新能源汽车热管理系统（Thermal Management System, TMS）基本知识入门

作为一名专业人员，我们看待新能源汽车热管理系统（Thermal Management System, TMS）不能仅将其视为"空调"或"散热"，而应将其视为一套能量统筹与分配的综合系统。它的核心任务是通过冷却或加热，确保电池、电机、电控及座舱始终处于"最佳工作温度区间"。

我们将从基础架构入手，逐步深入到目前最前沿的集成控制策略。

1、基础认知：热管理系统的"四大件"与"三大回路"

在看懂系统框图之前，我们需要明确新能源热管理主要解决哪几个对象的温控问题，以及它们之间的关系。

1. 温控对象（热源/被控对象）
   • 电池包（Battery）： 最佳温度通常在15℃-35℃。低温需加热（防止锂枝晶、提升充电速度），高温需冷却（防止热失控）。
   • 电驱系统（EDS，全称是electrical Driver System）： 包含电机、电控、减速器。主要产生废热，需要散热，但在低温冷启动时，这部分废热可以回收利用。
   • 乘员舱空调系统（Cabin）： 冬季需制热，夏季需制冷，直接消耗大量能量（影响续航）。
   • 注：在混合动力车型中，还包含发动机（Engine）的高温回路。（这里其实还漏了一个现在比较流行的增程车型，其发电机一定程度上也可以认为是发动机）
2. 核心执行部件
   • 热交换器： 水冷板（电池）、散热器（前端）、冷凝器、蒸发器、Chiller（过冷器）、PTC（加热器）、热泵。
   • 动力源： 水泵（推动冷却液，是系统运行的动力来源）、电子膨胀阀（控制冷媒流量）、压缩机（驱动冷媒循环）。
   • 控制中枢： 阀件（三通阀、八通阀等），用于切换流路。
3. 介质流体
   • 冷媒（Refrigerant）： 如R134a, R1234yf, CO₂。用于吸热和放热，主要在制冷/制热循环中。
   • 冷却液（Coolant）： 乙二醇水溶液（不导电）。用于在部件间传递热量。

2、一些名词的详细解释

• 水冷板（电池） 是电池包热管理的核心部件，通常是贴合电池模组的金属板（内含冷却液流道）。工作时，冷却液在流道内循环，将电池工作时产生的热量带走（降温），或在低温时将热量传递给电池（预热），最终让电池组温度均匀、维持在 20-40℃的适宜区间，避免局部过热 / 过冷。

  水冷板的结构：是 "集成流道的金属组件"，流道与板体是一体的

  它不是普通的平板，而是以铝（或铝合金）为基材，通过冲压、焊接、摩擦搅拌焊等工艺，在金属板内部加工出连续的冷却液流道（相当于 "内置的水管"），再将上下板密封成一个整体的组件 ------ 所以 "流道（类似水管）" 和金属板是一体化的，并非额外外接水管，这样能保证热量传递效率更高、结构更紧凑。

  水冷板的安装位置：完全隐藏在车身内部，不会漏在车外

  水冷板是贴合电池模组安装在电池包内部的，而电池包本身是密封的 "箱体结构"，被布置在车身底盘的电池舱里（比如新能源车的底盘中部 / 底部），属于车辆的 "内部核心部件"，不会暴露在车外（否则会被磕碰、进水，既影响散热效率，也会带来安全风险）。

小结：水冷板其实它得的原理非常简单，就是直接接触吸热或放热，至于如何设计机械结构，能让热交换效率提升，我们搞电子的不需要懂太多

• 散热器（前端） 就是常说的 "水箱"，安装在车头格栅后方。冷却液携带的热量（比如电池、电机的热量）会被输送到这里，通过行驶气流 / 风扇吹风 将热量散发到车外，从而给冷却液降温，是冷却液散热的 "终端"。

• 冷凝器 属于冷媒循环 的关键部件：压缩机压缩后的高温高压气态冷媒 会进入冷凝器，通过车外空气的冷却，让冷媒从气态变为液态（同时释放热量），是冷媒 "放热" 的核心环节，常和散热器集成在车头区域，但功能独立于冷却液系统（这里需要非常注意，与冷却液系统不是一回事，冷媒主要是作用于空调制冷，也就是我们说的空调制冷）。

• 蒸发器 同样是冷媒循环的部件：经过电子膨胀阀 节流后的低温低压冷媒 会进入蒸发器，通过蒸发（液态变气态）吸收热量 ------ 既可以吸收车内空气的热量（实现空调制冷），也可以吸收冷却液的热量（间接给电池降温）（冷媒也能吸收冷却液的温度）。

