电动汽车的热管理技术【专利奖巡礼】

小赢说：

中国电动汽车产业迅猛发展，电动汽车的渗透率逐年提升，大家是否已拥有一款中意的电动汽车呢？购买电动汽车时，你最关注啥呢？高颜值的外观、豪华的内饰、高水平的智能化，除了看得见、摸得着的时尚，续航里程也成为越来越被关注的对象。电动汽车企业也围绕续航里程的提升从电池技术创新和降低汽车能耗方面做了很多努力，部分高端车型的续航能力甚至突破了1000公里，大大缓解了消费者的里程焦虑。这其中，“隐形管家”——热管理技术也是超重要的。小赢这就带着大家一起了解下背后的技术吧。

本文涉及第二十五届中国专利金奖项目

专利名称：集成式热管理系统和车辆及热管理控制方法

专利权人：比亚迪股份有限公司

影响续航里程的因素

“电池”是电动车的心脏，需要精进电池技术以提升续航里程，但除了提升电池性能外，电动汽车的能耗也不容小觑。而影响电动汽车能耗的因素主要包括以下几个方面：

1. 车型与车重：车辆行驶需克服的阻力与重量成正比，车辆的轻量化设计、良好的空气动力学设计和轮胎的结构改善可减少车辆行驶所需克服的能耗，让车“跑起来更省力”。

2. 电池系统效率：提升电池包能量密度，不仅使电池能装更多的电，还能减轻电池重量，从而实现续航里程和能耗表现的双重提升。而电池是个“娇气包”，温度一不对劲就“闹脾气”：夏天太热，充放电效率下降；冬天太冷，直接“躺平”不干活。电池充放电效率受温度影响较大，给电池装个“智能恒温箱”才能确保电池效率。

3. 驱动系统效率：包括电机、逆变器和减速器在内的电驱动系统运转起来难免会发热，要是热量不及时散出，就会导致其效率越来越低。

4. 能量回收系统：利用再生制动系统将车辆在减速或下坡时的动能转化为电能储存在电池中，相当于“边走边充电”，简直是续航“续命神器”。

5. 电子器件能耗：其包括空调、灯光、音响、导航系统等电子器件的能耗，在夏冬季节，空调是车上的“耗电大户”。

综合能耗的影响因素不难看出，从热学角度进行热量的散发、回收、分配以保障电池、电机、电控等汽车部件的工作温度处于适宜的范围，并“变废为宝”，将电机、电池工作时产生的废热收集起来给驾驶舱供暖，在低能耗下为车内提供冬暖夏凉的舒适环境的温控系统的合理设置是提升电动汽车续航里程的法宝。这就对电动汽车的热管理技术提出了更高的要求。

电动汽车的热管理与传统燃油车的热管理有何不同

传统车的热管理系统主要包括：空调系统、动力系统（发动机+变速箱）；电动汽车的热管理系统包括：空调系统、三电（电机电控、电子电器、电池）系统热管理。

图1 燃油车热管理系统与电动汽车热管理系统的比较

电动汽车除增加了电池的加热、冷却需求外，在制热方面与燃油车也存在较大的差异。燃油车由内燃机来驱动，也不需要对电池进行加热，制热需求主要集中在驾驶舱内。由于燃油车的发动机效率比较低，只能产生约40%的动能，大部分的能量都将以热量的形式导出，燃油车则可将这部分“废热”转移至驾驶舱，暖风就来了。可见，燃油车制热相当于“捡别人不要的热”，不会多烧一滴油，对系统能效无明显影响。

再看电动汽车，它没有发动机，且电机的效率普遍在90%以上，产生的余热连给方向盘供热暖手都不够，更别说给驾驶舱供热。目前市面上电动汽车的制热方式主要有两种：一种采用PTC加热，像“热得快”一样直接靠电流通过发热元件加热，成本低，但能耗高，耗电量大；另一种是热泵技术，它是用少量的高品质能源“电”来“搬运”热量，通过低沸点的低温低压液体在蒸发器内蒸发来吸收外部环境的热量并转移至车内通过冷凝器释放，大约每消耗一焦耳的电能就可以搬运3焦耳的热量。可见，热泵技术在能耗方面比PTC热敏内阻加热的制热技术更加节能高效。

图2 热泵的工作原理[1]

热泵空调在极端低温环境下，如零下20摄氏度或更低时，由于外界热量不足，热泵的制热效率会显著下降，此时可以采用PTC作为辅助加热器，快速提升热量。此外，热泵空调在启动制热初期制热速度较慢，需要较长时间才能达到预设温度，配备PTC可以在车辆启动时实现快速升温，提升用户的舒适性。因此，车载空调热泵配备PTC实现热泵和PTC联合加热可以兼顾系统效率和可靠性。

图3 热泵和PTC联合加热的汽车空调系统[2-3]

