隨著新能源汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展，熱管理技術(shù)成為關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。2024年6月25日，在2024第二屆新能源汽車熱管理論壇上，北汽研究總院整車性能中心、熱流管理專業(yè)總師曾昌明表示，電動(dòng)車熱管理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)包括集成式熱泵系統(tǒng)、新制冷劑的應(yīng)用以及熱管理智能算法的創(chuàng)新。他強(qiáng)調(diào)，這些技術(shù)旨在解決電動(dòng)車在極端溫度條件下的續(xù)航問題和乘坐舒適性。

此外，曾昌明還分析了當(dāng)前電動(dòng)車在熱管理方面面臨的挑戰(zhàn)，如復(fù)雜的熱管理架構(gòu)、電池對(duì)空調(diào)性能的影響等，并提出了應(yīng)對(duì)策略。他強(qiáng)調(diào)了提升體感熱舒適性的重要性，并分享了微氣候循環(huán)技術(shù)在提升熱舒適性方面的應(yīng)用案例。

北汽研究總院整車性能中心，熱流管理專業(yè)總師

以下為演講內(nèi)容整理:

電動(dòng)車熱管理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)階段，電動(dòng)車熱管理技術(shù)涉及眾多領(lǐng)域，其發(fā)展趨勢(shì)可從多個(gè)維度進(jìn)行剖析。在此，我選擇了一個(gè)核心且具有代表性的技術(shù)——熱管理架構(gòu)技術(shù)，來探討它的發(fā)展動(dòng)向。值得注意的是，特斯拉在電動(dòng)車領(lǐng)域的起步最早，始于2008年，其發(fā)源地美國(guó)加州并無嚴(yán)冬，因此初期并未過多關(guān)注低溫續(xù)航問題。隨著市場(chǎng)的逐步擴(kuò)張，特斯拉在推出第四代車型Model Y時(shí)，一并推出了一套高度集成的熱泵熱管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)內(nèi)含多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，為熱管理問題提供了解決方案或指明了方向。

圖源:北汽

其設(shè)計(jì)理念主要聚焦于集成化、提升低溫制熱性能以及去PTC化。遵循這一理念，眾多后續(xù)品牌也推出了各具特色的技術(shù)路線，如多通閥、低成本電池直冷直熱技術(shù)，以及閥島集成式熱泵系統(tǒng)。未來，新制冷劑也將成為考慮因素，因應(yīng)法規(guī)趨勢(shì)，我們目前主要關(guān)注二氧化碳和R290兩種新制冷劑。

這些代表未來趨勢(shì)的技術(shù)路線正在逐步取代傳統(tǒng)的純PTC和分散式熱泵系統(tǒng)，盡管后者仍在市場(chǎng)上眾多車型中得以應(yīng)用，但其競(jìng)爭(zhēng)力已日漸衰微。

進(jìn)一步觀察熱管理控制技術(shù)路線，其起初可能被稱為空調(diào)標(biāo)定。隨著Model Y的推出，該技術(shù)被命名為熱管理智能算法。熱管理控制技術(shù)現(xiàn)已進(jìn)入高速發(fā)展期，結(jié)合大數(shù)據(jù)模型和人工智能技術(shù)，我們將實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的能量分配策略，并能為用戶提供個(gè)性化的熱舒適體驗(yàn)。

當(dāng)前，電動(dòng)車熱管理系統(tǒng)呈現(xiàn)多元化發(fā)展，這主要源于其與電動(dòng)車用戶的四大痛點(diǎn)緊密相連:續(xù)航擔(dān)憂、充電擔(dān)憂、安全擔(dān)憂以及電池壽命問題，尤其是續(xù)航擔(dān)憂?，F(xiàn)今，普通電動(dòng)車的續(xù)航能力起步500公里，因此在常溫條件下，續(xù)航已不再是主要問題。然而，在極端溫度下，特別是低溫環(huán)境，續(xù)航能力可能會(huì)減半，其中熱管理是一個(gè)重要因素。

相較于發(fā)動(dòng)機(jī)，三電系統(tǒng)的工作溫度范圍較窄，對(duì)溫度更為敏感。據(jù)統(tǒng)計(jì)，80%至90%的器件損壞源于熱老化，極端情況下甚至可能出現(xiàn)熱失控。因此，壽命、安全等方面與我們的熱管理系統(tǒng)息息相關(guān)。

此外，關(guān)于充電擔(dān)憂，盡管常溫下的充電倍率已達(dá)到4C、5C，充電時(shí)間縮短至十幾分鐘，但在高低溫場(chǎng)景下，充電效率會(huì)大幅下降，極低溫度下甚至無法充電。除了這些痛點(diǎn)外，隨著電動(dòng)車進(jìn)入智能化、高端化時(shí)代，用戶對(duì)熱舒適性的需求也大幅提升。眾多車企在廣告中宣稱自己的車型在某一價(jià)位段內(nèi)最佳，這些高端車型的熱舒適性開發(fā)已圍繞人體體感熱舒適性展開。對(duì)于我們這種大中型車企而言，以往空調(diào)系統(tǒng)的開發(fā)主要圍繞溫度和風(fēng)量進(jìn)行，這與新的開發(fā)理念存在一定的差距。