小结，冷凝器说白了就是散冷媒的热，蒸发器就是吸收车内座舱的热量。

另外说明一下，什么是电子膨胀阀，

电子膨胀阀是冷媒循环系统中的 "精准节流控制器"，是连接 "冷凝器" 与 "蒸发器" 的核心部件，核心作用是给冷媒 "降压调温 + 控流量"，为蒸发器的吸热功能铺路。

1. 它在冷媒循环里的位置 & 核心任务

它位于冷凝器的出口、蒸发器的入口之间：

• 从冷凝器过来的冷媒是高温高压的液态（比如温度 50℃、压力 15bar 左右）；
• 电子膨胀阀会通过 "缩小流道开度"，对这股高压液态冷媒进行节流降压 ，让它变成低温低压的气液混合物（比如温度降到 5℃、压力降到 3bar 左右）；
• 这种状态的冷媒进入蒸发器后，才能顺利 "蒸发（液态变气态）" 并大量吸收热量（不管是车内空气的热，还是冷却液的热）。

2. "电子" 的核心优势：精准可控

它和传统的 "机械膨胀阀（比如热力膨胀阀）" 最大的区别是由电信号控制阀门开度：

• 热管理系统会根据实际需求（比如空调制冷强度、电池散热需求），实时调整阀门的开合程度；
• 开度大→通过的冷媒多→蒸发器吸热能力强（制冷 / 散热效果好）；
• 开度小→通过的冷媒少→吸热能力弱（匹配低负荷需求）。

这种 "精准调节" 能让冷媒循环更高效，既避免冷媒浪费，也能适配新能源车 "同时照顾空调、电池、电机热需求" 的复杂工况。
压缩机：这一点也需要非常注意，燃油车和现在的新能源汽车（这里是指纯电），具体原理大致了解即可。燃油车是由发动机直接带动，但是纯电动车是没有发动机这个模块的，所以需要一个电机模块，来直接驱动压缩机。

此外这个压缩机，我个人觉得一定程度上，可以理解为一个泵，是冷煤在环路（冷凝塔+管道+电子膨胀阀+蒸发器之间流动，动力本质的来源）

• Chiller（过冷器）是连接 "冷媒系统" 和 "冷却液系统" 的热交换器：冷媒与冷却液在这里进行热量交换，比如让低温冷媒给冷却液降温（再用低温冷却液去冷却电池），或在热泵模式下回收冷媒的热量来加热冷却液，是实现 "跨系统换热" 的核心节点。

• 核心节点，必然存在一定的技术壁垒，上文说过电池最佳工作温度是20℃-40℃之间，电控的工作温度（80-95℃）和电池的工作温度（20-40℃）差异大，如何设计才能让不同的流路达到合适的温度。

• 第二个难点在于，冷媒和冷却液如何实现热交换，才能实现都能达到目标温度。

• 以上两个问题，都需要根据实车和不同环境温度下，执行大量的标定数据才能实现系统稳定的运作，这些标定数据，也是主机厂或者对应供应商核心的数据。

Chiller（过冷器）的核心是 "连接冷媒与冷却液两个差异极大的系统"，其技术难点集中在 "跨系统适配、多工况兼容、可靠性" 等维度；目前该技术已成为中高端新能源车的标配，并向 "高效集成化" 方向升级。

一、Chiller 的核心技术难点

Chiller 要同时适配 "高压相变的冷媒系统" 和 "低压单相的冷却液系统"，且需应对车辆复杂的工况，核心难点包括：

1. 跨系统换热的效率与特性匹配

冷媒是相变流体（也就是状态会变化） （工作时会 "液变气 / 气变液"，伴随大量潜热交换），而冷却液是单相流体（状态不会变化）（仅靠温度变化换热，显热交换），两者的换热特性差异极大：

• 冷媒的温度、压力波动大（比如制冷时冷媒是低温低压气液混合，制热时是高温高压气态），冷却液则是稳定的中温低压液态；
• 要让两种流体高效换热，需精准设计流道结构（比如冷媒走微通道 、冷却液走扁管），同时匹配两者的流量、流速 ------ 若匹配不当，会出现 "冷媒已经相变完成，但冷却液还没达到目标温度" 的低效情况。

