热管理系统需满足以下核心需求：

精准控温：按部件温度需求分区动态控温，适应启动、满负荷等不同工况；

宽环境适应性：在 -30^cC 至 60% 、高湿度等复杂环境下稳定运行；

轻量化与集成化：采用铝合金、复合材料实现轻量化，与产品结构集成以减少空间占用；

故障预警与容错：具备温度监测、故障诊断功能，散热失效时可切换备用模式保障安全。

三、新能源机电产品热管理系统的优化设计方案

3.1 散热结构优化：基于多物理场耦合的拓扑设计

传统散热结构（如平板式散热器）存在传热路径长、热流不均问题，通过拓扑优化与多物理场耦合分析可实现高效设计：

拓扑优化设计：采用 ANSYS、ABAQUS 等软件，以 “最小热阻”为目标，结合 CFD 与热传导理论，优化翅片结构（变截面、仿生翅片）与流道布局（蛇形流道、微通道）。例如，直翅片改锯齿形可增散热面积 15%-20% 、降风阻 10% ；微通道（直径 0.1-1mm ）可提升传热系数 3-5倍，适用于 IGBT 等高热流密度部件；

多部件集成散热：针对新能源汽车 “三电系统”，设计集成式散热模块，共用冷却回路与散热器。如电机控制器与电池冷却器集成，可降系统重量 12%-15% 、减空间占用 20% 。

3.2 传热介质优化：高效热载体的选型与改性传热介质性能直接影响散热效率，优化方向如下：

液态传热介质：传统乙二醇水溶液（比热容 3.4kJ/(kg⋅K) ）低温流动性差、腐蚀性强；采用 Al₂O₃/ 乙二醇、CuO / 水等纳米流体，可提升热导率 20%40% ，冰点降至 - 40^∘C 以下；咪唑类离子液体（分解温度 > 300^∘C ）适用于风电变流器等高温工况；

气态传热介质：光伏逆变器等密闭空间，用氦气（热导率为空气 6倍）、氩气替代空气，可提升对流散热效率并防部件氧化；

相变传热介质：将石蜡（潜热约 200kJ/kg ）、脂肪酸类 PCM 与散热器结合，利用相变潜热 “ 削峰填谷 ”，如电池包嵌入 PCM 模块，可避免快充时温度骤升，延长循环寿命。

3.3 智能控制策略：基于工况自适应的动态调节

传统 “ 开环控制 ” 或 “ 固定阈值控制 ” 无法实时适配工况，基于IoT 与智能算法的策略可实现动态优化：

多传感器信息融合：在核心部件与散热系统部署温度、流量、压力传感器，通过边缘计算融合数据，精准判断热状态；

自适应控制算法：采用 PID 优化、模糊控制或 MPC 算法，按热状态调节设备参数。如电池温度 <25^∘C 时关主动散热， 25⋅40^∘C 时调风扇转速， >40^∘C 时启风扇、水泵与制冷机组；

工况预判与提前调控：结合机器学习分析历史数据（如汽车行驶速度、负载率），预判产热趋势并提前调整系统状态，如预判爬坡时提前提风扇转速与水泵流量。

四、热管理系统优化后的性能分析

4.1 仿真分析：基于 CFD 与热仿真的效果验证

以新能源汽车电机控制器为例，用 ANSYS Fluent 构建模型对比优化前后性能：

温度分布：优化前（直翅片 + 乙二醇）IGBT 最高温 85^∘C 、温差15^∘C ；优化后（锯齿翅片 +Al₂O₃ 纳米流体）最高温 72^∘C 、温差 8^∘C ，满足 ≤80^∘C 安全要求；

散热效率：热阻从 0.8^∘C/W 降至 0.5^∘C/W ，效率提升 37.5% ；

能耗：相同需求下，风扇与水泵能耗从 120W 降至 95W，降20.8%_⨀ 。

4.2 实验测试：基于台架与实车的性能验证

搭建电机控制器热管理台架，模拟怠速、额定负载、满负载工况测试，并在 500km 续航纯电动车上道路测试：

台架测试：满负载（150kW）时，IGBT 温度稳定 70–75^∘C ，较优化前降 10–15^∘C ；连续运行 4 小时无过热报警，部件性能衰减率从 5% 降至 2% ；

实车测试：夏季 35^∘C 、 120km/h 工况，电池包平均温 35-38^∘C ，降8–10^∘C ，百公里电耗从 18kWh 降至 16kWh（降 11.1% ）；冬季 - 20^∘C 工况，余热回收加热电池，升温至 25^∘C 时间缩 30% ，提升低温充电效率与续航。

4.3 可靠性与经济性分析

可靠性：加速寿命试验（高温高湿循环、振动）显示，系统平均无故障工作时间从 5000h 升至 8000h，可靠性提 60% ；

经济性：初期成本增 15% （纳米流体、智能控制器），但电池循环寿命从 1500 次延至 2000 次，全生命周期成本降 25%-30% 。

五、结论与展望

5.1 结论

热管理系统优化需从散热结构、传热介质、智能控制三维度协同推进，单一维度优化无法实现综合目标；

拓扑优化散热结构可降热阻提效率，新型传热介质突破传统瓶颈，智能控制实现动态调节降能耗；

仿真与实验验证，优化后核心部件温降 8–15^∘C ，能耗减 10% -18% ，可靠性与经济性显著提升。

5.2 展望

推广热电制冷、喷雾冷却等新型技术，适配 500W/cm² 以上高热流密度部件；

结合太阳能、余热回收，实现散热系统能源自给；

构建数字孪生模型，提升实时监测、故障预判与远程运维能力。

参考文献：

[1] 陈星 . 新能源汽车热管理系统优化与节能效益提升 [J]. 汽车电器 ,2025,(07): 34-35+38 .DOI:10.13273/j.cnki.qcdq.2025.07.019.

[2] 刘琳 . 新能源汽车热管理系统创新设计与性能评估 [J]. 汽车知识 ,2025,25(06):18-20.

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