由此可見，熱管理能耗和體感熱舒適性是我們以往開發(fā)流程中未曾考慮的因素。這也是我們目前面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

電動(dòng)車熱管理開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)

與燃油車相比，電動(dòng)車的座艙設(shè)計(jì)獨(dú)具特色，如全景天幕、大屏顯示以及隱藏式出風(fēng)口等，這些設(shè)計(jì)雖美觀，卻給空調(diào)系統(tǒng)帶來了不小的挑戰(zhàn)。同時(shí)，熱管理架構(gòu)的復(fù)雜性日益增加，需要同步協(xié)調(diào)三大系統(tǒng)的運(yùn)行。此外，目前所使用的熱泵在低溫環(huán)境下仍存在采暖性能的不足。

圖源:北汽

另一方面，電池系統(tǒng)會(huì)消耗部分空調(diào)性能。在座艙熱管理方面，主機(jī)廠在燃油車時(shí)代對(duì)空調(diào)標(biāo)定的掌握程度本就一般，如今更需兼顧多個(gè)系統(tǒng)的同步運(yùn)行，并考慮與微氣候循環(huán)技術(shù)的聯(lián)動(dòng)，同時(shí)還要確保人體的體感舒適性。隨著電動(dòng)車向高端市場(chǎng)發(fā)展，這一領(lǐng)域的難度愈發(fā)凸顯。

電動(dòng)車的使用場(chǎng)景愈發(fā)豐富，諸如露營(yíng)模式、寵物模式等，這些都與熱管理緊密相連。然而，在這一切之上，優(yōu)化熱管理的功耗及發(fā)展智能化技術(shù)成為了最大的約束和挑戰(zhàn)。顯而易見，燃油車時(shí)代的熱舒適性開發(fā)流程已不適用于電動(dòng)車。因此，我們需要構(gòu)建一套全新的開發(fā)體系，能夠同步考量熱管理的功耗和體感熱舒適性，以實(shí)現(xiàn)真正的舒適與續(xù)航。

我們可以從開發(fā)流程的幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)入手，進(jìn)行深入剖析。簡(jiǎn)要來說，開發(fā)流程可分為四個(gè)主要環(huán)節(jié):指標(biāo)體系、方案設(shè)計(jì)、策略標(biāo)定及評(píng)價(jià)體系。

在指標(biāo)體系中，工況是重點(diǎn)。理論上，我們應(yīng)從客戶需求出發(fā)，轉(zhuǎn)化出實(shí)際可行的開發(fā)工況。然而，由于自主品牌起步較晚，能直接沿用國(guó)外車企工況，我們?cè)诠r制定方面的邏輯略顯薄弱。在新技術(shù)領(lǐng)域，我們可能會(huì)陷入僅依賴考試工況進(jìn)行開發(fā)的局限。例如，現(xiàn)行的低溫續(xù)航工況僅是在常溫續(xù)航國(guó)標(biāo)的基礎(chǔ)上添加了環(huán)境溫度變量，這與真實(shí)客戶的使用場(chǎng)景存在差異。

在方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，我們需警惕過度依賴仿真的傾向。仿真與實(shí)驗(yàn)應(yīng)相輔相成，試圖僅通過仿真來規(guī)避實(shí)驗(yàn)是不可行的。遺憾的是，許多主機(jī)廠可能缺乏必要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備或?qū)?shí)驗(yàn)技術(shù)的掌握不夠成熟。

在策略標(biāo)定方面，隨著標(biāo)定復(fù)雜性的增加，我們需要兼顧多個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行并考慮能耗限制。這要求主機(jī)廠與供應(yīng)商之間展開更深入的合作與互相學(xué)習(xí)，同時(shí)主機(jī)廠也需提升自身標(biāo)定能力。

最后，在評(píng)價(jià)體系方面，我們傳統(tǒng)空調(diào)性能開發(fā)主要以空調(diào)單點(diǎn)溫度為主，這與主觀評(píng)價(jià)存在不匹配的問題。因此，我們需要尋找有效的轉(zhuǎn)化器，如空調(diào)假人等，來解決這一難題。

關(guān)于人體體感熱舒適性，它是人體對(duì)熱環(huán)境滿意度的主觀感受，受多種因素影響。雖然建筑行業(yè)已有相關(guān)評(píng)價(jià)方法與規(guī)范，但在汽車這一狹窄且環(huán)境分布不均的空間內(nèi)如何應(yīng)用，仍是一個(gè)待解的難題。我們目前空調(diào)開發(fā)以單點(diǎn)溫度為主的方式，顯然無法全面代表人體的真實(shí)舒適性感受。

因此，體感熱舒適性的理念必須貫穿于我們的設(shè)計(jì)中，我們的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)必須具備提升體感熱舒適性的功能。