2. 多工况下的自适应换热能力

新能源车的热管理有至少 5 种以上工况（电池散热、电机散热、空调制冷、空调制热、电池预热），Chiller 在不同工况下的 "换热方向、负荷" 完全不同：

• 制冷工况：Chiller 要让低温冷媒给冷却液降温（再用低温冷却液冷却电池）；
• 热泵制热工况：Chiller 要让高温冷媒给冷却液升温（再用热的冷却液给电池预热 / 车内供暖）；
• 这种 "双向换热 + 负荷波动" 要求 Chiller 的流道、结构能适应不同工况，避免某一工况下换热不足（比如制热时热量传不过去）。

3. 高压与低压系统的密封 & 耐压可靠性

冷媒系统是高压系统 （工作压力通常 15-30bar），冷却液系统是低压系统 （工作压力仅 1-2bar），Chiller 内部需同时承受两种压力，且不能泄漏：

• 车辆行驶中会持续振动、颠簸，Chiller 的密封结构（比如接头、焊缝）要长期耐受 "高压差 + 振动"，一旦泄漏，要么冷媒跑光（制冷失效），要么冷却液混入冷媒系统（损坏压缩机）；
• 早期 Chiller 常出现密封老化泄漏的问题，现在需用激光焊接、摩擦搅拌焊等工艺，搭配耐高压的铝合金材料，才能解决长期可靠性。

4. 紧凑空间下的轻量化与高换热面积

新能源车的底盘 / 机舱空间有限，Chiller 需在小体积内实现大换热面积（否则换热效率不够），同时要轻量化（不能增加太多车重）：

• 传统的 "壳管式 Chiller" 体积大、换热面积小，已被淘汰；现在主流的 "微通道 Chiller" 通过细密的铝合金流道（比如 0.5mm 宽的微通道），在巴掌大的体积内实现数平方米的换热面积，但微通道的加工精度要求极高（易堵、易变形）。

5. 多部件协同的控制逻辑复杂度

Chiller 的换热效果依赖压缩机、水泵、电子膨胀阀等部件的协同控制：

• 比如电池散热时，需同时调节 "压缩机转速（控制冷媒流量）、水泵转速（控制冷却液流量）、电子膨胀阀开度（控制冷媒压力）"，才能让 Chiller 的冷媒侧温度刚好能把冷却液降到目标值；
• 若控制不精准，会出现 "冷却液降温不足（电池过热）" 或 "冷媒过度节流（浪费能耗）" 的问题，需要复杂的算法匹配不同工况。

二、当前 Chiller 的技术发展阶段

目前 Chiller 已从 "单一换热部件" 升级为 "热管理系统的核心集成节点"，处于成熟普及 + 高效集成的阶段：

1. 基础应用：成为中高端新能源车的标配

• 现在特斯拉 Model 3/Y、比亚迪汉 EV、小鹏 P7 等车型，均标配微通道式 Chiller，换热效率比早期产品提升 30% 以上，体积缩小 40%；
• 低端车型（比如微型代步车）可能用简化版板式 Chiller，但也能满足基础的跨系统换热需求。

2. 技术升级：向 "集成化、多合一" 发展

• 主流趋势是将 Chiller 与冷凝器、蒸发器、PTC集成，形成 "多合一热管理模块"（比如比亚迪的 "八合一热管理系统"），减少管路接头（降低泄漏风险），同时节省空间；
• 部分高端车型采用 "可变流道 Chiller"：通过电控阀门切换内部流道结构，在制冷 / 制热工况下分别使用最优流道，换热效率再提升 20%。

3. 材料与工艺：高压轻量化成为主流

• 材料上用铝合金微通道结构：既满足冷媒系统的高压要求（耐受 30bar 以上压力），又实现轻量化（比传统铜制 Chiller 轻 50%）；
• 密封工艺用激光焊接 / 摩擦搅拌焊：替代传统的橡胶密封，解决车辆长期振动下的泄漏问题，使用寿命可达车辆全生命周期。

4. 控制：智能化自适应算法普及

• 现在的 Chiller 配合车载热管理 ECU，能根据实时工况（电池温度、电机温度、环境温度）自动调节冷媒 / 冷却液的流量、温度，实现 "按需换热"；
• 比如冬季热泵制热时，Chiller 会优先回收电机余热，再用冷媒补热，最大化节能效果。

简单说：Chiller 已经不是 "新技术"，而是新能源车热管理的 "标准核心部件"，当前的发展重点是 "更小体积、更高效率、更集成化"，进一步提升热管理系统的可靠性与节能性。

