解析电动汽车热管理系统，电动汽车电源管理技术最新进展，
来源：宝鄂实业
2019-03-27 14:03
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温控系统是整车不可或缺的一部分，它不仅为驾乘人员提供舒适的驾乘环境，更要有效保证某些零部件正常、高效工作。
温控系统，顾名思义，就是整车温度控制系统，又称整车热管理系统，主要功能就是对整车内部温度及部件工作环境温度进行控制和调节作用，以保证部件能正常工作，给乘员提供舒适的乘坐环境。
对于传统汽油车而言，温控系统主要包含空调系统和发动机冷却系统，两个系统相对独立。在此就不累诉了，附两张图给大家复习加深影响。
【科普】解析电动汽车热管理系统
空调制冷采暖系统
【科普】解析电动汽车热管理系统
对于纯电动汽车而言，可根据各个部件工作温度要求，一般会设计有：空调制冷系统、采暖系统、电机冷却系统和电池温度控制系统。
空调制冷系统，与传统车类似，使用电动压缩机取代传统压缩机(发动机带动)。主要包含电动压缩机，冷凝器、储液罐、膨胀阀、蒸发器、冷却风扇、鼓风机等零部件。
一种是采用PTC空气加热器直接加热空气，取代传统车上的暖风芯体。冷空气直接流经加热器表面，加热后送入车内。这种方案成本比较低，但由于PTC接入乘员舱内，存在一定的安全风险；此外加热器表面温度比较高，容易将周边塑料烤热发出异味。在设计加热器的安装位置时需要留意。
第二种方案是，采用PTC水加热器间接加热空气。保留传统空调的暖风芯体，外接一套PTC加热循环回路。PTC先把水加热，热水流入暖风芯体与冷空气换热，冷空气被加热后送入乘员舱内。整套回路布置与前舱内，避免了高压接入乘员舱内的安全隐患；加热后的水温不会烤热塑料而发出异味。但这套系统增加了PTC、水泵、管路等零部件，成本较高。
【科普】解析电动汽车热管理系统
电机冷却系统，这套系统跟发动机冷却系统相似，一般由电动水泵、散热器、冷却风扇、膨胀水壶和管路等部件组成。如果车内的电子功率件(电机控制器、DCDC等)的冷却方式与电机的相同，一般会把功率件也串联在此回路里面，根据各个零部件的温度特性进行排布。
拯救我们的地球，让地球远离污染！”这是世界各地的科学家和有识之士对降低温室气体排放的一致呼声。由石化燃料引擎驱动的汽车是罪魁祸首，虽然推动汽车行进的替代技术有很多种，但目前唯一可行的方案是——电力(Electricity)。
电动推进技术需要在汽车中整合一种全新架构的动力传动系统，这种新增加的组件要求相对应的系统组件进行多学科的深入研究。电动汽车系统由电动马达、电力转换器和储能装置如锂离子电池组成，这种新的架构系统必须经过优化来最大限度地提高系统效率，使汽车在单次充电便能达到最长的行驶距离，电子技术的发展为减少交通运输的气体排放量带来重要的推进力。
电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)
电动汽车靠电池行驶，混合动力汽车也一样，只是它还利用一个石化燃料点火的引擎作为辅助。给这些汽车供电的技术要想获得成功并拥有美好的未来，能效是关键，因此需要智能的电源管理机制，最大化地提高将电池能量转换为车轮机械驱动力的效率，从而增加单次充电的行驶距离，同时不增加碳排放，理想情况下更是能显著降低碳排放。
电动汽车的碳化硅(SiC)功率
电动汽车的重量、体积和成本，以及单次充电的行驶距离与电力转换系统的效率直接相关。SiC电源组件非常适合在汽车常见的高温环境中工作。让我们仔细看看SiC电源组件如何提高系统效率。
更轻的重量意味着里程数的延长。降低电源转换系统的重量、成本和尺寸的一种典型方式是提高开关稳压器的开关频率。我们都知道，在较高频率点工作时，电感、电容和变压器等主动组件的尺寸和重量可以缩小，既然如此，快采用SiC解决方案吧。
虽然硅(Si)电源组件也能工作在高频，但SiC的优势是能够处理比Si高得多的电压。SiC是一种宽能隙(wide band gap，WBG)的半导体组件，而较宽的能隙意味着较高的临界电场(临界电场是关断状态下的阻塞电压)。宽带隙SiC组件的高压能力允许它们具有更低的导通电阻，从而实现更快的开关速度和单极性工作状态，部分原理是其载频需要被加速至更高的速度(更高的动能)来克服更宽的能隙。