如前所述，人體主觀感受平臺(tái)因個(gè)體差異而存在不同，它是主觀的。這與我們的開發(fā)流程并不完全對(duì)應(yīng)，也無法形成閉環(huán)。用戶提出的問題，我們有時(shí)無法從開發(fā)角度有效解決，兩者之間存在不匹配。因此，我們需要一個(gè)客觀的裁判，這就是空調(diào)假人應(yīng)用的價(jià)值所在，它能夠?qū)⒖陀^數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為主觀評(píng)價(jià)的工具。

我時(shí)常聽到一種觀點(diǎn)，認(rèn)為要降低熱管理的功耗，就必須犧牲一定的舒適性。然而，這種觀點(diǎn)并非正確。另有誤解認(rèn)為豪華車不重視熱管理能耗，這同樣是不準(zhǔn)確的。豪華車在熱舒適性方面的技術(shù)確實(shí)領(lǐng)先，這是無可爭(zhēng)議的。但它們?cè)诠?jié)能技術(shù)上也同樣出色，并不會(huì)以犧牲舒適性為代價(jià)來提升能耗。

微氣候循環(huán)技術(shù)分析

接下來進(jìn)入最后一個(gè)環(huán)節(jié)——體感熱舒適性。體感熱舒適性與微氣候循環(huán)息息相關(guān)，因?yàn)槲覀冴P(guān)注的核心是人體微環(huán)境的感受。在某些特定場(chǎng)景下，例如單人駕駛，能耗損失可能會(huì)過大。因?yàn)樵谶@種場(chǎng)景下，雖然只有一個(gè)人乘坐，但整個(gè)座艙的空調(diào)系統(tǒng)仍然在運(yùn)行。對(duì)于燃油車而言，這種能耗損失可能并不顯著；然而對(duì)于電動(dòng)車而言，卻是不容忽視的問題。

微氣候循環(huán)系統(tǒng)能夠更精確地控制乘員的熱舒適性。該系統(tǒng)涵蓋了制冷、制熱等多種功能配置，包括直接接觸式、吹風(fēng)式以及輻射式等。

通用汽車曾在其電動(dòng)車上應(yīng)用過該系統(tǒng)并進(jìn)行了相關(guān)研究。他們針對(duì)熱管理工況以及熱舒適性提升的貢獻(xiàn)進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示在搭載該系統(tǒng)的情況下，如果僅使用該系統(tǒng)而不啟動(dòng)空調(diào)，則能夠節(jié)省高達(dá)82%的能耗。這一結(jié)果可能是在單人駕駛場(chǎng)景下得出的。而如果結(jié)合部分微氣候循環(huán)配置與空調(diào)系統(tǒng)使用，則同樣能夠?qū)崿F(xiàn)能耗的節(jié)省。從右下角圖中我們可以看到隨著配置使用的增多空調(diào)的使用量可以相應(yīng)減少?gòu)亩鴮?shí)現(xiàn)更多的節(jié)能。

圖源:北汽

在公司內(nèi)部我們也進(jìn)行了相關(guān)研究，在四個(gè)不同的環(huán)境溫度下在車上布置了類似的微氣候裝配，我們采用了石墨烯加熱方式在座椅、地板等位置都加裝了石墨烯加熱元件，并對(duì)前后排都進(jìn)行了改裝，通過真人和空調(diào)假人進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，同時(shí)針對(duì)功耗和熱舒適性的影響進(jìn)行了分析。

從結(jié)果來看，在熱舒適性方面，我們對(duì)比了主駕和副駕在啟動(dòng)石墨烯與空調(diào)組合以及僅使用空調(diào)的情況下的舒適性效果，可以看到在-20℃的環(huán)境下，如果只使用空調(diào)，體感舒適性只能達(dá)到勉強(qiáng)舒適水平；但是加上石墨烯加熱后，舒適性可以提升到接近非常舒適的水平，主駕和副駕都呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)。

最后，我們對(duì)功耗的影響進(jìn)行了分析，我們制定了內(nèi)部的一些客戶使用場(chǎng)景工況，并對(duì)比了四個(gè)工況下的操作方式、空調(diào)和石墨烯之間的組合操作關(guān)系等，我們分析了單人、雙人和四人駕駛場(chǎng)景下對(duì)功耗的影響，可以看到在單人使用場(chǎng)景下如果僅使用空調(diào)功耗大約為1100多瓦，而如果加上微氣候與空調(diào)組合使用則只需要300多瓦的功耗，節(jié)省了大約800多瓦即70%的功耗，這是在單人駕駛場(chǎng)景下的結(jié)果；但是在四人駕駛場(chǎng)景下這種效果就基本消失了，因此還需要制定更多的策略和場(chǎng)景區(qū)分才能真正實(shí)現(xiàn)微氣候循環(huán)的最大節(jié)能效果。

在新能源汽車時(shí)代，電動(dòng)車熱管理迎來了黃金期。然而機(jī)會(huì)總是留給有準(zhǔn)備的人——那么，我們準(zhǔn)備好了嗎？

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