电动汽车的热管理与能源优化

文本内容为关于电池电动汽车的热管理与能量优化的讨论，由Tom D’Anna在2024年5月15日至16日举行的CTI Symposium USA上发表。讨论涵盖了市场趋势、热管理概述、气候系统能量消耗及其对驾驶范围的影响、电池条件考虑以及提高能效的热管理校准策略。

作者认为：热管理系统对于电动汽车至关重要，尤其是在极端温度条件下。电池的温度控制、充电时的电池预热条件、以及车内气候的调节对驾驶范围和车辆性能有直接的影响。通过精确的热管理校准和策略，可以在确保电池在最高效温度范围内运行的同时，最大限度地提高电动汽车的续航里程。

问题1：美国电动汽车市场的发展趋势如何？

回答：根据预测，到2040年，美国的电动车销售量将达到约15万辆左右。然而，在欧洲和中国相比，预计整体电气化水平会较低。这可能是由于多种因素影响了BEV（电池电动车辆）在美国市场的普及率。

问题2：什么是电动汽车的热管理系统，并其作用是什么？

电动汽车的热管理系统负责控制驱动组件以及车厢内的温度。它处理不同车辆部件之间的热量流动或与周围空气的关系。在电动车中，驱动组件需要冷却，而车舱内则需维持一定的温度。此外，该系统还对电池、电力电子设备等进行冷却以确保它们能在高负载条件下运行并提高效率。

问题3：哪些条件会影响电动汽车的热管理系统的性能？

外部环境条件如大气状况及使用场景等因素都会影响热管理系统的工作效果。同时，车辆性能状态也会影响到它的表现，例如当前功率输出、充电功率需求以及车厢的需求等都直接影响着热管理系统的效能。

问题4：电动汽车热管理系统的开发过程包括哪几个主要步骤？

电动汽车热管理系统的开发主要包括功能发展、需求规格说明、接口定义、软件开发、校准测试和系统验证等多个阶段。这些步骤旨在优化系统的能效的同时考虑乘客舒适度。

问题5：冷启动测试对于电动汽车有什么特殊的要求吗？

冷启动测试是在特定低温环境中完成的，通常为零下七摄氏度。在此期间不允许充电，以保证电池开始测试时处于指定的浸泡温度。另外，如果汽车配备了空调，则不需要除霜操作，且窗户应关闭，风扇速度设置最大。

问题6：为什么说电动汽车的驾驶范围可能会受到极端天气的影响？

因为当气温下降至极低值时，电动汽车的加热器或者热泵可能无法达到预期的效果，导致能量消耗增加从而降低了行驶距离。另一方面，高温环境下也需要额外的能量来制冷，这也可能导致续航里程减少。

问题7：电动汽车的热管理系统是如何通过预调节策略来改善能源利用效率的？

电动汽车可以通过预先设定车内温度的方式来进行节能。比如，可以在出发前开启暖风或制冷系统一段时间，这样可以使得车辆在行驶过程中无需再花费过多的能量去调整车厢内部的温度。

问题8：电动汽车热管理系统的集成设计有哪些挑战？

一个关键的挑战在于如何有效地整合各种硬件元件及其控制系统，以便最大限度地提升系统的能效并且满足乘客的舒适性需求。另一个挑战则是如何平衡剩余的驾驶范围和用于调温所需的能量。

问题9：电动汽车热管理系统的设计原则是什么？

电动汽车热管理系统的首要目标是为了实现最佳的性能。这就意味着设计师们需要考虑到诸如驾驶循环类型、气候条件、车辆配置等多种因素，并据此制定相应的设计方案。

问题10：电动汽车热管理系统的主要组成部分有哪些？

电动汽车热管理系统的关键部分包括但不限于电驱单元（EDU）、动力电子设备、动力电池以及其他相关电子器件。这个系统不仅负责控制驱动组件的温度，同时也负责调控车厢内的温度。

问题11：热管理系统如何影响电动车的续航里程？

热管理系统对电动车续航里程的影响主要体现在以下几个方面：

1. 电池温度稳定性：电池在适宜的温度下工作可以保持较高的效率和较长的寿命。过高的温度会加速电池的损耗，而过低的温度会降低电池的可用容量。热管理系统通过维持电池温度的稳定，有助于提高电池的性能和安全性，从而间接提升续航里程。

2. 驱动单元冷却：电动机和功率电子设备在高负荷下会产生较多热量。有效的冷却措施可以防止温度过高导致的性能下降和潜在损坏，同时也有助于提高电驱动系统的整体效率，进而增加续航里程。

3. 乘客舱加热：在寒冷气候下，电动车往往需要使用热泵或电阻加热器为乘客舱供暖。这会消耗大量电能，从而减少续航里程。一个高效的热管理系统能够减少供暖所需的能量，从而对续航里程产生积极影响。

4. 能量回收与利用：热管理系统可以通过有效的能量管理策略，例如利用制动能量回收，来提高整车的能量利用率，从而有助于增加续航里程。

5. 充电效率：电池的充电效率受到温度的影响，过高或过低的温度都会降低充电效率。通过热管理系统可以优化电池的充电过程，确保快速且高效的充电，从而缩短充电时间并可能提高续航里程。

因此，一个高效且智能的热管理系统能够在不影响车辆性能和乘客舒适度的情况下，通过优化温度控制和能量管理来延长电动车的续航里程。

问题12：如何通过电池调节来考虑热管理系统的设计？

电池调节在热管理系统的设计中起着至关重要的作用，因为电池的温度直接影响其性能、寿命和安全性。以下是在设计热管理系统时应考虑的电池调节方法：

1. 主动冷却：主动冷却系统使用液体或空气冷却剂来移除电池产生的热量。这种系统通常包括一个冷却回路，如液冷系统，它可以使冷却剂流过电池以吸收热量，然后将热量排放到环境中或其他冷却装置中。

2. 被动冷却：被动冷却系统依靠自然对流或传导来散发电池产生的热量。这种方法通常成本较低，但冷却效果有限，适用于低功率应用或环境要求不高的场合。

3. 电池温度监控：为了有效地调节电池温度，需要实时监控电池的温度。这可以通过在电池内部安装温度传感器来实现。根据传感器的数据，热管理系统可以调整冷却系统的运行模式以保持最佳工作温度。

4. 预热功能：在寒冷环境下，电池的性能可能会下降。为此，热管理系统可以配备预热功能，使用车载加热系统或电池本身的电阻加热来预先加热电池，使其达到适宜的工作温度。

5. 能量管理策略：电池的能量管理和热管理应该紧密结合。例如，在车辆行驶过程中，可以通过调整电池的充电和放电速率来控制其温度。此外，可以在车辆即将快充时激活冷却系统，以提高充电效率并避免电池过热。

6. 集成设计：热管理系统应该与电池的物理布局和车辆的总体设计紧密集成。例如，电池可以被设计成与车辆底板贴合，以便更好地利用自然对流冷却电池。

总之，电池调节在热管理系统的设计中扮演了关键角色。有效的电池调节策略应该考虑到电池的温度特性、车辆的运行环境以及整车的能效管理，从而确保电池在各种条件下均能保持最佳性能。