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新能源汽车整车热管理系统解析

在新能源汽车的早期发展阶段，其整车架构多借鉴传统燃油车，功能也直接从燃油车移植而来。因此，这一时期的新能源汽车在动力和驱动方面都存在能量利用效率不高的问题。

发布时间：

2025-03-06 13:56

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在新能源汽车的早期发展阶段，其整车架构多借鉴传统燃油车，功能也直接从燃油车移植而来。因此，这一时期的新能源汽车在动力和驱动方面都存在能量利用效率不高的问题。在热管理方面，主要采用成本低廉、维护简便的风冷技术进行冷却，而制热则多采用传统的PTC方式。然而，随着新能源汽车技术的不断进步，整车热管理系统已经历了五次重大迭代，特斯拉等领先企业在此过程中发挥了关键作用。

新能源汽车的整车热管理系统主要包括冷却系统和加热系统两大核心部分。其中，制冷系统涵盖了发动机（或増程器）冷却（适用于插电式混动车）、电机总成冷却、动力电池冷却，以及功率电子部件散热和客舱散热等多个方面。而加热系统则主要关注动力电池的加热和乘员舱的供暖。接下来，我们将深入探讨冷却系统中的发动机冷却等关键技术。
发动机在运转过程中，气缸内气体的温度可攀升至1727~2527℃的高温。若缺乏及时有效的冷却措施，发动机零部件将面临过高的温度困扰，尤其是那些直接与高温气体接触的部件。这些零部件会因受热膨胀而改变正常的配合间隙，进而影响发动机的运动性能，严重时甚至可能导致运动件受阻或卡死。同时，高温还会导致发动机零部件的机械强度减弱，使润滑油失效，加剧发动机的磨损。
中冷器，作为涡轮增压的必需配件，其核心作用在于提升发动机的换气效率。它安装在增压器与发动机进气歧管之间，因其位置介于发动机与增压器之间，故又被形象地称为中间冷却器。中冷器的主要功能是冷却经过增压器压缩后的空气。由于增压过程会使空气压力和温度同时上升，因此通过中冷器的冷却作用，可以降低增压空气的温度，进而提高其密度和充气效率，为发动机提供更多的氧气，从而增强发动机的动力性能并减少排放。

接下来，我们谈谈驱动电机的冷却问题。在早期的电动汽车中，常常会遇到这样的现象：车辆起步时动力充沛，加速性能优异，但当车速达到一定水平后，后段动力却显得不足。这除了与功率水平有关外，还与汽车电机无法持续高负荷工作有关。电机，作为电动汽车的“心脏”，负责将电能转化为机械能。然而，在高功率运转时，电机定子绕组上的铜线会通过极大的交变电流，从而产生大量热量。普通电机往往无法长时间承受这种高负荷运转，因此需要及时散热以保障电机的效率和寿命。目前，新能源汽车驱动电机的散热方式主要采用水冷和油冷两种方法。
水冷，作为一种广泛采用的设计方式，通过循环冷却液在散热器中流动，有效带走电机产生的热量。对于高性能汽车，尤其是需要高散热性能的场合，水冷电机成为理想选择。其简单且成熟的结构不仅利于生产制造，还能实现良好的散热效果，从而降低成本。例如，宝骏、五菱等知名车型就采用了这种水冷电机设计。
②油冷冷却

在性能要求更为严苛的环境下，油冷的散热效率会更为出色，但相应的成本也会有所提升。尽管如此，其结构更为紧凑，适应性强。众多高性能汽车品牌，如比亚迪第四代DMI车型、华为800V高压碳化硅平台电机、小米V6s／V8s电机，以及特斯拉旗下在售车型，都选择了油冷作为其电机冷却方案。值得一提的是，上汽在其最新推出的智己L7、飞凡R7、飞凡F7等车型中，更是创新性地配备了直瀑式网格油冷电机，这一设计在业内尚属首次。
3.动力电池冷却

除了传统的水冷板和隔热棉等被动散热方式，动力电池还采用了冷却液或制冷剂进行主动散热，以确保电池在各种工况下都能保持最佳的工作状态。
①冷却液冷却

目前，主流的液冷设计是在动力电池的上部或下部安装一条S型冷却液管，而宁德麒麟动力电池则采用侧面呈凵字形的双面水管设计。液冷散热的关键部件包括压缩机、中间换热器（Chiller）和水泵，其中水泵负责控制管路内冷却液的流速，流速越快，换热效果越好。冷却液因其较大的比热容，能有效吸收电池工作时产生的热量。若液冷介质能直接与电芯表面接触循环，则为直接接触式液冷散热；若液冷介质需通过金属容器与电芯进行间接接触降温，则为间接接触式液冷散热。液冷散热技术主要适用于大容量动力电池，如特斯拉Model 3、小鹏G3等车型便采用了此技术。

此外，为了进一步提升新能源汽车的续驶里程，部分车型已为电池包配备了液冷散热优化方案。在常规情况下，动力电池内部的高温冷却液可进入车辆前部的散热器进行散热，从而在确保动力电池散热效果的同时，减少压缩机的工作时间，延长续驶里程。而在高温环境，如炎炎夏日，则会启动压缩机进行制冷，此时，动力电池内的冷却液流向由热管理控制器控制的电磁阀来决定。
②冷媒（制冷剂）直冷

