智能电动汽车热管理系统的挑战

　　和人类一样，电池也喜欢在室温环境下工作。热管理系统不仅能保证这一点，还能最大限度提升效率。

　　通用汽车在首次公开2025款凯迪拉克Escalade IQ——搭载200 kWh以上的24模块Ultium电池包、预计续航里程为450英里（724公里）、最大输出功率为750hp的SUV——时列举了该车的一系列特色技术，如基于高通骁龙平台的55英寸LED显示屏，以及可将转弯半径减少6.5英尺以上（至39英尺4英寸）的四驱系统等。

　　但其中有一项技术对于这辆预计售价高达13万美元的奢华电动汽车而言似乎平平无奇，那就是热泵。

　　Escalade IQ搭载了通用的Ultium能量回收系统，其功能是允许“热量在电池/动力电子系统和车厢之间转移。”开发Ultium能量回收系统的初衷是为了“最大限度利用每瓦功率，优化续航里程，并尽可能减少用于五种地区气候控制的高压电池的能耗。”

　　换言之：杜绝浪费Escalade IQ的驱动能量，并同时确保车厢的最大舒适度。Ultium能量回收项目经理Lawrence Ziehr解释了必须将Ultium电池包的工作温度维持在最佳区间内的原因：“冷却的最大挑战在于使整个电池包均衡冷却。我们通过将电芯与一个常规热交换器连接，使热流均衡地流经电池包模块。我们将整个电池包的冷却和加热视为优先任务，只有实现这一点才能最大限度利用功率，同时保证汽车的性能和续航。”

　　为此，Ziehr补充道：“我们在系统与制冷器及热泵的连接处进行了大量冷却工作，成功使电池降至环境温度以下。”搭载Ultium系统的所有通用车型都采用了该方案。

　　汽车的核心

　　美国Vitesco技术公司北美电驱系统业务部主任Jason McClymont指出，“热管理现已成为汽车的核心。没有热管理，电动汽车的其他部件便难以在理想状态下工作。”

　　其同事Gerhard Eser是公司的热管理首席专家，他进一步指出：“在电动车中，我们用于加热和冷却的唯一能量基本都来自于电池。”

　　车主最关心的当然是如何实现最大续航。但这牵涉到其他许多问题，比如车厢温度不宜太冷或太热，还有电池温度必须控制在最佳工作范围内。正如博世马萨诸塞省Waltham工厂工程主管Andreas Douglas所说的，“和人类一样，电池也喜欢在室温环境下工作。所以我们希望电池处于舒适的状态，否则它的效率就会大打折扣。”

　　这意味着被Douglas称为“一切功能的基础”的热管理在电动汽车中扮演着多个重要角色——从维持车厢舒适到满足电池及相关车载电子系统的热需求。

　　智能技术

　　在此背景下，工程师必须开发出Douglas所称的“智能技术”。对于传统油车，内燃机产生的废热可以用于冬季的车厢供暖。但夏季的情况则截然不同。“空调永远需要依赖发动机，”博格华纳首席技术官Harry Husted表示。“当汽车处于空转状态下，如果空调压缩机突然启动，那么发动机就必须泵入额外燃料，以产生旋转空调压缩机的扭矩。”

　　通常这部分燃料不会被视为巨大的损耗。但对于电动车，正如Husted指出的，车主通常希望车辆在充满电后能达到厂商宣称的最大续航里程。但实际上，对电池的需求不仅仅只有产生推进扭矩所需的能耗。

　　这意味着必须开发出可将推进之外的电池能耗降至最低、并将任何废热加以高效利用的技术。“分给其他功能的电量越高，用于推进的电量就越低，” Vitesco的Eser表示。“这就是为什么我们必须将系统中的所有废弃能量，即来自于电机、电池和电子系统的废弃能量连接并汇总起来。而电动车和内燃机的最大区别在于，我们必须更加谨慎地对待宝贵的能量。”

　　博世的Douglas表示，虽然内燃机“各部件的热管理都是分别考虑的”，但博世对电动车“采用了全局性的思考方式：我们研究各个子系统的需求，从而开发出让能量在其间高效转移的产品和技术。”换言之，他们开发的系统可以确定哪个子系统存在热能需求或余热，并相应地将热能转移过去或提取出来。

　　不仅如此，博世还研究了如何充分利用环境温度。博格华纳的Husted举了个例子：“当你想冷却电池包时，如果电池包的温度高于周围温度，那么你就可以通过周围空气将冷却液冷却。”

