纯电动汽车空调系统的冷源、热源和其他能源都来自电池系统。对于纯电动汽车来讲，汽车空调不仅直接影响驾驶舒适性，还影响其续航里程。
纯电动汽车的空调系统不仅要实现制冷/制热功能，而且要兼顾系统能耗，这使得其空调系统的复杂程度更高。由于动力类型的变化，电动汽车空调使用的电动涡旋压缩机价值量和容积效率相比传统压缩机有明显提升。目前，电动汽车主要采用PTC加热器进行采暖，冬天严重影响续航里程，未来有望逐步应用制热能效比更高的热泵空调系统。
纯电动汽车的电动空调系统
安全性目标为关键目标；动力性与续航能力目标为次级目标，决定了产品的核心竞争力；舒适性与耐久性目标为三级目标，对整车市场有重要影响。
冷却温度限值
新能源汽车热管理系统需要满足车室空调（制冷、制热、除雾等）、电池组温控、电机及控制器散热等要求。基于车辆的综合能量管理以及紧凑性、轻量化的要求，汽车热管理系统正逐步向一体化整车热管理形式发展。
广义汽车热管理系统主要包括发动机冷却系统、空调系统和电池热管理系统等。功能上将其分为动力舱热系统和座舱热系统两大组成部分，有发动机循环、空调循环和中冷循环三大循环。发动机冷循环总体较为简单，包括发动机、散热器、节温器、水泵；空调循环主要零部件为冷凝器、压缩机、膨胀阀等；增压中冷系统的作用是提高发动机进气量以提升发动机的动力特性，问题是增压器增压后的空气的温度很高，直接进入发动机会加速发动机内润滑油的老化，需要中冷器降低进气温度。
（1）空调系统：传统燃油车空调系统是发动机驱动压缩机工作，而新能源汽车只能采用电动压缩机；燃油车制冷过程空调与发动机相对独立，而新能源汽车的三电冷却系统联系紧密，一般电池冷却系统与空调系统共用冷源；燃油车制热过程是通过发动机作为热源，采用水泵驱动水循环制热，新能源汽车目前大多采用电加热，未来趋势是能效更高的热泵空调系统。 （2）电池热管理：动力电池最佳工作温度范围为20～30℃，低温时电池容量较低，充放电性能差；高温时电池循环寿命会缩短·过高温度工作甚至会出现爆炸等安全问题。多个电池单体通过串并联方式组成电池组，在充放电时产生的热量相互影响。动力电池组保持在合理的温度范围内工作时需要复杂的电池热管理系统。 （3）电机及电控系统热管理：新能源汽车的电机及电控等功率件工作时散热需求较高，通常需要主动冷却，这一类部件往往也只需要冷却装置。
车室空调系统
车室空调系统的主要功能是维持一个舒适的热湿环境。汽车空调主要有以下四种功能： 1、空调系统的采暖和制冷功能，对车室内空气或由外部进人车室内的新鲜空气进行加热或冷却，将车厢内温度控制到保证乘员舒适的水平。 2、空调系统的过滤空气和通风换气功能，可以排除空气中的灰尘和花粉，又可以吸入新风，保证车内空气的清新度。 3、空调系统的湿度自动控制功能，干燥空气，吸收人体汗液，使车内相对湿度保持在50％、70％，给乘员舒适的环境。 4、空调系统的除雾除霜功能，通过空调出风清除前挡风玻璃因车内温差大而产生的雾或霜，为驾驶员提供清晰的视野，保证安全驾驶。
汽车空调系统
总体来说，汽车车室空调制冷系统均由“压缩机一冷凝器一膨胀阀一蒸发器”四大件式蒸汽压缩式制冷剂循环系统和空调风系统组成。制冷剂循环系统包括压缩机、冷凝器、储液干燥器、膨胀阀、蒸发器、调节阀、管路和制冷剂等，空调风系统包括风道、风机、空气过滤器、调节风阀、新风口、回风口、送风口等，其功能是对车厢内的空气进行降温、升温及挡风玻璃的除霜防雾。
蒸汽压缩式制冷循环系统工作原理。低温、低压的气态制冷剂经压缩机压缩成高温、高压的气态制冷剂排出后，经密闭的管路进人车外换热器（冷凝器），在冷凝器中经过散热冷凝成中温、高压的液态制冷剂后流入贮液干燥器内进行干燥、过滤，再经过膨胀阀节流降压后变成低温、低压的制冷剂进人车内换熟器（蒸发器），在蒸发器内吸收热量后蒸发成低温、低压的气态制冷剂重新进人压缩机，开始下一个循环。车外换热器充当冷凝器，车内换热器充当蒸发器，对车室空气进行降温，以达到制冷的目的。
