没有内燃机 新能源汽车还需要冷却么

　　传统燃油汽车由于其热能动力属性，发动机燃烧温度高，高转速又进一步产生了附加热量，为了降低发动机温度，确保发动机工作温度在安全范围内，独立设置了发电动机水循环冷却系统，采用水冷换热的方式带走发动机的部分热量。

　　另外，为了满足车内空气环境的舒适性要求，通常汽车设计安装了空调设备用以控制车内热湿环境，空调设备的冷却系统（冷凝器）通过风机强制对流（风冷）带走冷凝器热量。两个系统构成了传统汽车的主要冷却部件。

　　由于具有安全、便捷、高效环保等特点，新能源汽车近年来得到了长足的发展。尽管新能源汽车与传统汽车在动力上有了本质的区别（油动与电动、混动的区别），但新能源汽车的根本仍是脱胎于传统汽车升级改造而来。电动机的高速转动、空调冷凝器依然是新能源汽车的两大冷却需求。

　　此外还增加了电池（电源）的冷却部分，因此新能源汽车包含了电源、电动机、电控和空调四大离散、独立的冷却系统。四个部位自成体系，各占空间，互不干涉。由此带来耗材多、占空间、能耗大等问题。

　　新能源汽车受当前技术限制，电池寿命、续驶能力、整车性能等均需要通过各种手段得以提高，四个冷却系统理论上也存在节材、节能、节省空间的优化潜能。整车协调化、系统集成化、体验人性化将是未来新能源汽车的主要发展方向。

　　目前国家非常重视新能源汽车产业的发展，新能源汽车产业是当前及未来一定时期的发展重点和热点。新能源汽车的冷却系统是汽车安全行驶的重要保障，相关部件（电池、电动机、整车电控及空调）的冷却效果直接关系着整车动力性能、续驶能力和舒适度。节能、高效的冷却系统无疑能提升新能源汽车的用车体验。研制开发集成化冷却系统是一种趋势，有必要提前进行相应的技术储备，加快研制步伐，推动新能源汽车技术的不断进步。这里讨论的是在现有离散、独立的冷却系统基础上，探索集成化的冷却系统，提出冷却系统新方案，进一步通过节材、节能、节省空间的高效冷却促进新能源汽车整车性能提升。

　　冷却部位及原理

　　相对传统燃油（气）汽车，新能源汽车以“三电”系统（电池、电动机、电控）为核心部件替代了传统发动机，还体现在重要性大幅度提升的热管理系统。故传统燃油（气）汽车主要的冷却部位（广义上称为热管理系统）为汽车空调、发动机和变速器散热系统，而新能源汽车几乎涵盖了所有的核心部件，即电池、电动机、整车电控及空调。因此，新能源汽车的冷却需求与传统汽车发生了根本的改变，系统更复杂，冷却要求更高。

　　具体说来，新能源车冷却系统主要包括能量系统（如动力电池，燃料电池）、电子控制元器件、电动机散热和空调等。

　　1. 能量系统、电子控制元器件、电动机散热及空调热源

　　能量系统以动力电池为例，动力电池在充电蓄能后用车时放电做功带动新能源汽车工作。充/放电过程均伴随着电池正负极的化学反应和电子转移，此过程中动力电池产生大量的热量，主要热量来源包括化学反应放热、欧姆极化生热、附加反应放热和电池内阻耗功散热。另一个能量系统——燃料电池是一种直接由燃料和空气（氧气）持续地发生电化学反应并输出电能的装置，由此为新能源汽车提供能量。与动力电池类似，燃料电池的主要热量来源有以下四项：化学反应放热；欧姆极化产热；附加反应放热，电池内阻耗功散热，燃料和空气（氧气）预处理热；空气（氧气）带入环境热量。其中化学反应放热是主要热源。

　　2. 电子控制元器件热源  

　　电子控制元器件用于管理整车正常运行，将能量系统的电能合理配置到车上各用电终端的指挥中枢，特别是配制输出给电动机驱动新能源汽车按驾驶者意愿行驶。

　　电子控制元器件的主要热源是输出端绝缘栅型双极晶体管功率模块。此类功率模块工作时由于功率损耗产生热量，分别对应新能源汽车启动、起步、行驶、制动和停泊等运行情景，主要功率损耗包括晶体管的导通损耗、驱动损耗、常通损耗、截止损耗和关断损耗五大类。功率损耗的结果是转换成热能导致电子控制元器件发热。特别是，作为功率模块的主要热源，通态损耗和关断损耗需要特别关注。

　　通态损耗的大小取决于三个因素：饱和压降，与晶体管的特性有关；输出电流的大小，通态损耗与工作电流正相关；占空比，占空比越大，平均输出电压越高，电子控制元器件的通态损耗越大。关断损耗代表晶体管在饱和向截止过渡时产生的损耗，其与PWM频率有关，频率大于5kHz时，损耗大。

