智能電動汽車熱管理系統(tǒng)的挑戰(zhàn)

　　和人類一樣，電池也喜歡在室溫環(huán)境下工作。熱管理系統(tǒng)不僅能保證這一點(diǎn)，還能最大限度提升效率。

　　通用汽車在首次公開2025款凱迪拉克Escalade IQ——搭載200 kWh以上的24模塊Ultium電池包、預(yù)計(jì)續(xù)航里程為450英里（724公里）、最大輸出功率為750hp的SUV——時(shí)列舉了該車的一系列特色技術(shù)，如基于高通驍龍平臺的55英寸LED顯示屏，以及可將轉(zhuǎn)彎半徑減少6.5英尺以上（至39英尺4英寸）的四驅(qū)系統(tǒng)等。

　　但其中有一項(xiàng)技術(shù)對于這輛預(yù)計(jì)售價(jià)高達(dá)13萬美元的奢華電動汽車而言似乎平平無奇，那就是熱泵。

　　Escalade IQ搭載了通用的Ultium能量回收系統(tǒng)，其功能是允許“熱量在電池/動力電子系統(tǒng)和車廂之間轉(zhuǎn)移?！遍_發(fā)Ultium能量回收系統(tǒng)的初衷是為了“最大限度利用每瓦功率，優(yōu)化續(xù)航里程，并盡可能減少用于五種地區(qū)氣候控制的高壓電池的能耗?！?/p>

　　換言之：杜絕浪費(fèi)Escalade IQ的驅(qū)動能量，并同時(shí)確保車廂的最大舒適度。Ultium能量回收項(xiàng)目經(jīng)理Lawrence Ziehr解釋了必須將Ultium電池包的工作溫度維持在最佳區(qū)間內(nèi)的原因：“冷卻的最大挑戰(zhàn)在于使整個(gè)電池包均衡冷卻。我們通過將電芯與一個(gè)常規(guī)熱交換器連接，使熱流均衡地流經(jīng)電池包模塊。我們將整個(gè)電池包的冷卻和加熱視為優(yōu)先任務(wù)，只有實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)才能最大限度利用功率，同時(shí)保證汽車的性能和續(xù)航?！?/p>

　　為此，Ziehr補(bǔ)充道：“我們在系統(tǒng)與制冷器及熱泵的連接處進(jìn)行了大量冷卻工作，成功使電池降至環(huán)境溫度以下?！贝钶dUltium系統(tǒng)的所有通用車型都采用了該方案。

　　汽車的核心

　　美國Vitesco技術(shù)公司北美電驅(qū)系統(tǒng)業(yè)務(wù)部主任Jason McClymont指出，“熱管理現(xiàn)已成為汽車的核心。沒有熱管理，電動汽車的其他部件便難以在理想狀態(tài)下工作?！?/p>

　　其同事Gerhard Eser是公司的熱管理首席專家，他進(jìn)一步指出：“在電動車中，我們用于加熱和冷卻的唯一能量基本都來自于電池。”

　　車主最關(guān)心的當(dāng)然是如何實(shí)現(xiàn)最大續(xù)航。但這牽涉到其他許多問題，比如車廂溫度不宜太冷或太熱，還有電池溫度必須控制在最佳工作范圍內(nèi)。正如博世馬薩諸塞省Waltham工廠工程主管Andreas Douglas所說的，“和人類一樣，電池也喜歡在室溫環(huán)境下工作。所以我們希望電池處于舒適的狀態(tài)，否則它的效率就會大打折扣?！?/p>

　　這意味著被Douglas稱為“一切功能的基礎(chǔ)”的熱管理在電動汽車中扮演著多個(gè)重要角色——從維持車廂舒適到滿足電池及相關(guān)車載電子系統(tǒng)的熱需求。

　　智能技術(shù)

　　在此背景下，工程師必須開發(fā)出Douglas所稱的“智能技術(shù)”。對于傳統(tǒng)油車，內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的廢熱可以用于冬季的車廂供暖。但夏季的情況則截然不同?！翱照{(diào)永遠(yuǎn)需要依賴發(fā)動機(jī)，”博格華納首席技術(shù)官Harry Husted表示。“當(dāng)汽車處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)下，如果空調(diào)壓縮機(jī)突然啟動，那么發(fā)動機(jī)就必須泵入額外燃料，以產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)空調(diào)壓縮機(jī)的扭矩?！?/p>