　　Douglas表示博世甚至还在考虑将太阳能用作辅助能源。

　　“封装”带来的挑战

　　然而，这些电动车的热管理系统都面临着一个制约因素：封装。

　　Douglas表示电动车的封装是一个关键的性能指标。“想想前置行李箱。”尽管由于移除了巨大的发动机，电动车前盖下方的空间比燃油车宽裕不少，但那里依然有动力电子系统、逆变器、电机等设备。因此热管理系统依然需要相对紧凑。

　　回到之前提到的用空气冷却电池的可能性，Husted指出，“这种想法看上去很简洁，因为这样无需使用冷却剂和管道，还可以减少这部分的重量。但问题在于空冷的热传递效率非常低。因此气道必须做得非常大，还必须配备风扇。但由于汽车有紧凑性的需求，而且推进功率高达100 kW级，这种功率级别远远高于家庭用电，更接近社区用电。因此相比空冷，液冷是更优的选择。”

　　博格华纳同样认可液体热交换的效率，并开发了一系列可同时加热电池包和车厢的紧凑型高压冷却液加热器。Husted指出电池加热非常重要。“电池包在温暖的时候可以更高效地输电和充电。而当锂电池的温度太低时，就不能过于猛烈地充电，或者最好不充电——因为这时候阳极的锂镀层电势非常低。总之，温暖的电池有助于充电和能量输出。”

　　Vitesco开发了一个冷却液热管理模块，McClymont称之为“集成了多个泵和阀门的单元。我们将整个热管理系统的架构简化至一个模块，因此安装和封装都变得非常容易，因为只有一个中央单元。”

　　Eser介绍该模块有多个进出口，而且安装位置应该位于管道总距离最短处（以减少冷却液的用量和重量），而且可能需要位于车辆底侧，“因为人们都认为电动车就应该有前备箱。”

　　Our Next Energy正在开发一系列LFP电池。该公司创始人兼首席执行官Mujeeb Ijaz表示，“我们相信要让电池变薄。你最终会在两侧都有一个铝制散热器。”电池外壳底部有一块冷板。这些电池与冷板结合，形成Ijaz所说的“高效传热” （ONE）

　　无独有偶，博世也开发了数款将加热和冷却系统纳入紧凑封装的灵活热管理单元。Douglas将其形容为“以聪明的方式使用冷却液、润滑油等任何转移热能的媒介。而且你不希望在此过程中浪费能量。”在内燃机时代，长距离的布线相对而言不是一个问题，但对于电动车，任何损耗都非同小可。

　　以上所有问题都汇总为Douglas所称的复杂工程挑战，即在确保推进系统的所有部件（电池、动力电子、电机）都处于最佳工作温度的同时，使车厢内部也具有舒适的环境。

　　Douglas举了个形象的例子：“假设一辆位于亚利桑那州的电动车需要在载人的情况下进行快充，什么样的技术可以实现该情景？”

　　如何看待电池的浸没式冷却技术？

　　让电池在各种条件下都处于合适的温度区间（即负载时冷却，环境温度低时加热）通常是通过电池包底部的液冷盘以及电芯之间的液冷通道实现的。

　　但将所有电芯浸入介电液体的想法又如何？理论上，这不仅能提升整个电池包的热一致性，还能免去冷却盘、热界面材料等部件。

　　但IDTechEx.com的首席技术分析师James Edmondson指出，浸没式冷却存在大量技术挑战，因此尽管它的确具有诸多益处，但可能只会用于高性能、高成本的电动车上。

　　“该技术的行业经验非常少，因此尚未针对量产进行优化。除了这点造成的高成本外，电池模块的防泄漏封装也是耗费成本的技术难题。因此，目前只有高端低产量电动车会采用这种技术。”他补充道，“此外，浸没式冷却通常需要在电芯之间留出空隙好让冷却液通过，但液体自身是有重量的，因此这样做等于降低了电池包的能量密度。这意味着对于一个在既定的体积内装入尽可能多的电池容量的应用，浸没式冷却可能不是一个理想的解决方案。但浸没式冷却更适合在既定体积内装入尽可能多的功率的应用，也就是赛车和高性能车型等。”

　　2021年，总部位于德国斯图加特的马勒集团曾表示正在研发浸没式电池冷却，并强调了该设计可减少直流快充的时间，还有可能降低电池尺寸和成本。1级供应商法雷奥在2023 IAA车展上表示已和法国的道达尔能源集团建立合作伙伴关系，将共同研发利用电解液的浸没式冷却系统，该系统“还将用于未来法雷奥所有动力电子产品的冷却。”

　　Edmondson指出，IDTechEx的调研结果显示，2023年上半年共有96%的电动车使用冷却盘冷却。但在2026-2033年间，浸没式冷却将以每年高达9%的速度增长，但它依然将是“汽车热管理市场中一个相对较小的领域。”