集成式热管理系统的产生

初始阶段，电动汽车通常采用传统的分散式热管理系统，其电池、电机、电控和空调系统回路相互独立，各自拥有独立的温控系统和管路系统。随着电动汽车向电动化、智能化和绿色化的发展，对汽车能量统筹管理的要求越来越高，集成化的热管理系统已成为电动汽车热管理领域的一个重要发展方向。集成式热管理系统通过多通道阀门或管路将电池、电机、电控和空调系统中的某些或全部回路连通，形成一个大循环回路。根据各部件的温控需求，统筹热量管理，通过能量集成优化，实现了更高效的能量利用。

获奖专利的集成式热管理系统

与热泵和PTC联合加热的汽车空调系统不同，本获奖专利的集成式热管理系统没有增加额外的PTC加热结构也能保障极端低温环境下的可靠供热。获奖专利提出的集成式热管理系统示意图参见图4，其将高压系统冷却子系统与热泵子系统相结合，根据车辆电池和乘员舱的热管理需求来合理控制热泵子系统的工作模式。此处的高压系统即电机电控、电池和电子电器的三电系统。高压系统冷却子系统包括水泵12、电机散热器8、风扇9、三通阀10，高压系统冷却子系统通过热泵子系统的板式换热器15与热泵子系统实现热交换，以通过换热媒介将高压系统发热器件工作产生的热量带走实现对“废热”的再利用。

与图2中的热泵系统相比，该获奖专利的热泵子系统具有更多的换热器结构和连接管路，如第一换热器3、车外冷凝器7、第三换热器31和电池包直冷板21。在热泵子系统中引入电池包直冷板21以直冷直热的方式实现对电池的加热和冷却，当电池包需要冷却时，压缩机1通过循环回路的控制驱动制冷剂进入电池包直冷板21蒸发吸热带走电池的热量；电池包需要加热时，压缩机1通过循环回路的控制驱动制冷剂进入电池包直冷板21冷凝放热以加热电池。该直冷直热的方式采用一次换热，避免了需要对电池引入一套包含冷却液回路、水泵及板式换热器的换热系统进行二次换热，既节省了硬件成本，又提高了系统换热效率。

针对极端低温环境，热泵系统效率低时，该集成式热管理系统通过高压系统冷却子系统对热泵系统进行补热，通过调节流经高压系统的电流，控制高压系统的部件产生更多热量来加热高压系统冷却子系统中的换热介质，高压系统再与热泵子系统进行换热，从而实现对热泵子系统进行补热，通过介质将热量输送至热泵子系统的车内冷凝器后以热风的形式为车内供暖。以此也实现了在不增加额外的PTC加热结构的情况下保障热管理系统在极端低温工况下运行的可靠性。

图4 集成式热管理系统示意图[4]

了解完技术，是不是也很想知道该技术的应用情况呢？如果你关注电动汽车创新研发，也关注比亚迪电动汽车，你一定知道，获奖专利已经有了技术的应用成果。该技术已经在比亚迪股份有限公司的海豚车型上得到了应用，成功实现了技术的转化。

图5 比亚迪海豚的热泵和热管理系统[5-6]获奖专利的专利权人比亚迪股份有限公司家喻户晓，它是中国电动汽车行业的领军企业之一。2024年，全年累计销量达到427.21万辆，成为中国汽车市场车企销量冠军、中国汽车市场品牌销量冠军以及全球新能源车市场销量冠军，真是当之无愧的销量王[7]。比亚迪巨大的销量得益于其丰富的产品矩阵和技术创新，其在技术创新方面赢得了不少赞誉，在新能源领域的投入和成果也有目共睹。该集成式热管理系统的技术转化应用也是其技术发展的印迹，为产品的巨大销量提供了技术支撑，所以其能获得第二十五届中国专利金奖也是实至名归了。

好了，小赢就先介绍这么多，小赢的科普有没有让大家在购选电动汽车时增加一份技术自信呢？

图片来源及参考文献：

[1]https://mr.baidu.com/r/1INC9EEixSU?f=cp&rs=3367740459&ruk=qPXCdI2eIduNtVQyeaOIUg&u=43482bf396f8349c&urlext=%7B%22cuid%22%3A%22lP2oiliI2u0Mi-8RjuH8i_i5Si_NaHaVl8Sx8j86viKQ0qqSB%22%7D.

[2]王丛飞等，《碳中和背景下新能源汽车热管理系统研究现状及发展趋势》，2021，中金公司研究部.

[3]https://www.cdstm.cn/gallery/media/mkjx/qcyjswx_6683/202207/t20220728_1072103.html.

[4]ZL202110511353.8，集成式热管理系统和车辆及热管理控制方法，比亚迪股份有限公司.

[5]http://chejiahao.m.autohome.com.cn/info/10382776?isfrom=pc.

[6]https://zhuanlan.zhihu.com/p/517552668.

[7]https://news.qq.com/rain/a/20250106A08YJM00.

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编辑：贺 嘉

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