　　通常這部分燃料不會被視為巨大的損耗。但對于電動車，正如Husted指出的，車主通常希望車輛在充滿電后能達(dá)到廠商宣稱的最大續(xù)航里程。但實(shí)際上，對電池的需求不僅僅只有產(chǎn)生推進(jìn)扭矩所需的能耗。

　　這意味著必須開發(fā)出可將推進(jìn)之外的電池能耗降至最低、并將任何廢熱加以高效利用的技術(shù)?！胺纸o其他功能的電量越高，用于推進(jìn)的電量就越低，” Vitesco的Eser表示?！斑@就是為什么我們必須將系統(tǒng)中的所有廢棄能量，即來自于電機(jī)、電池和電子系統(tǒng)的廢棄能量連接并匯總起來。而電動車和內(nèi)燃機(jī)的最大區(qū)別在于，我們必須更加謹(jǐn)慎地對待寶貴的能量?！?/p>

　　博世的Douglas表示，雖然內(nèi)燃機(jī)“各部件的熱管理都是分別考慮的”，但博世對電動車“采用了全局性的思考方式：我們研究各個(gè)子系統(tǒng)的需求，從而開發(fā)出讓能量在其間高效轉(zhuǎn)移的產(chǎn)品和技術(shù)?！睋Q言之，他們開發(fā)的系統(tǒng)可以確定哪個(gè)子系統(tǒng)存在熱能需求或余熱，并相應(yīng)地將熱能轉(zhuǎn)移過去或提取出來。

　　不僅如此，博世還研究了如何充分利用環(huán)境溫度。博格華納的Husted舉了個(gè)例子：“當(dāng)你想冷卻電池包時(shí)，如果電池包的溫度高于周圍溫度，那么你就可以通過周圍空氣將冷卻液冷卻?！?/p>

　　Douglas表示博世甚至還在考慮將太陽能用作輔助能源。

　　“封裝”帶來的挑戰(zhàn)

　　然而，這些電動車的熱管理系統(tǒng)都面臨著一個(gè)制約因素：封裝。

　　Douglas表示電動車的封裝是一個(gè)關(guān)鍵的性能指標(biāo)?！跋胂肭爸眯欣钕??！北M管由于移除了巨大的發(fā)動機(jī)，電動車前蓋下方的空間比燃油車寬裕不少，但那里依然有動力電子系統(tǒng)、逆變器、電機(jī)等設(shè)備。因此熱管理系統(tǒng)依然需要相對緊湊。

　　回到之前提到的用空氣冷卻電池的可能性，Husted指出，“這種想法看上去很簡潔，因?yàn)檫@樣無需使用冷卻劑和管道，還可以減少這部分的重量。但問題在于空冷的熱傳遞效率非常低。因此氣道必須做得非常大，還必須配備風(fēng)扇。但由于汽車有緊湊性的需求，而且推進(jìn)功率高達(dá)100 kW級，這種功率級別遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于家庭用電，更接近社區(qū)用電。因此相比空冷，液冷是更優(yōu)的選擇?！?/p>

　　博格華納同樣認(rèn)可液體熱交換的效率，并開發(fā)了一系列可同時(shí)加熱電池包和車廂的緊湊型高壓冷卻液加熱器。Husted指出電池加熱非常重要?！半姵匕跍嘏臅r(shí)候可以更高效地輸電和充電。而當(dāng)鋰電池的溫度太低時(shí)，就不能過于猛烈地充電，或者最好不充電——因?yàn)檫@時(shí)候陽極的鋰鍍層電勢非常低?？傊?，溫暖的電池有助于充電和能量輸出?！?/p>

　　Vitesco開發(fā)了一個(gè)冷卻液熱管理模塊，McClymont稱之為“集成了多個(gè)泵和閥門的單元。我們將整個(gè)熱管理系統(tǒng)的架構(gòu)簡化至一個(gè)模塊，因此安裝和封裝都變得非常容易，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)中央單元?！?/p>