蒸汽压缩式制冷循环系统工作原理
对于纯电动汽车，动力电池是唯一的能量来源，其发热量不足以满足车室供热需求·如何制热是纯电动汽车空调系统最大的问题。主流两大技术PTC加热和热泵空调。
PTC加热
常用的电加热方式为高效PTC(PositiveTemperatureCoefficient）热元件加热。PTC是利用BaTiO2材料热敏电阻的正温度系数特性开发出的加热元件，PTC具有正温度系数，即材料电阻随温度升高而增加。当PTC加热器作时，电阻随着温度的升高而增加，加热功率随之减小，导致温度下降，电阻减小。当电阻减小时，加热功率增大，温度升高，从而保持自身温度维持在设定值。
PTC电加热系统的优点是结构简单，仅需在传统燃油车空调系统上进行略微调整即可，成本较低；缺点是热效率小于1，需要消耗大量的电能用于满足车室供热需求，会导致电动汽车冬季续航里程衰减严重。
电加热系统（风䁔与水䁔）
蒸汽压缩式热泵系统
蒸汽压缩式热泵系统在传统蒸汽压缩式制冷循环的基础上，通过四通换向阀的双换热器系统或者三通阀的三换热器系统进行制冷和制热运行模式的切换，从而满足电动汽车车室的夏季制冷和冬季供热需求。
蒸汽压缩式热泵系统
乘用车空调目前主要采用三通阀的三换热器系统，通过电动二通阀或电动三通阀实现制冷、制热、除湿和蒸发器除霜模式的切换，夏季制冷（冬季蒸发器除霜）工况时，由压缩机、车外换热器（冷凝器）、制冷膨胀阀、车内换热器（蒸发器）和气液分离器构成循环；冬季制热工况时，由压缩机、车内换热器（冷凝器）、制热膨胀阀、车外换热器（蒸发器）和气液分离器构成循环；除湿工况时，空调风系统先经过车内蒸发器降温，将空气中的水蒸汽凝结排出，再经过车内冷凝器加热回温后送回车室内，达到除湿的目的。
常用于电动汽车的蒸汽压缩式热泵根据其功能可分为直接式热泵系统和间接式热泵系统。 在直接式热泵系统中，车内换热器（冷凝器）取代了传统的暖风芯体，来自压缩机排气的高温高压制冷剂与舱内循环空气进行热量交换。因此，整个系统的高压将直接受风量、风温、压缩机转速和电子膨胀阀开度影响，灵活可调。
直接式热泵系统
间接式热泵系统
蒸汽压缩式热泵系统主要技术问题和发展方向
喷射补气式热泵系统
随着环境温度的下降，热泵系统内压缩过程的不可逆损失增大和质量流量下降，其制热量也严重下降。虽然可通过现有的变频技术增大压缩机输气量以提升制热量，但随着压缩机的压比增大会导致COP的下降且排气温度迅速上升。喷射补气式热泵系统通过压缩机的压缩腔内部的制冷剂喷射，以提高压缩过程中的制冷剂循环量，降低压缩机排气温度，有效提升低温环境下的系统制热性能。喷射补气式热泵系统最常用的两种形式为带经济器（中间换热器）的喷射补气式热泵系统（多用于乘用车）和带闪发器的喷射补气式热泵系统。
喷射补气式热泵系统
电动汽车喷射补气式热泵系统示意图
余热回收式热泵系统
余热回收式热泵系统是在上述的热泵（包括喷射补气式热泵）系统的基础上增设一个余热回收通道用于回收电池、电机以及控制器等部件的废热，用于增大热泵系统的制热量和供热效率。回收的热量可以通过两种方式耦合到系统中：一种是用这部分热量直接对空气进行加热，另一种是与热泵系统内的冷媒进行耦合。
并联式余热回收热泵系统即在系统中增设一个支路，使余热回收换热器与车外换热器并联。制热工况下，制冷剂在车内冷凝器中被冷凝后分作两路，一路经膨胀阀节流后流向车外换热器中同环境中的低温空气换热，另一路经膨胀阀节流后流向余热回收换热器中同载冷剂进行换热，而后两条支路汇人系统中。并联式余热回收系统两个支路分别通过两个膨胀阀进行调节，其两个支路的耦合影响较复杂，对控制策略要求较高。
并联式余热回收热泵系统
串联式余热回收热泵系统即在气液分离器前增设一个余热换热器，使余热换热器串联接人系统中。与并联式热泵系统比较，串联式余热回收热泵系统更简单，但缺点是系统阻力明显增大，对系统的影响较大.
