摘要：自从《<；蒙特利尔议定书>基加利修正案》签订并实施以来，削减当量碳排放、有效延缓全球变暖成为各个行业的热门话题.新能源汽车的快速发展也标志着交通领域的能源结构变革.不过，新能源车目前仍存在安全隐患、里程焦虑、热管理工质温室效应等瓶颈问题，这也从“节能”与“环保”两个方面对车辆热管理行业提出了更高级、更精准的要求.从节能角度来说，本文总结了热管理系统从常规单冷空调技术到热泵空调技术的系统架构转变与实现形式升级，达到了在冬季制热条件下节省大量正温度系数热敏加热器(positive temperature coefficient,PTC)能耗的目的；同时，展示了一体化热管理新概念与各种智能优化控制算法的结合，使乘员舱、电池、电机、电控部分的综合热管理持续向着性能更优、能耗更小的方向演化.另一方面，新能源汽车热管理系统目前仍广泛使用HFC(hydrofluorocarbon)类强温室效应气体(如R134a与R407C)作为制冷剂.从环保角度出发，本文介绍了几种较为热门的环保型制冷剂替代方案，如CO2、R290、R1234yf等.最后，前瞻性地指出新能源汽车热管理技术将朝向“绿高效化”、“功能一体化”、“结构模块化”、“控制智能化”方向不断前进，以为我国实现碳达峰、碳中和目标作出重要贡献.
关键词：碳中和，新能源汽车，一体化热管理，优化控制算法，制冷剂绿替代
据统计，交通运输领域碳排放量占整个经济社会碳排放总量的30%左右，并仍保持高速持续上涨趋势.一方面，电动车具有巨大的储能作用，可以削峰填谷.目前我国乘用车保有量约3亿，如果全部换成电动车，每
辆车平均电量为65kW h，则车载储能容量约为200亿kW h，与中国每年消费总电量基本相当.若其中10%的车辆同时按50kW充电，则总功率与全国电网装机功率相当.电动车的发展对不稳定、不持续的新能源电力具有重要的促进作用，对碳达峰、碳中和目标具有重要意义.另一方面，仅就车辆热管理领域而言，目前乘用车大量使用的氟利昂类制冷工质具有高温室效应，按照一辆乘用车热管理系统充注R134a约0.7kg计算，全国车辆的当量碳含量约为2.8亿吨，因此，在碳中和背景下，车辆热管理系统的低碳化技术研究至关重要.
面向能源安全及气候变化等多方面的挑战，车辆(包含乘用车、商用车及轨道车辆)的新能源化已成为肩负未来出行、产业发展、能源安全、空气质量改善等多重历史使命的国家战略.目前，全球累计销售新能源汽车超过1100万辆，截至2020年12月，我国新能源汽车销售量已超550万辆，且仍保持快速上涨的趋势，市场需求急剧上升.从热管理技术角度来看，通过制冷及热泵技术的完善，发展车辆绿低碳热管理方法，提升热管理效率，提高电池、电机的温度控制精度，创造更舒适的车内环境，成为打造我国乃至全球范围内更安全、舒适、节能、环保的未来新能源汽车最重要的环节之一.
在制冷领域，自从《<；蒙特利尔议定书>基加利修正案》签订并实施以来，削减当量碳排放、有效延缓全球变暖成为制冷行业最热门的话题.而国际制冷学会的调研指出，全球制冷行业造成的当量碳排放(或全球变暖效应)中37%来自各
种含氟制冷剂的泄漏，另外63%来自运行过程的电能消耗.这意味着，削减制
冷行业当量碳排放只存在两条基本路线：强温室效应制冷剂的替代与制冷系统能效的提升.汽车氟利昂
在新能源汽车热管理产业中，目前广泛应用的HFC(hydrofluorocarbon)制
冷剂具有极高的温室效应指数(global warming potential,GWP，通常为CO2
的1000~2000倍)，环境效益不佳.另外，考虑到新能源汽车中发动机余热的缺失，常规制冷系统冬季需切换为热泵模式运行，供给车辆制热需求，但HFC制冷剂在低环境温度工况下(−10°C以下)通常会出现强烈的制热量衰减，需要配合PTC(positive temperature coefficient，相当于电加热)共同使用，能效指数较低.据国际制冷学会统计，为应对全球人民日益增长的生活需求，全球在运营中的制冷设备已超过50亿套，其中移动式车载空调(包括乘用车、商用车及客车)超过10亿套，产业基数已达到家用空调的数量水平.因此，对于目前广泛应用的HFC制冷剂及其系统来说，从节能(能效大幅提升)和减排(强温室效应气体排放量削减)两个方面发展交通运输领域相关制冷及热泵技术，促进车辆热管理行业的技术升级与绿发展，打造电动、清洁的出行方案，对于我国实现“2030碳达峰、2060碳中和”的伟大目标具有重要意义.
01新能源汽车热源分布及热管理需求
近年来，新能源汽车行业在全球范围内的发展如火如荼，但依旧面临续航里程不足、安全事故频发等诸多问题.相比于传统燃油车，新能源汽车行业对整车热管理系统提出了更加精细、严格的要求.