　　3.电动机散热  

　　当前主流电动机主要由铁芯转子和定子绕组线圈构成，新能源汽车由电动机驱动行驶，电动机运行过程中存在不同程度的发热现象。定子绕组线圈通常采用铜线，铜线内阻在导电时会产生耗功散热，根据内阻功率公式得知，耗功与铜线内阻及电路电流平方成正比，该项内阻耗功散热即为常说的铜损。

　　另外，新能源汽车电子控制元器件输出电流通常为方波，其与电动机的标准正弦波偏离会引发谐波损耗。而铁芯转子方面，由于电磁感应，转子存在磁滞涡流效应，由此产生交变磁损耗，大小与材料材质、通电电压/电流、交变频率相关，也称为铁损。最终，内阻功耗和交变磁损以热量的形式散发于电动机中。此外，电动机的高速转动，摩擦生热不可避免。

　　4. 空调热源

　　空调系统为满足车内热湿环境，夏天制冷、冬天制热、雨天除雾需求而设置，主要部件为压缩机冷凝器、膨胀器（阀）和蒸发器。制冷工况中，蒸发器内工质吸收空气热量后将冷空气送入车内，此后制冷剂蒸汽在冷凝器中冷凝发出大量的热量。冷凝发出大量的热是空调系统的主要热源，冷凝器的冷却效果直接影响车内舒适度。

　　冷却方式及集成化技术方案

　　1.  冷却方式

　　根据能量守恒定律，对新能源汽车核心部件的冷却（加热）是热量（能量）转移的过程，通过一定的工质将上述能量系统、电子控制元器件、电动机、空调等部位的多余热量排放到环境中。按工质的不同，冷却方式可分为以空气为介质的风冷、以水等液体为工质的水冷和以相变传热的相变等。

　　风冷的过程为自然散热，就是无额外散热措施，通过热源与环境空气的接触转移热量实现散热效果。新能源汽车风冷散热通常利用空气自然或强制（风扇）流过冷却部件表面或通过特定风道，带走多余的热量。

　　水冷的工作原理为：水、油等液体工质按一定流向的预设管路穿过冷却部件吸收其多余热量并带到外部的散热器向环境散热，环境散热降温后的液体再次送入冷却部件吸收热量，如此循环往复。由此可知，新能源汽车水冷系统主要构件包括：散热器，风扇、管道、控制器（传感器、风扇控制器、显示器等）和提供液体循环动力的水泵。

　　相变冷却以水为例，水存在三种相态形式分别为普通液态水、固态冰和气态水蒸气。三种相态间的转化称为相变，而相变过程中伴随放热或吸热，液态水蒸发吸热，水蒸气冷凝放热。新能源汽车即利用蒸发吸热、冷凝放热原理，在冷却部件内部水蒸发吸热吸收热量，冷却部件外冷凝放热向环境散发热量，散热降温后的水再次送入冷却部件吸收热量，如此循环往复保证冷却部件在正常温度工作。

三种冷却方式的优缺点对比见表1。

　　2. 集成化技术方案

　　综合分析上述冷却部位及原理和三种冷却方式的优缺点，采用分级集成化冷却方案，较小热源部位可采用与空气相对运动的风冷方式冷却，既保证了系统热安全又兼顾了经济性。较大热源部位可采用二/三级（相变、水冷/相变、水冷、风冷）集成技术方案，具体为：热管阵列水相变蒸发吸热，在外部水冷吸收热管阵列带出的热量为热管内水蒸气降温冷凝，此后再次回到热源部位吸热。而外部冷却水再通过风冷散热。集成技术方案中，热管在热源部位内部按原来水冷预留管路布置，无需额外改动，在热源外部时，收缩热管阵列减少分布面积，集中水冷，由于相变传热系数大，效果好，理论上可减少水冷散热器体积容量，进而实现节水节电节材的效果，促进新能源汽车整车性能的提升。

　　结  语  

　　通过冷却部位分类及其工作原理分析，综合三种冷却方式的优缺点，提出分级集成化冷却方案，小热源部位采用风冷方式冷却，既可保证系统安全又可兼顾经济性。大热源部位可采用二/三级（相变、水冷/相变、水冷、风冷）集成技术方案，热管阵列相变吸收大热源部位，水冷散热器吸收热管带出的热量，风冷降低冷却水的策略。三者兼顾取长补短，理论上可减少水冷散热器体积容量，进而实现节水节电节材的效果，促进新能源汽车整车性能的提升。本文为新能源汽车集成化冷却系统提供了一种潜在的热管理解决方案。

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