　　Eser介紹該模塊有多個(gè)進(jìn)出口，而且安裝位置應(yīng)該位于管道總距離最短處（以減少冷卻液的用量和重量），而且可能需要位于車輛底側(cè)，“因?yàn)槿藗兌颊J(rèn)為電動車就應(yīng)該有前備箱?！?/p>

　　Our Next Energy正在開發(fā)一系列LFP電池。該公司創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官M(fèi)ujeeb Ijaz表示，“我們相信要讓電池變薄。你最終會在兩側(cè)都有一個(gè)鋁制散熱器。”電池外殼底部有一塊冷板。這些電池與冷板結(jié)合，形成Ijaz所說的“高效傳熱” （ONE）

　　無獨(dú)有偶，博世也開發(fā)了數(shù)款將加熱和冷卻系統(tǒng)納入緊湊封裝的靈活熱管理單元。Douglas將其形容為“以聰明的方式使用冷卻液、潤滑油等任何轉(zhuǎn)移熱能的媒介。而且你不希望在此過程中浪費(fèi)能量?！痹趦?nèi)燃機(jī)時(shí)代，長距離的布線相對而言不是一個(gè)問題，但對于電動車，任何損耗都非同小可。

　　以上所有問題都匯總為Douglas所稱的復(fù)雜工程挑戰(zhàn)，即在確保推進(jìn)系統(tǒng)的所有部件（電池、動力電子、電機(jī)）都處于最佳工作溫度的同時(shí)，使車廂內(nèi)部也具有舒適的環(huán)境。

　　Douglas舉了個(gè)形象的例子：“假設(shè)一輛位于亞利桑那州的電動車需要在載人的情況下進(jìn)行快充，什么樣的技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)該情景？”

　　如何看待電池的浸沒式冷卻技術(shù)？

　　讓電池在各種條件下都處于合適的溫度區(qū)間（即負(fù)載時(shí)冷卻，環(huán)境溫度低時(shí)加熱）通常是通過電池包底部的液冷盤以及電芯之間的液冷通道實(shí)現(xiàn)的。

　　但將所有電芯浸入介電液體的想法又如何？理論上，這不僅能提升整個(gè)電池包的熱一致性，還能免去冷卻盤、熱界面材料等部件。

　　但IDTechEx.com的首席技術(shù)分析師James Edmondson指出，浸沒式冷卻存在大量技術(shù)挑戰(zhàn)，因此盡管它的確具有諸多益處，但可能只會用于高性能、高成本的電動車上。

　　“該技術(shù)的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)非常少，因此尚未針對量產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化。除了這點(diǎn)造成的高成本外，電池模塊的防泄漏封裝也是耗費(fèi)成本的技術(shù)難題。因此，目前只有高端低產(chǎn)量電動車會采用這種技術(shù)?！彼a(bǔ)充道，“此外，浸沒式冷卻通常需要在電芯之間留出空隙好讓冷卻液通過，但液體自身是有重量的，因此這樣做等于降低了電池包的能量密度。這意味著對于一個(gè)在既定的體積內(nèi)裝入盡可能多的電池容量的應(yīng)用，浸沒式冷卻可能不是一個(gè)理想的解決方案。但浸沒式冷卻更適合在既定體積內(nèi)裝入盡可能多的功率的應(yīng)用，也就是賽車和高性能車型等?！?/p>

　　2021年，總部位于德國斯圖加特的馬勒集團(tuán)曾表示正在研發(fā)浸沒式電池冷卻，并強(qiáng)調(diào)了該設(shè)計(jì)可減少直流快充的時(shí)間，還有可能降低電池尺寸和成本。1級供應(yīng)商法雷奧在2023 IAA車展上表示已和法國的道達(dá)爾能源集團(tuán)建立合作伙伴關(guān)系，將共同研發(fā)利用電解液的浸沒式冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)“還將用于未來法雷奧所有動力電子產(chǎn)品的冷卻?！?/p>

　　Edmondson指出，IDTechEx的調(diào)研結(jié)果顯示，2023年上半年共有96%的電動車使用冷卻盤冷卻。但在2026-2033年間，浸沒式冷卻將以每年高達(dá)9%的速度增長，但它依然將是“汽車熱管理市場中一個(gè)相對較小的領(lǐng)域?！?/p>

　　審核編輯：黃飛