纯电动汽车空调系统与电池液冷系统的协同热管理研究

作者：Zhaoju Qin, Chenyang Yin, Weizheng Zhang, Dong Liu, Shuxia Yao, Weihong Weng, Zhen Han

单位：华北水利水电大学 | 北京理工大学

期刊：Case Studies in Thermal Engineering

链接：https://doi.org/10.1016/j.csite.2025.106385

    华北水利水电大学与北京理工大学的研究团队在《Case Studies in Thermal Engineering》发表研究成果，提出一种“双蒸发器协同热管理模型”，实现了电池液冷系统与空调系统的深度集成控制，为纯电动车高温环境适应性提供了新方案。

    该系统通过创新制冷剂回路设计与智能控制策略，动态调节蒸发器工作状态与制冷剂流量；基于整车热管理框架，在4种驾驶工况与3种高温环境下开展研究。

结果表明： 

1. 通过电子膨胀阀（EEV）与压缩机的控制，系统可高效调节温度；  

2. 41.5℃高温下，电池2400s内降至25℃并稳定，座舱440s内达标，电池模块温差控制在1℃以内；  

3. 座舱热舒适指标PMV达到+0.5、PPD达到10%，系统能效比（COP）维持在3.2~4.6；  

4. 系统COP与环境温度呈负相关，驾驶工况越稳定，COP越高。

图3（原文） 车辆热管理系统

1. 锂电池热安全需求迫切 

    锂离子电池充放电过程中，电池因内部化学反应与欧姆电阻产热，若散热不及时，会导致性能衰减、寿命缩短，甚至引发热失控。现有研究多聚焦电池液冷本身（冷板设计），缺乏与座舱空调的协同设计。

2. 座舱舒适性与能耗的矛盾 

    座舱需随环境温度波动调节冷暖，但传统空调与电池散热独立运行，导致能耗叠加——高温下空调满负荷运转时，电池散热需额外消耗电能，进一步缩短续航里程。

3. 现有技术的局限性 

    当前热管理研究多“分而治之”：要么单独优化电池液冷效率，要么单独改进座舱空调控制，忽略了两者适宜温度范围相近的耦合特性，未能实现能量的协同利用。

1. 双蒸发器协同架构 

    系统采用“电池冷板-座舱蒸发器并联”设计，通过三通阀与流量调节阀切换3种运行模式：  

    同时冷却模式：高温高负荷工况下，制冷剂同时流向电池冷却器（Chiller）与座舱蒸发器，实现双散热；  

    电池单独冷却模式：座舱无需求但电池超温时，仅开启电池液冷回路；  

    座舱单独冷却模式：仅需座舱降温时，启动基础制冷循环。

2. 双控制策略

    通过“EEV+压缩机”的协同控制：  

    EEV通过状态机调节开度，维持蒸发器过热度稳定在5℃，保证制冷剂流量与热负荷匹配；PID控制器根据电池/座舱实时温度，动态调整压缩机转速，避免过冷或欠冷。

3. 整车多工况仿真模型 

    基于AMEsim软件搭建集成化仿真平台，首次将“环境温度-驾驶工况-热负荷”三者联动分析，而非孤立测试单一组件。

研究思路：

(1) 确定系统组件与运行逻辑；  

(2) 建立座舱热负荷、电池热行为、制冷循环的子模型；  

(3) 设定边界条件，开展仿真；  

(4) 通过焓差实验室实验验证模型准确性；  

(5) 分析电池温度稳定性、座舱舒适性与系统COP。

数学模型：

(1) 座舱热负荷模型 

将座舱简化为体积压缩系统，总热负荷由4部分构成：  

人体散热负荷；电子设备散热负荷；通风换气热负荷；太阳辐射热负荷。

(2) 电池热模型  

电特性：采用一阶等效电路描述电池充放电行为；  

产热模型：基于Bernardi理论，考虑反应热与熵热。

基本假设与评价指标：

(1) 基本假设  

忽略风扇、电控设备的功耗及管路、阀门的热损与压降；  

电池模块按3串连接，分析均质温度；  

座舱内温度均匀分布，简化为集中参数模型。

(2) 评价指标  

电池热安全：电池稳定温度（目标25℃）、模块温差（≤1℃）

座舱舒适性：座舱稳定温度（目标25℃）、PMV（-0.5~+0.5）、PPD（≤10%）

系统能效：制冷能效比COP

模型验证：

    在焓差实验室开展实验：环境温度35℃，Personal驾驶工况（0~2min加速至45km/h，2~18min匀速），测量蒸发器/冷凝器的换热量与压降。结果显示（图5）：  

    所有误差均<5%，符合工程精度要求，验证了模型可靠性。

图5（原文） 实验验证

1. 电池与座舱温度控制效果

电池降温：如图6（a）所示，35.5℃、38.5℃、41.5℃下，电池分别需1995s、2115s、2354s降至25℃，稳定后温度分别为24.95℃、24.79℃、24.82℃；3个串联电池模块最终稳定温度为24.8℃、24.4℃、23.9℃，温差<1℃（图6d），避免局部过热。

座舱降温：如图6（b）所示，无论环境温度高低，座舱均能在440s内稳定至25℃，且环境温度越高，平衡阶段温度波动越小。

图6 各部分温度控制

2. 座舱热舒适性达标

    如图7所示，初始PMV为+3（炎热）、PPD为100%（全员不适），随系统运行：  

PMV逐渐收敛至+0.5（轻微温暖，符合ISO 7730舒适标准）；  

PPD降至10%（仅10%人员感觉不适），实现高温下的舒适体验。

图7 (a)舱室PPD指数随环境温度变化的曲线；(b)舱室PMV指数随环境温度变化的曲线。

3. 不同驾驶工况的影响

US06工况（高强度驾驶，频繁加减速）：电池需2261s达标，座舱温度波动最大（气流与热交换不稳定）；  

NEDC/UDDS工况（平稳城市驾驶）：电池1750s左右达标，温度波动小；  

Personal工况（匀速45km/h）：系统负荷稳定，COP最高（35.5℃下达4.54）。

图8 (a)不同工况下舱室温度变化；(b)不同工况下电池温度变化；(c)压缩机转速对舱室的影响；(d)压缩机转速对电池的影响

4. 系统能效特性

如图10（b）所示：  

    COP与环境温度负相关：35.5℃下各工况COP为3.8~4.54，41.5℃下均降至3.2~3.9；  

    COP与工况稳定性正相关：匀速工况（Personal）COP > 平稳工况（NEDC/UDDS） > 高强度工况（US06），验证了“稳定负荷更节能”的规律。

图10 (a)制冷系统压力-焓图；(b)系统在不同工况下的COP值

1. 节能与续航提升：协同控制减少能耗叠加，COP维持3.2~4.6，相比独立散热系统能效提升8%~15%； 

2. 工程化指导意义：提供可落地的系统架构（双蒸发器+EEV-压缩机控制）与仿真模型，为车企热管理系统设计提供直接参考； 

    该研究为纯电动车集成热管理提供了“协同而非独立”的新思路，尤其对高温地区的车型开发具有指导意义。