汽車熱管理相關(guān)知識

來源：舊友與酒

前言

在汽車問世以來，熱管理有著不可或缺的作用。從傳統(tǒng)內(nèi)燃機時代發(fā)動機冷卻系統(tǒng)，到車內(nèi)溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，從傳統(tǒng)的機械式驅(qū)動系統(tǒng)，引入電子水泵和電動風(fēng)扇。

隨著混合動力與電動車時代的到來，需要溫控的部件也逐漸增多，尤其是鋰離子電池的普及帶來了更高的溫度敏感性。電池系統(tǒng)需要在一定的溫度范圍內(nèi)工作，以確保其安全性、壽命和效率。近年來電動車技術(shù)的高速發(fā)展，整車熱管理系統(tǒng)的重點逐漸轉(zhuǎn)向電池和電動機的溫控，同時，空調(diào)系統(tǒng)的能效和電池管理系統(tǒng)(BMS)的集成成為核心。

理論

熱力學(xué)的四個基本定律

零定律(熱平衡定律)

如果兩個系統(tǒng)分別與第三個系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，那么這兩個系統(tǒng)之間也處于熱平衡狀態(tài)。這個定律為溫度的概念奠定了基礎(chǔ)，表明溫度是描述物體熱狀態(tài)的一個可以度量的物理量。

第一定律(能量守恒定律)

能量不能憑空產(chǎn)生，也不能憑空消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。也就是說，總能量是守恒的。其數(shù)學(xué)表達為：

ΔU=Q?W

其中，ΔU是內(nèi)能的變化，Q是熱量的傳遞，W是做功。

第二定律(熵增定律)

熵是描述系統(tǒng)混亂程度的量，第二定律指出在孤立系統(tǒng)中，熵是永遠增加的，或者至少保持不變。換句話說，能量轉(zhuǎn)化的過程中總是伴隨著熵的增加。

這一原理也表明了自然過程是不可逆的，例如熱量從熱物體自發(fā)流向冷物體。

第三定律(絕對零度不可達定律)

當(dāng)系統(tǒng)的溫度趨近絕對零度(0K)時，系統(tǒng)的熵趨向最小值，通常是零。即絕對零度無法被實際達到。(這一原理對于低溫物理學(xué)和量子力學(xué)有重要的意義。)

實踐

1. 熱管理在傳統(tǒng)燃油車中的應(yīng)用

在傳統(tǒng)燃油汽車中，熱管理的主要任務(wù)是控制發(fā)動機和排放系統(tǒng)的溫度，以確保其高效運作和安全性。

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)：通過冷卻液循環(huán)將發(fā)動機產(chǎn)生的熱量帶走，確保發(fā)動機在最佳工作溫度范圍內(nèi)運行，避免過熱或低溫導(dǎo)致的性能下降。

廢氣再循環(huán)(EGR)：廢氣再循環(huán)系統(tǒng)通過將一部分排氣重新引入燃燒室，降低發(fā)動機溫度并減少氮氧化物(NOx)排放。

空調(diào)系統(tǒng)：確保駕駛員和乘客的舒適，特別是在高溫天氣下，空調(diào)的性能直接影響到整車熱管理的效果。

2. 電動汽車中的熱管理應(yīng)用

電動汽車由于動力系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油車不同，熱管理的需求也發(fā)生了變化。電動汽車需要管理的不僅是電池的溫度，還有電動機和電力電子系統(tǒng)的溫度。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)：

電池是電動汽車的關(guān)鍵組件，電池的溫度管理對于其性能、壽命和安全性至關(guān)重要。通常使用液冷系統(tǒng)(液冷冷卻劑)或者風(fēng)冷系統(tǒng)來保持電池在最佳工作溫度范圍(一般在15-35°C之間)。

通過精確控制電池的溫度，能有效避免過熱引發(fā)的安全問題，并在低溫環(huán)境中防止電池性能下降。

電動機冷卻：

電動機在高速運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大量熱量，必須通過冷卻系統(tǒng)(液冷或風(fēng)冷)將熱量排出，防止電動機過熱導(dǎo)致性能衰減。