要不要我帮你整理一份主流 Chiller 结构类型（微通道 / 板式 / 壳管式）的性能对比清单？

• PTC（加热器） 全称 "正温度系数加热器"，是一种通电即发热的部件。主要用于低温环境下给冷却液 / 车内空气加热：比如给电池预热（让电池达到工作温度）、提供车内暖风（非热泵车型的主要制热方式），优点是加热速度快，缺点是耗电较高。

PTCPTC 热敏电阻"------ 这是一种特殊的半导体材料,即温度越高电阻越大，初学者可以认为是和"热得快烧开水一样的原理"

但是PTC自带 "温度保护"，到了上限温度会自己 "降功率"，不会过热，安全性和可控性比热得快强多了。至于原理初中物理知识就能解释，P=UI=I^2R=U^2/R,

它和 PTC 车型的核心区别是：

热泵车型和传统燃油车在空调系统上有哪些区别？

对比说明热泵车型和PTC车型在不同环境温度下的续航表现

现在主流的新能源车（尤其是中高端车型，比如特斯拉 Model Y、比亚迪汉 EV、小鹏 P7 等）基本都是热泵车型，就是为了改善冬季续航的 "短板"。

• 热泵 是一种高效的 "双向热管理装置"，通过冷媒循环实现**"热量转移"**：制冷时，把车内 / 电池的热量转移到车外；制热时，把车外空气（或电池、电机的余热）转移到车内 / 电池。相比 PTC，热泵的能耗更低，是新能源车提升冬季续航的关键部件。

• "热泵车型"，就是车辆的空调 / 热管理系统采用了 "热泵" 技术的车型------ 核心是靠 "搬运热量" 来实现制热 / 制冷，而非像 PTC 那样 "用电直接烧出热量"，是新能源车提升冬季续航的关键配置之一。

  用大白话解释它的逻辑：热泵相当于一个 "热量搬运工"：

• 冬天制热时：它会从 "车外空气、电池 / 电机的余热" 里，把分散的热量 "搬运" 到车内（哪怕车外是 - 10℃，空气中也有少量热量可搬）；

• 夏天制冷时：则反过来把 "车内的热量" 搬运到车外（和普通空调制冷逻辑一致）。

• PTC 车型：制热靠 "用电直接发热"（像电暖器），耗电多，冬天开暖风会让新能源车续航大幅缩水；

• 热泵车型：制热靠 "搬热量"，能耗只有PTC 的 1/3左右，能明显减少冬季续航的损耗（比如同样开暖风，热泵车型续航可能只少 20%，PTC 车型可能少 40%）。

3、第一代/基础架构：独立回路阶段

在早期的新能源车型（及部分低端车型）中，热管理系统通常是割裂的，这在系统框图上表现为**"互不干扰"的三个独立系统**。

1. 电池冷却回路： 依靠Chiller（利用冷媒制冷）给电池冷却液降温。
2. 电机散热回路： 依靠前端散热器（风扇吹拂）散热。
3. 空调制热/制冷回路：
   • 制冷：压缩机+冷凝器+膨胀阀+蒸发器（常规空调循环）。
   • 制热：单纯依靠PTC（电加热器）加热冷却液，再通过暖风水箱吹热风。

专业视角的缺点分析：

• 能量浪费： 电机产生的热量直接排向大气，而电池或座舱可能正需要热量，导致冬天续航腰斩。
• 部件冗余： 多个水泵、多个膨胀阀，重量大，管路复杂，泄露风险高。
• 控制滞后： 各ECU独立控制，无法实现"削峰填谷"的能量最优分配。

4、进阶架构：热泵与简单耦合

为了解决冬季制热能耗过高的问题，**热泵系统（Heat Pump）**开始引入。此时的系统框图开始出现"耦合"迹象。

• 变化点： 增加了"板式换热器（PHE）"或"气液分离器"。
• 工作逻辑： 热泵系统不再仅仅依赖PTC，而是尝试从环境中吸取热量（即使在冬天），或者利用电机的余热，通过制冷剂循环，将热量"搬运"到座舱或电池。
• 局限性： 虽然引入了热泵，但电池、电机、座舱之间的热量交互仍然不够灵活，通常需要多个阀门协同动作，控制逻辑复杂但效率提升有限。

4、前沿技术：高度集成与多源热利用（以特斯拉、华为等方案为例）

目前行业最先进的热管理系统（如特斯拉的"四代机"、华为的"DriveONE"、比亚迪的"冷媒直冷直热"等）已经演变为**"全域热管理平台"**。

其核心特征是：一个大脑（中央计算）、一个中心（集成阀岛）、多热源互补。

1. 系统框图核心：集成阀岛（Super Valve按照英文原意翻译，是超级阀）

这是现代热管理系统框图中最显眼的部件。取代了传统的多个独立三通阀、四通阀，采用八通阀（Octo-valve）甚至十二通阀。

• 功能： 通过改变阀芯位置，控制冷却液的流向。
• 效果： 实现"电机余热回收给电池加热"、"电池冷却与电机散热同时进行"、"利用压缩机废热除霜"等多种复杂模式。