串联式余热回收热泵系统
带排风热回收的热泵系统冬季供䁔示意图
几种电动汽车空调系统对比
电池系统热管理技术
如果电池的散热速率小于内部产热速率，电池温度升高，可能会引发热失控，出现漏液、放气、烟等现象，严重 时电池会发生剧烈燃烧甚至爆炸。下表所列为在一定温度范围内，锂离子电池内部能够发生的热行为，这些放热反应是导致电池不安全的因素。因此，降低锂离子电池温度对电池的热安全至关重要。
当动力电池在安全的温度范围（-46～66℃）运行时，温度过高或者过低都不利于动力电池的性能发挥。若温度过高，则电池内阻减小，电池效率提高，但同时又会加快电池内部有害化学反应速率，缩短其循环寿命。若温度过低（如低于0℃），由于电解液受冻凝固等原因，电池的充放电能力都会下降。当冬季气温低于-20℃时，电池基本不能放电或者放电深度较浅。因此，一般来说锂离子动力电池的最佳工作温度范围是25～35℃。
电池在充放电过程中的产热量主要分为反应热、极化热、副反应热与焦耳热四个方面，产热量受充放电过程中的电化学过程影响很大，电化学过程的总热效应通常通过测量来获得。如果通过实验测得电池在工作时间内的总产热量为Q，则电池的平均产热速率q=Q/t；也可能用模型计算，
q=I*[(Uoc-U)-T*dUoc/dT]，式中I中为电流（放电取正、充电取负）；Uoc为开路电势；U为电池端电压；T为 温度。q为平均产热速率。
为了简化计算，也可以用下面的方法分别计算出反应热qr、极化热qp、副反应热qs、焦耳热qj，最后相加得到总的产热率。 1、反应热qr， 一般来说，在充电时，化学反应会吸收热量，需取负值，而放电时化学反应会放出热量，需取正值，反应热可以由下式计算：qr=（Q1*I）/（n*F）。式中，qr，为反应热，J／s；Q1为电池的总反应热，J/mol,I为电池电流，A ；n为反应级数，取1或2；F为法拉第常数，9.6485×10^4C/mol。 2、极化热qp 电池会因负载电流的通过而发生极化，在极化过程中就会产生热量，在充放电过程中这部分热量均取正值。极化热可由下式计算：qp=Rp*I^2 式中，qp为极化热,J／s；Rp为PACK极柱热阻，欧；I为电池电流，A。 3、副反应热qs 电池内存在着副反应，典型的副反应是电解液的分解和自放电。副反应热一般比较小，可以忽略。 qs=（Q2*I）/（n*F）式中，qs为副反应热J/s;Q2:为电池副反应热，J/mol;l为电池电流，A。 4、焦耳热qj, 焦耳热主要由电池内阻产生，电池内阻主要包括电子内阻（包括导电极耳、集流体、活性物质间的接触电阻）和电解质的离子内阻（含电极与隔膜），内阻焦耳热在电池充放电过程中始终为正值，该部分热量是电池充放电过程中生热量的主要部分。焦耳热可用下式计算：qj=Re*I^2。式中，qj为焦耳热，J/s；Re为电池内部热阻,欧。 因此，一个电池总产热率可以表示为q=qr+qp+qs+qj。
动力电池的热管理系统，简而言之就是通过冷却或加热方式对电池系统进行温度控制。电池温度控制对电池性能有很大影响，具体表现在：在电池温度较高时进行有效散热，防正产生热失控事件；在电池温度较低时进行预热，提升电池温度，确保低温下的充电、放电性能和安全性；减小电池组内的温度差异，抑制局部过热现象，防止高温位置处的电池过快衰减而降低电池组整体寿命。热管理系统需要解决电池在温度过高或者过低情况下的热失控、不能深度放电的问题，提升电池整体性能。锂离子动力电池的最佳温度范围为20～40℃，当电池工作在较低温度时，电池的容量会随着温度的降低产生衰减，其充放电性能与寿命也会受到较大影响。因此，温度不仅影响电池的循环寿命、行驶里程、充电时间，还影响电池系统的一致性、安全性及可靠性。电池热管理包括冷却和加热双向温控系统，主要功能包括散热、预热以及温度均衡三个主要功能。散热和预热主要针对外部环境温度对锉离子电池可能造成的影响进行相应的调整：温度均衡用于减小悝离子电池组内部的温度差异，防止某一部分锂离子电池过热造成的性能快速衰减。