電力電子熱管理：

電力電子元件(如逆變器、充電器等)也會產(chǎn)生熱量，因此需要有效的散熱機制。常見的方法包括液冷系統(tǒng)、散熱器或熱管技術(shù)等。

熱泵系統(tǒng)：

現(xiàn)代電動汽車還常配備熱泵系統(tǒng)，用于在低溫環(huán)境下提高空調(diào)效率。熱泵能通過反向工作原理，從外部環(huán)境獲取熱量并加熱車內(nèi)空氣，顯著提高能效，特別是在寒冷天氣下。

3. 熱管理與能效的關(guān)系

整車熱管理直接影響到汽車的能效和續(xù)航能力，尤其是電動汽車，熱管理的優(yōu)化能減少能源浪費，提升電池的充放電效率，延長續(xù)航里程。電池的過高或過低溫度都會導(dǎo)致能量損失，因此合理的熱管理不僅保護電池，還能提高車輛的整體能效。

優(yōu)化冷卻/加熱策略：

通過智能控制熱管理系統(tǒng)，使其根據(jù)駕駛條件、環(huán)境溫度以及電池充電狀態(tài)等因素，動態(tài)調(diào)整冷卻或加熱策略，從而確保電池和電動機等關(guān)鍵部件始終工作在最優(yōu)溫度范圍內(nèi)。

余熱回收技術(shù)：

一些先進的整車熱管理系統(tǒng)開始采用余熱回收技術(shù)，將發(fā)動機或電動機產(chǎn)生的多余熱量用于加熱車內(nèi)空氣、預(yù)熱電池或其他輔助系統(tǒng)，從而提升整車能效。

4. 熱管理在車輛安全中的作用

熱管理系統(tǒng)不僅影響車輛的性能和效率，還直接關(guān)系到車輛的安全性。電池過熱是電動汽車面臨的主要安全隱患之一。通過精確的熱管理系統(tǒng)，確保電池溫度在安全范圍內(nèi)，避免由于溫度過高引發(fā)的電池?zé)崾Э?thermal runaway)，避免火災(zāi)等危險。

特別是在高溫天氣下，車輛的空調(diào)系統(tǒng)需要提供更高效的制冷能力，同時車輛內(nèi)部的其他部件(如電池、電動機、車載電子設(shè)備等)也需要保持在合適的溫度范圍內(nèi)。

5. 熱管理系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新

隨著汽車行業(yè)的進步，特別是電動汽車的普及，熱管理技術(shù)也不斷創(chuàng)新，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

熱管理系統(tǒng)集成：在一些高端電動汽車中，越來越多的熱管理系統(tǒng)被集成為一個綜合系統(tǒng)，以降低能源消耗，提高熱效率。例如，采用液冷系統(tǒng)同時管理電池、電動機和電力電子元件的溫度。

智能溫控技術(shù)：通過嵌入傳感器和先進的溫控算法，實時監(jiān)控和調(diào)整整車各個部分的溫度，使熱管理系統(tǒng)更精確、響應(yīng)更迅速。

新型冷卻材料：使用具有更高熱導(dǎo)率的材料(如石墨基材料、相變材料等)來提升冷卻效率。此外，納米流體和熱管技術(shù)的應(yīng)用也成為提高熱管理效率的研究熱點。

熱回收和循環(huán)利用：越來越多的車輛采用熱回收技術(shù)，將發(fā)動機、制動系統(tǒng)、電池等產(chǎn)生的熱量回收利用，不僅提高了能效，還能改善車內(nèi)舒適性。

總結(jié)

整車熱管理是現(xiàn)代汽車設(shè)計中至關(guān)重要的一個方面，尤其是在電動汽車的研發(fā)過程中，如何有效管理車輛的熱量，提高能效、安全性和舒適性，已經(jīng)成為關(guān)鍵的技術(shù)挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，越來越多創(chuàng)新的熱管理方案被引入，幫助汽車行業(yè)實現(xiàn)更高效、更安全的車輛設(shè)計。

未來的熱管理系統(tǒng)將更加集成化，多個熱管理功能可能會合并到一個系統(tǒng)中，提高效率并減少能耗。新材料的應(yīng)用(如碳納米管、石墨烯等)，新技術(shù)的涌現(xiàn)，將加快熱管理發(fā)展的進程。