來源：舊友與酒

前言

在汽車問世以來，熱管理有著不可或缺的作用。從傳統內燃機時代發動機冷卻系統，到車內溫度調節系統。隨著電子控制技術的發展，從傳統的機械式驅動系統，引入電子水泵和電動風扇。

隨著混合動力與電動車時代的到來，需要溫控的部件也逐漸增多，尤其是鋰離子電池的普及帶來了更高的溫度敏感性。電池系統需要在一定的溫度范圍內工作，以確保其安全性、壽命和效率。近年來電動車技術的高速發展，整車熱管理系統的重點逐漸轉向電池和電動機的溫控，同時，空調系統的能效和電池管理系統(BMS)的集成成為核心。

理論

熱力學的四個基本定律

零定律(熱平衡定律)

如果兩個系統分別與第三個系統處于熱平衡狀態，那么這兩個系統之間也處于熱平衡狀態。這個定律為溫度的概念奠定了基礎，表明溫度是描述物體熱狀態的一個可以度量的物理量。

第一定律(能量守恒定律)

能量不能憑空產生，也不能憑空消失，只能從一種形式轉化為另一種形式。也就是說，總能量是守恒的。其數學表達為：

ΔU=Q?W

其中，ΔU是內能的變化，Q是熱量的傳遞，W是做功。

第二定律(熵增定律)

熵是描述系統混亂程度的量，第二定律指出在孤立系統中，熵是永遠增加的，或者至少保持不變。換句話說，能量轉化的過程中總是伴隨著熵的增加。

這一原理也表明了自然過程是不可逆的，例如熱量從熱物體自發流向冷物體。

第三定律(絕對零度不可達定律)

當系統的溫度趨近絕對零度(0K)時，系統的熵趨向最小值，通常是零。即絕對零度無法被實際達到。(這一原理對于低溫物理學和量子力學有重要的意義。)

實踐

1. 熱管理在傳統燃油車中的應用

在傳統燃油汽車中，熱管理的主要任務是控制發動機和排放系統的溫度，以確保其高效運作和安全性。

發動機冷卻系統：通過冷卻液循環將發動機產生的熱量帶走，確保發動機在最佳工作溫度范圍內運行，避免過熱或低溫導致的性能下降。

廢氣再循環(EGR)：廢氣再循環系統通過將一部分排氣重新引入燃燒室，降低發動機溫度并減少氮氧化物(NOx)排放。

空調系統：確保駕駛員和乘客的舒適，特別是在高溫天氣下，空調的性能直接影響到整車熱管理的效果。

2. 電動汽車中的熱管理應用

電動汽車由于動力系統與傳統燃油車不同，熱管理的需求也發生了變化。電動汽車需要管理的不僅是電池的溫度，還有電動機和電力電子系統的溫度。

電池熱管理系統：

電池是電動汽車的關鍵組件，電池的溫度管理對于其性能、壽命和安全性至關重要。通常使用液冷系統(液冷冷卻劑)或者風冷系統來保持電池在最佳工作溫度范圍(一般在15-35°C之間)。

通過精確控制電池的溫度，能有效避免過熱引發的安全問題，并在低溫環境中防止電池性能下降。

電動機冷卻：

電動機在高速運轉時會產生大量熱量，必須通過冷卻系統(液冷或風冷)將熱量排出，防止電動機過熱導致性能衰減。

電力電子熱管理：

電力電子元件(如逆變器、充電器等)也會產生熱量，因此需要有效的散熱機制。常見的方法包括液冷系統、散熱器或熱管技術等。

熱泵系統：

現代電動汽車還常配備熱泵系統，用于在低溫環境下提高空調效率。熱泵能通過反向工作原理，從外部環境獲取熱量并加熱車內空氣，顯著提高能效，特別是在寒冷天氣下。

3. 熱管理與能效的關系

整車熱管理直接影響到汽車的能效和續航能力，尤其是電動汽車，熱管理的優化能減少能源浪費，提升電池的充放電效率，延長續航里程。電池的過高或過低溫度都會導致能量損失，因此合理的熱管理不僅保護電池，還能提高車輛的整體能效。

優化冷卻/加熱策略：

通過智能控制熱管理系統，使其根據駕駛條件、環境溫度以及電池充電狀態等因素，動態調整冷卻或加熱策略，從而確保電池和電動機等關鍵部件始終工作在最優溫度范圍內。

余熱回收技術：

一些先進的整車熱管理系統開始采用余熱回收技術，將發動機或電動機產生的多余熱量用于加熱車內空氣、預熱電池或其他輔助系統，從而提升整車能效。

4. 熱管理在車輛安全中的作用

熱管理系統不僅影響車輛的性能和效率，還直接關系到車輛的安全性。電池過熱是電動汽車面臨的主要安全隱患之一。通過精確的熱管理系統，確保電池溫度在安全范圍內，避免由于溫度過高引發的電池熱失控(thermal runaway)，避免火災等危險。

特別是在高溫天氣下，車輛的空調系統需要提供更高效的制冷能力，同時車輛內部的其他部件(如電池、電動機、車載電子設備等)也需要保持在合適的溫度范圍內。

5. 熱管理系統的技術創新

隨著汽車行業的進步，特別是電動汽車的普及，熱管理技術也不斷創新，主要體現在以下幾個方面：

熱管理系統集成：在一些高端電動汽車中，越來越多的熱管理系統被集成為一個綜合系統，以降低能源消耗，提高熱效率。例如，采用液冷系統同時管理電池、電動機和電力電子元件的溫度。

智能溫控技術：通過嵌入傳感器和先進的溫控算法，實時監控和調整整車各個部分的溫度，使熱管理系統更精確、響應更迅速。

新型冷卻材料：使用具有更高熱導率的材料(如石墨基材料、相變材料等)來提升冷卻效率。此外，納米流體和熱管技術的應用也成為提高熱管理效率的研究熱點。

熱回收和循環利用：越來越多的車輛采用熱回收技術，將發動機、制動系統、電池等產生的熱量回收利用，不僅提高了能效，還能改善車內舒適性。

總結

整車熱管理是現代汽車設計中至關重要的一個方面，尤其是在電動汽車的研發過程中，如何有效管理車輛的熱量，提高能效、安全性和舒適性，已經成為關鍵的技術挑戰。隨著技術的發展，越來越多創新的熱管理方案被引入，幫助汽車行業實現更高效、更安全的車輛設計。

未來的熱管理系統將更加集成化，多個熱管理功能可能會合并到一個系統中，提高效率并減少能耗。新材料的應用(如碳納米管、石墨烯等)，新技術的涌現，將加快熱管理發展的進程。