2. 关键技术方案详解

A. 电机堵转加热（特斯拉首创）

• 场景： 极寒天气（-10℃以下），电池太冷无法输出大电流，PTC加热又太费电。
• 原理： 系统框图中会切断电机对外散热的通路，让电机处于"堵转"状态（通电但不让转），利用电机铜线圈自身的大电阻产生高温热量，通过冷却液循环给电池包快速加热。
• 专业价值： 利用电机自身作为"加热器"，效率远高于PTC。这里必须要说明的是，这里的堵转是有条件的堵转，和我们一般理解的堵转，还是不一样的。对电机和电池的不良影响有限

B. 制冷剂直接冷却与加热（Direct Cooling/Heating）

• 电池直冷/直热： 跳过冷却液介质，让制冷剂管道直接接触电池模组。
  • 优势： 换热效率极高，温控更精准，结构更紧凑。
  • 挑战： 对管路密封性要求极高，维修难度大。
• 冷媒过冷技术： 利用电池冷却回路（Chiller）对空调系统的液态冷媒进行"过冷处理"，提升空调系统的COP（能效比），让夏天制冷更省电。

C. 双蒸发器/双冷凝器架构

• 目的： 实现"除霜不降温"。在冬天给车窗除霜时，系统可以切换到专门的除霜冷凝器（即是冷风），同时保证吹向乘客脚部的风仍然是热的。

5、典型工况的系统框图逻辑推演

为了让你更直观地理解，我们通过几个典型场景，模拟一下冷却液和冷媒的"流向"。

场景一：冬季冷启动（电池冷、电机冷、人冷）

• 目标： 快速提升电池温度，同时给座舱供暖（即，开空调）。
• 框图逻辑：
  1. 电机堵转/PTC启动： 产生热量。
  2. 集成阀动作： 切断电机散热器通路（即开启空调），将热量导向电池包和座舱暖风水箱。
  3. 热泵介入： 压缩机做功产生的废热也通过换热器导入冷却液循环。

场景二：高速行驶（电机热、电池温、人舒适）

• 目标： 散掉电机多余热量，回收利用部分热量。
• 框图逻辑：
  1. 电机散热： 冷却液流经电机，带走热量。
  2. 余热回收： 部分热量通过Chiller或PHE预热电池（如果电池温度偏低），多余热量通过前端散热器排向大气。
  3. 座舱： 如果需要制冷，空调压缩机独立运行。

场景三：直流快充（电池极热、电机停机）

• 目标： 极速给电池降温。
• 框图逻辑：
  1. 最大制冷功率： 空调压缩机全负荷运转。
  2. Chiller全开： 制冷剂全力蒸发吸热，冷却电池冷却液。
  3. 切断干扰： 集成阀切断与座舱、电机的连接，所有冷却能力集中供给电池。

未来趋势：智能化与新材料

站在2025年的时间节点，热管理技术的下一个突破点在于：

1. CO₂（R744）热泵技术： 传统的冷媒在极寒环境下制热效率骤降。CO₂冷媒在-30℃下仍能保持较高的COP值，是解决北方寒冬续航的终极武器，但系统需承受极高的压力（跨临界循环）。COP**"性能系数（Coefficient of Performance）" 的缩写COP（制热） = 热泵输出的热量 ÷ 消耗的电能，也就是这个值越大，说明我们的系统就越好。**
2. AI预测性热管理： 结合导航数据、天气API、用户习惯，系统提前在服务区预热/预冷电池，或者利用谷电时段预存"冷量/热量"。
3. 车-桩热交互： 快充时，充电桩直接提供冷却液循环接口，利用电网的电来驱动冷却，减轻车载系统的负担。

总结

对于专业人员而言，看懂热管理系统框图的关键在于**"追踪热量的源头与去向"**。

从最初的**"各自为战"** ，到现在的**"八通阀统一调度"** ，再到未来的**"CO₂跨临界循环"** ，新能源热管理的本质是在做一道**"最大公约数"**的数学题：如何用最少的电（PTC/压缩机），换取最大的热量收益（利用电机废热、环境热量），从而最大程度地保障续航里程和电池寿命。