三种电池冷却方式对比
直冷：即制冷剂直接冷却系统，利用制冷工质的相变制冷带走热量。制冷剂通过蒸发快速高效地带走电池系统的热量，从而完成对电池系统的冷却作业，相比冷冻液而言换热效率可提升3倍以上。
相变材料（PCM）冷却：相变材料在吸热放热过程中，系统温度比较平稳，可以达到近似恒温的效果。在实际应用过程中，整个电池组浸渍在相变材料中，当电池组放热时，相变材料会吸收热量从而降低电池温度，热量以相变热的形式存储在相变材料中。配合二次散热措施可以有效控制电池温度，在电池需要冷却时可缩短电池处于高温的时间，有效防止热失效的发生。通过相变材料在相变过程中的潜热在电池升温时吸收电池的热量，减少单体电池之间温度差。相变材料主要包括：有机类、无机类、混合类。相变材料的优点为体积变化小，相变潜热较大，相变温度恒定；缺点为热导率低，散热速度慢。
热管冷却系统：热管是依靠封团管壳内工质相变来实现换热的高效换热元件，一般由管壳．管芯和工质组成．其优点为高导热、等温、热流方向可逆且热流密度可变；缺点是成本较高。典型的热管冷却系统有电子器件冷却平板热管、高效反重力平板热管。
各种电池冷却主案的性能对比
动力电池的加热技术主要有电加热膜、PTC、高乐电加热系统HVH热层技术等若干种加热技术。 电加热膜一般由电阻丝、绝缘包覆层、引出导线和接插件组成，安装位置有单侧安装、双侧安装、底部安装和间隙安装。 PTC加热器：PTC正温度系数，即材料电阻随着温度升高而增加。当PTC加热器工作时，电阻随着温度的升高而增大，加热功率随之减小，导致温度下降，电阻减小。当电阻减小时，加热功率增大，温度升高，从而保持自身温度维持在设定值。PTC加热器主要由PTC元件、导热金属板和引出导线组成。 高压电加热系统HVH热层技术：高压电加热系统HVH比PTC加热器更为紧凑，该技术采用热喷涂方法将电隔离层、热层和传感器元件涂覆在铝质热交换器上。该技术的优点如下：覆层的总厚度大约为0.7mm，与现有加热器系统相比，热层技术的热量传递速度更快；由于热阻较低，故允许更低的极限温度；具有更高的转换效率。
电机驱动系统热管理技术
风冷，水冷，油冷。
一体化热管理系统
新能源汽车热管理系统面临巨大的挑战，同时也存在很大的提升空间，为解决整车热管理系统的现有问题，需要首先明确优化目标。然而，车辆热管理问题存在多个并行、独立的方面，可以将其总结为如下五个方面： 1、安全性目标：要求更为合理地调配与控制，使得所有关键部件的温升具有较高的安全裕度。 2、动力性目标：要求提升综合温控能力和多情景应激能力，为动力需求提供强有力的保证·动力性基本由“三电”决定，而整车热管理是保障汽车“三电”系统性能的重要手段。在电机电控方面，合理控制温度，可以在允许电机在更高速、更高功率运行的情况下防止磁钢退磁和绝缘击穿；在电池方面，可以允许电池更好地控制其内部的电化学参数，增强输出能力；在电控方面，可以显著增强散热，提高逆变器承载能力，并允许更高頻电力电子元器件在车载电机驱动器中的应用。 