直冷散热技术是直接利用空调系统中的制冷剂来为动力电池降温。这种设计消除了中间换热器（Chiller）中制冷剂与冷却液进行热量交换的环节，因此也被称为制冷剂散热。它具有高冷却效率和快速响应的特点，同时结构更为紧凑。其工作原理如图所示。
看似简单的直冷散热系统设计，实则蕴含着不小的技术挑战。由于空调系统中的制冷剂在静态时便能达到3~4个大气压，而运转时更是能升至25个大气压，这样的高压环境对系统的耐压性和密封性都提出了严苛的要求。正因如此，直冷散热方式相较于液冷散热，其应用范围受到了一定的限制。目前，市场上采用直冷散热的典型车型包括宝马3系和5系插电混动版，以及比亚迪海豚等。

接下来，我们再来看看功率电子元器件的散热问题。现今的电动汽车普遍采用液体冷却散热器解决方案，分为密封式和开放式两种设计。在密封式系统中，功率模块与散热器表面紧密相连，中间需涂抹一层导热脂以确保热量的有效传递。尽管这种模块化与水冷独立的设计为每个部分的独立调整和优化提供了可能，但它们也可能对整体性能产生一定影响。相比之下，开放式设计更为高效，其中功率模块与冷却液体直接接触，从而实现更快的散热速度。例如，车规级IGBT新型半导体元器件就采用了这种直接冷却的方式，通过驱动电机上的冷却水套中循环的冷却液来进行高效散热。
5. 乘员舱散热
乘员舱的散热主要依赖于空调制冷系统，其工作原理可参考前文所述的新能源汽车空调系统。

二. 加热系统
动力电池加热
在低温环境下，动力电池的离子活性会降低，导致输入和输出功率的衰减，进而影响汽车的加速性能。为了应对这一问题，多数主流品牌的纯电动汽车都配备了主动液冷式电池加热系统。该系统通过PTC水加热器对动力电池系统中的冷却液进行加热，再利用电动水泵使冷却液在电池内部持续循环，从而确保电池在合适的工作温度下运行。混动车型则结合发动机（增程器）启动产生的废热来辅助动力电池加热，以降低PTC的能耗。

乘员舱加热
对于纯电动汽车而言，乘员舱的加热通常采用电控辅助加热器。为了避免电气加热装置过度消耗电动车的续航里程，当使用空调系统时，会通过热力泵来加热车内空间。热力泵的工作原理类似于空调系统的反向操作。在冷却模式下，未使用的热能通过冷凝器释放到环境中，而在加热模式下，这些热能可以通过热力泵热交换器被重新利用来加热车内空间。
热力泵与车辆所装组件协同工作，可实现加热、制冷及混合三种模式。仅需约1KW功率，该系统便能产出约3kw冷气，或根据需求提供约2kw热量。相比之下，PTC加热器的电气加热装置需消耗5.5KW电能才可达到约5KW的加热功率，而热力泵仅需约2.5KW。

在-10~+40℃的温度范围内，热力泵均可稳定运行。它并非单一部件，而是由制冷剂循环回路和复杂调节装置共同构成，结构同样复杂。

对于插电式混动汽车，乘员舱加热通常采用发动机和PTC加热器。系统会根据车辆使用情况和用户需求，自动选择发动机或PTC进行供暖。PTC加热器通过发热元件将水加热，实现电能到热能的转化。其安装位置如所示。
PTC水加热器和电动压缩机是新能源汽车的耗电部件，它们会消耗动力电池的电能，因此长期开启可能会影响纯电行驶里程。在使用时，建议适度开启这些功能，以避免动力电池电量过快消耗。
当冷却液在PTC加热器中加热后，会通过暖风水管流入空调暖风水箱。鼓风机随后使车厢内的冷空气与暖风水箱进行热交换，热风随后从风道进入乘客舱，从而实现采暖、除霜和除雾的功能。这一工作循环路径如图①所示。

此外，PTC系统配备了发动机和PTC两个供热元件，系统会根据需求进行切换，以确保用户需求得到满足，同时优化效率。双路循环示意图如图②所示。

三. 总结
新能源汽车的热管理相较于燃油汽车而言，显然要复杂得多。新能源汽车必须配备制热系统，如热泵空调和PTC加热器，而燃油汽车则仅需利用发动机余热即可。此外，新能源汽车还需对动力电池、控制器和电机进行冷却，而燃油汽车仅需冷却发动机。因此，新能源汽车必须拥有一套复杂的集成式热管理系统，旨在确保动力电池在适宜的温度范围内工作，并实现对电机、控制器以及乘员舱的精准温度控制。

这套集成式热管理系统将热泵空调（兼具制冷和制热功能）、PTC加热器以及动力电池、控制器和电机的冷却系统紧密结合。通过冷热搭配，它还将电机电控热管理、乘员舱热管理和动力电池热管理有效串联。例如，电机电控的冷却余热可以通过热交换器为动力电池加热；或者，动力电池的冷却余热可以被用作乘员舱取暖的热源。这种设计类似于集中供暖与中央空调的整合，从而能够全面满足电动汽车各部件和空间对温度控制的不同需求。

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