1.1新能源汽车车室热负荷
在常规运行状态下，新能源汽车(乘用车、商用车及轨道车辆均包含在内)的热负荷主要来自5个方面：新风热负荷、围护结构热负荷、车内人员热负荷、太阳辐射热负荷、车内设备热负荷.制冷及制热条件下的车厢热负荷计算方法为
1.2动力电池的产热特性与热管理需求
目前常用的新能源汽车电池通常为锂电池，其充电与放电的实质是锂离子的迁移过程.充电时，电池正极生成锂离子，经电解液运输穿过隔膜到达负极，嵌入负极碳层中.整个过程中的正极反应、负极反应及等效电池反应如式(3)~(5)所示.伴随着快充技术的普及，电池充电过程中能量密度急剧上升，亟需良好的热管理手段进行干预，否则存在较大的安全隐患.
类似地，电池放电时，锂离子从负极脱出，再运动回正极，过程中同样伴随着欧姆热、电化学反应热和极化热等现象，也必然引发电池温度上升.电池产热模型一般可分为电化学-热耦合模型、电-热耦合模型和热滥用模型.目前最常用的电池产热模型为Bernardi等人的产热率模型:
电池温度过量上升将带来电解液分解、负极热分解、膜分解反应、正负极与电解液反应等异常化学变化，大大增加电池热失控及热失控蔓延风险，严重威
胁车上人员的生命安全.研究显示，锂离子电池最适宜的工作温区为20~40°C，因此除了高温运行条件下的制冷需求外，低温运行或低温启动条件下电池系统同样存在显著的制热需求.
另外，除了常用的锂电池之外，近两年间氢燃料电池发展极为迅速，但氢燃料电池适宜的工作温度范围为60~90°C，过低或过高的温度同样会造成电池性能的衰减甚至严重的安全隐患，其使用过程中更加需要妥善的热管理措施进行监管.
1.3电动机、电控部件的产热特性及热管理需求
驱动电机及其电控系统是新能源汽车最主要的动力来源，也是车内最核心的部件之一.电机工作过程中会产生大量机械损耗(各种机械部件之间的摩擦)与电磁损耗.电机电磁损耗的精确计算需要用到有限元分析法，但实际中通常采用空载实验法进行测试.
新能源汽车中的电控系统通过半导体、微处理器等器件实现对车用空调压缩机、阀件、转向助力泵电机等进行调控的功能.电机控制器和直流转直流(direct current to direct current,DC-DC)元件是产热的主要来源，例如绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar translator,IGBT)元件的平均热损耗率为5%
02新能源汽车热管理系统实现方案的发展
2.1系统实现形式
汽车车室空调主要目标是保障乘员的舒适性以及挡风玻璃的安全性.其主要包含以下4种功能:(1)采暖和制冷功能;(2)过滤、通风和换气功能;(3)湿度控制与调节功能;(4)除雾与除霜功能.
汽车车室空调的实现形式主要有直接式、间接式、半直接式等.直接式空调的前端模块以及空调箱均与空气直接换热，而半直接式和间接式则有部分或全部换热器采用载冷剂二次回路的实现形式.直接式空调一般效率高，而间接式空调制冷剂的侧系统构造简单，且可以防止制冷剂向乘员舱泄漏引发安全隐患，适用于可燃、微可燃型工质系统.关于间接系统，有学者提出采用冰蓄冷的方式提升二次回路式车室空调系统降温过程的功耗以及达到车室舒适条件的时间,
但考虑到二次回路本身成本、重量的增加以及性能上的损失，这种循环方式在车
辆应用领域的推广程度始终不高.具体的实现形式因车型及需求不同有所变化，本文不再赘述.
2.2热管理系统一体化进展
在传统燃油车中，由于冬季可以采用发动机余热进行供暖，因此车室空调仅考虑夏季制冷应用即可.但对于纯电动汽车而言，发动机余热的缺失导致车辆冬季供暖需求尤为紧迫.目前主流的供热方式有高压电加热和热泵供热两种技术.根据冬季制热方式，目前的新能源汽车的车室空调系统可分为单冷空调加完全电加热系统、热泵空调加辅助电加热系统.考虑到新能源汽车中电池、电机与电控系统的温度同样需要精确管理，通常意义上的热管理系统应该是车室空调与三电热管理的耦合系统.
2.2.1单冷空调+PTC
单冷空调+PTC是较为简单的新能源汽车车室冷热供应方式，基本可沿用燃油车系统，是目前新能源汽车应用较为普遍的空调系统形式.其主要形式与传统燃油车较为相似，图1为单冷车室空调匹配完全电加热PTC供暖方式的系统原理图.PTC电加热的最大优点是结构与控制简单、成本较低；但加热效率永远小于1，冬季制热时需要消耗大量的电池能量，直接导致续航里程的严重衰减.PTC 电加热系统按使用方法可分为PTC风暖和PTC水暖两种形式.其中PTC风暖是电加热直接加热空气，结构简单、加热温度高，但
具有一定的安全隐患;PTC水暖方法是利用PTC模块加热冷却液，再通过冷却液加热空气，虽然安全系数较高，但系统比较复杂，加热温度也相对较低.
图1单冷空调系统加完全电加热系统.(a)PTC风暖;(b)PTC水暖
2.2.2热泵空调+PTC
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