虽然砷化镓(GaA)和氮化镓(GaN)也具有很高的临界电场，也是针对大功率解决方案的改进型组件，但SiC还有其他优势。诸如更高的最大工作温度，很高的德拜温度(Debye temperature)，很高的热传导性(在多晶SiC中)，在电场中实现快速开关和低电阻率的高载流子饱和速度，方便生成二氧化硅(SiO2)带来的更低的生产成本，以及很高的阈值能量导致更强的辐射硬化(radiation hardening)。
SiC组件在电动汽车中有许多关键应用。现有的电力牵引驱动装置能够将85%的电能转换为机械动能以驱动车轮，这个效率是相当高的，但SiC也能协助提高效率。电能转换器能受益于效率的改进，因为它能将电池能量传递给发动机，而且能在电池充电器电路和任何需要的辅助电源中使用(图1)。
将750V转换到27V供低压电动汽车使用的SiC电源供应，是用SiC功率组件提高电动汽车效率的很好例子。这种架构将效率从88%提高到了惊人的96%，将尺寸和重量减少了25%，并且与Si解决方案相比不需要用风扇来冷却多余的热量。表1显示电动汽车SiC功率组件的一些重要应用。
要分析为什么有“新奶酪”，我们先要分析异同。传统汽车的热管理架构大家都比较熟悉了，主要包括了传统的空调热管理系统以及传统的动力总成的热管理子系统；而现有的电动汽车热管理系统在原有的基础上还囊括了电机电控热管理系统以及电池热管理系统，其中又以电池热管理系统最为关键，因为电池的散热绝热导热直接关系到了电池的安全以及长期工况之后的一致性问题，更是各大车厂电池系统厂家考虑的重中之重。
我们来看一张目前主流的电池热管理系统的工作原理图：
首先根据各车型的不同，整车热管理系统会增加或共用1个水泵，主要承担电机，电控以及电池的液冷的需求，例如特斯拉和smart都有两个水泵，而具体到电池热管理系统一般需增加低温下环境下启动的电池加热器，低温散热器（通过风扇散热），而电池包外一般还加设了电池冷却器，也就是我们常称的chiller来给蓄电池和电控高效散热；
具体的运行工况，以电池包液冷方案为例，chiller主要用于在电池高温或快充工况时的散热，起到给电池快速降温的作用；而在一般温度情况下，可直接通过低温散热器散热来满足冷却要求。
而所谓直冷，则是在液冷基础上更加集成化了整车的热管理，通过与汽车空调冷却系统的结合，冷媒在膨胀阀节流后通过蒸发的形式带走电池的热量。一般设计直冷方案时，回路会与汽车空调回路串起来，主要器件包括了冷凝器，膨胀阀，蒸发器和压缩机。直冷系统能极大的提升换热效率，同时较少的部件能提高生产的节拍，将是未来的趋势，但同时也对汽车空调软件控制系统和对三电系统换热的理解提出了较高要求，所以说这其实一项既需要传统汽车空调热管理控制能力，也需要对三电热管理理解的综合技术解决方案。
电池热管理需求的爆发
相较于传统的汽车空调系统市场份额已经非常成熟，新能源汽车带来了三电系统的热管理需求，相较于功率电子较为成熟的热管理系统，新诞生的电池热管理需求则是电动汽车最诱人的一块“新奶酪”。
而其实电池热管理在国外的量产车型早已不是一件新鲜事，下表晓宇简单罗列了一下目前国内外主流的几款量产新能源汽车的冷却方案：
我们不难首先电池热管理其实是一项非常成熟的技术，普遍存在于国外量产车型，他们有几个明显的特点：
1.其中PHEV和EV即大容量的包（大于15kwh）往液冷走，小容量包和HEV低成本考虑往风冷走；
2.一些小批量豪华车型直接采用了直冷方案
出于对电池包大容量散热需求的考虑，国外的量产车型大多采用了液冷和直冷方案，而反观目前国内上市的电动汽车电池热管理方案，例如奇瑞，江淮等电动车企采用风冷为主，而北汽，众泰，比亚迪等目前上市的车型电池包还处于自然冷却状态。显然随着国家提出的对电动汽车对电池高能量密度，长寿命的目标以及客户导向性的高功率快充能力的要求，目前国内厂商的热管理方案并不能完全满足需求，未来将由目前自然冷却和风冷方案为主，快速向着液冷，直冷等方案升级，电池热管理向着高效率和精细化迈进的趋势将日趋明朗。
电动汽车热管理“新奶酪”的市场规模测算
既然有需求，那么这个“新奶酪”有多大呢？晓宇认为应该分开来算，一部分是新加入的电池热管理的市场份额，而另一部分是未来由于直冷方案的引进所带来的热管理系统供应商的重构份额。
首先我们可以大致列一下电池热管理的主要部件，下图是GM Volt一代模块里的热管理结构件示意图，应该已经是非常成熟的公开方案：