3、续航能力目标：要求继续提升系统集成度，降低电驱动系统及其冷却部件的整体功耗以提升效率·优化空调能耗，提高效能系数，增强整车续航能力；优化电池工作温度区间，使得电池容量始终保持在较高水平。 4、舒适性目标：要求综合考虑环境变化与乘客需求，以最低能耗获取车厢舒适温度和诸多车内服务，如座椅加热、方向盘加热、车窗除雾、后视镜加热等。 5、耐久性目标：要求系统级优化温度平衡，降低电机绝缘损伤，延缓电池老化与容量衰退过程。 然而，需要注意的是，这五个综合性优化目标并非平行存在，而是具有显著的优先级关系，其中安全性目标为关键目标；动力性与续航能力目标为次级目标，决定了产品的核心竞争力；舒适性与耐久性目标为三级目标，对整车市场有重要影响。
混合动力汽车和电动汽车热管理系统组成
从系统集成和整车出发，考虑热泵空调系统、驱动电机冷却系统和动力电池冷却乃至发动机与传动系统系统，统筹系统零部件之间的热量关系，通过综合控制的方法，同时兼顾车室制冷、制热、电池温控、电机及控制器散热等全部或部分功能，可以实现整车热量的合理分配。根据车辆的行驶工况和外界环境条件，一体化整车热管理系统可以对热泵系统、驱动电机冷却系统和动力电池冷却系统进行调节，在满足车内环境的制冷/制热需求的同时，从热特性方面保护电池和电机的工作性能及使用安全，保证系统各部件均工作在最佳温度范围，进而优化整车的能源利用与分配，防止电池及电机温度过高引起的使用寿命缩短、使用性能降低以及各种安全事故等。
EV
电辅热一体式热管理系统。其工作原理为；当电池和车室都需要冷却时，采用双蒸发器系统冬季则采用电加热加热电池和车室力采用一个三通阀控制电池温度： 当三通阀在位置A时，系统为电池组提供最大加热量，保证其在低温环境时的正常启动和高效率工作； 当三通阀在位置B时，系统利用并联的蒸发器为动力蓄电池提供必要的冷量； 当三通阀在位置C时，系统利用车身前部的动力蓄电池散热器进行自然散热。
蓄热材料一体式热管理系统，采用液体工质对电池冷却或加热·采用相变材料作为储能材料。车室环境控制通过具有制冷/制热功能的热泵系统实现：夏季电池的散热采用与车室蒸发器并联的电池蒸发器；冬季利用相变材料回收电池废热．在电池需要预热时释放出来。
车室空调+电池温控并联式热管理系统
车室空调+电机冷却串联式热管理系统，系统通过布置在压缩机吸气前的电机散热器对电机进行冷却。夏季工况时，车内换热器蒸发后的低温制冷剂流经电机散热器，对电机进行降温；冬季工况时，从车外换热器流出的制 冷剂在电机散热器中进一步吸热，达到回收电机余热的目的。
车室空调+电机冷却串联式热管理系统
车室空调与电池冷却、电机余热回收结合一体式热管理系统系统回收余热时采用并联双蒸发器系统，即回收余热的板式换热器与吸收空气热量的蒸发器并联在一起，电池回路中的板式换热器2与车内换热器并联，电机回路中的板式换热器1与车外换热器并联。夏季需要对电池进行冷却时就开启电池回路，冬李需要回收余热时就开启电机回路。
车室空调与电池冷却、电机余热回收结合一体式热管理系统
HEV
对于混合动力汽车，主要发热部件如发动机、增压器、变速箱等也与燃油车存在同样的热管理需求，通过在电池和电动机上加装热回收装置回收两者产生的热量，起到冷却作用。同时，在发动机上加装余热回收装置，该装置与热泵系统相连，确保发动机余热能让热泵空调系统高效回收，并且通过四通换向阀切换工况。
HEV 一体化热管理系统图
素材来源：知乎T343625
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