汽车热管理相关知识

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来源：旧友与酒

前言

在汽车问世以来，热管理有着不可或缺的作用。从传统内燃机时代发动机冷却系统，到车内温度调节系统。随着电子控制技术的发展，从传统的机械式驱动系统，引入电子水泵和电动风扇。

随着混合动力与电动车时代的到来，需要温控的部件也逐渐增多，尤其是锂离子电池的普及带来了更高的温度敏感性。电池系统需要在一定的温度范围内工作，以确保其安全性、寿命和效率。近年来电动车技术的高速发展，整车热管理系统的重点逐渐转向电池和电动机的温控，同时，空调系统的能效和电池管理系统(BMS)的集成成为核心。

理论

热力学的四个基本定律

零定律(热平衡定律)

如果两个系统分别与第三个系统处于热平衡状态，那么这两个系统之间也处于热平衡状态。这个定律为温度的概念奠定了基础，表明温度是描述物体热状态的一个可以度量的物理量。

第一定律(能量守恒定律)

能量不能凭空产生，也不能凭空消失，只能从一种形式转化为另一种形式。也就是说，总能量是守恒的。其数学表达为：

ΔU=Q−W

其中，ΔU是内能的变化，Q是热量的传递，W是做功。

第二定律(熵增定律)

熵是描述系统混乱程度的量，第二定律指出在孤立系统中，熵是永远增加的，或者至少保持不变。换句话说，能量转化的过程中总是伴随着熵的增加。

这一原理也表明了自然过程是不可逆的，例如热量从热物体自发流向冷物体。

第三定律(绝对零度不可达定律)

当系统的温度趋近绝对零度(0K)时，系统的熵趋向最小值，通常是零。即绝对零度无法被实际达到。(这一原理对于低温物理学和量子力学有重要的意义。)

实践

1. 热管理在传统燃油车中的应用

在传统燃油汽车中，热管理的主要任务是控制发动机和排放系统的温度，以确保其高效运作和安全性。

发动机冷却系统：通过冷却液循环将发动机产生的热量带走，确保发动机在最佳工作温度范围内运行，避免过热或低温导致的性能下降。

废气再循环(EGR)：废气再循环系统通过将一部分排气重新引入燃烧室，降低发动机温度并减少氮氧化物(NOx)排放。

空调系统：确保驾驶员和乘客的舒适，特别是在高温天气下，空调的性能直接影响到整车热管理的效果。

2. 电动汽车中的热管理应用

电动汽车由于动力系统与传统燃油车不同，热管理的需求也发生了变化。电动汽车需要管理的不仅是电池的温度，还有电动机和电力电子系统的温度。

电池热管理系统：

电池是电动汽车的关键组件，电池的温度管理对于其性能、寿命和安全性至关重要。通常使用液冷系统(液冷冷却剂)或者风冷系统来保持电池在最佳工作温度范围(一般在15-35°C之间)。

通过精确控制电池的温度，能有效避免过热引发的安全问题，并在低温环境中防止电池性能下降。

电动机冷却：

电动机在高速运转时会产生大量热量，必须通过冷却系统(液冷或风冷)将热量排出，防止电动机过热导致性能衰减。

电力电子热管理：

电力电子元件(如逆变器、充电器等)也会产生热量，因此需要有效的散热机制。常见的方法包括液冷系统、散热器或热管技术等。

热泵系统：

现代电动汽车还常配备热泵系统，用于在低温环境下提高空调效率。热泵能通过反向工作原理，从外部环境获取热量并加热车内空气，显著提高能效，特别是在寒冷天气下。

3. 热管理与能效的关系

整车热管理直接影响到汽车的能效和续航能力，尤其是电动汽车，热管理的优化能减少能源浪费，提升电池的充放电效率，延长续航里程。电池的过高或过低温度都会导致能量损失，因此合理的热管理不仅保护电池，还能提高车辆的整体能效。

优化冷却/加热策略：

通过智能控制热管理系统，使其根据驾驶条件、环境温度以及电池充电状态等因素，动态调整冷却或加热策略，从而确保电池和电动机等关键部件始终工作在最优温度范围内。

余热回收技术：

一些先进的整车热管理系统开始采用余热回收技术，将发动机或电动机产生的多余热量用于加热车内空气、预热电池或其他辅助系统，从而提升整车能效。

4. 热管理在车辆安全中的作用

热管理系统不仅影响车辆的性能和效率，还直接关系到车辆的安全性。电池过热是电动汽车面临的主要安全隐患之一。通过精确的热管理系统，确保电池温度在安全范围内，避免由于温度过高引发的电池热失控(thermal runaway)，避免火灾等危险。

特别是在高温天气下，车辆的空调系统需要提供更高效的制冷能力，同时车辆内部的其他部件(如电池、电动机、车载电子设备等)也需要保持在合适的温度范围内。

5. 热管理系统的技术创新

随着汽车行业的进步，特别是电动汽车的普及，热管理技术也不断创新，主要体现在以下几个方面：

热管理系统集成：在一些高端电动汽车中，越来越多的热管理系统被集成为一个综合系统，以降低能源消耗，提高热效率。例如，采用液冷系统同时管理电池、电动机和电力电子元件的温度。

智能温控技术：通过嵌入传感器和先进的温控算法，实时监控和调整整车各个部分的温度，使热管理系统更精确、响应更迅速。

新型冷却材料：使用具有更高热导率的材料(如石墨基材料、相变材料等)来提升冷却效率。此外，纳米流体和热管技术的应用也成为提高热管理效率的研究热点。

热回收和循环利用：越来越多的车辆采用热回收技术，将发动机、制动系统、电池等产生的热量回收利用，不仅提高了能效，还能改善车内舒适性。

总结

整车热管理是现代汽车设计中至关重要的一个方面，尤其是在电动汽车的研发过程中，如何有效管理车辆的热量，提高能效、安全性和舒适性，已经成为关键的技术挑战。随着技术的发展，越来越多创新的热管理方案被引入，帮助汽车行业实现更高效、更安全的车辆设计。

未来的热管理系统将更加集成化，多个热管理功能可能会合并到一个系统中，提高效率并减少能耗。新材料的应用(如碳纳米管、石墨烯等)，新技术的涌现，将加快热管理发展的进程。

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