《eTransportation》：Advanced thermal energy storage technologies for vehicle thermal management: emerging applications, challenges, and future prospects
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热能存储技术在车辆多部件热管理中的应用与集成研究。本文系统综述了TES技术原理、材料分类及在ICEVs和NEVs中的整合应用，重点分析TES如何协调发动机废热、电机余热与电池温度控制，提出相变材料与热化学存储的优化方案，并指出分布式向集成架构转变的研究趋势。
Kaiyue Tang|Xiao Zhang|Yihui Tang|Tingxian Li|Si Wu
中国上海交通大学机械工程学院，教育部太阳能与制冷研究中心，邮编200240
摘要
无论是传统的内燃机车辆（ICEVs）还是快速发展的新能源汽车（NEVs），都面临着多个部件热管理的挑战，这通常会消耗大量能量，从而降低行驶里程。热能存储（TES）技术不仅可以储存内燃机尾气中的热量以及新能源汽车充电时电气加热器的热量用于车厢加热，还可以为电机和电池提供有效的温度控制解决方案。本文全面分析了用于车辆热管理的先进TES技术的最新发展，重点介绍了它们的工作原理、存储材料及新兴应用。讨论首先介绍了TES的研究背景和分类方法，然后梳理了现有关于TES在车辆中集成应用的研究。最后，本文总结了集成TES的热管理系统，将电池、车厢、电机和电力电子设备的热调节整合到一个统一的框架中。同时，指出了当前的研究空白，并提出了基于TES的车辆热管理技术的未来研究方向。
引言
全球汽车行业正沿着两条平行路径发展：传统的内燃机车辆（ICEVs）继续主导市场；而混合动力和纯电动汽车（HEVs/BEVs）由于环境问题和支持性的经济政策而快速增长[1]。然而，无论是ICEVs还是新能源汽车（NEVs，包括HEVs和BEVs）都在能源效率和热管理方面面临重大挑战[2,3]。对于不同类型的车辆，其关键部件（如发动机、电机和电池）在运行过程中会以间歇性和波动的方式产生热量，同时这些部件以及车厢也需要在某些时候进行加热或冷却，以确保最佳的工作性能和舒适性[4,5]。热量产生与不同部件的加热/冷却需求之间的时间不匹配，推动了热能存储技术应用于车辆热管理（图1(a)）。
对于内燃机车辆来说，它们在热力学上效率较低，只有21.5%的化石燃料能量转化为机械推进能量，超过70%的能量通过排气和冷却系统以热量的形式损失[5]。相比之下，新能源汽车的能源转换效率更高（77-85%），产生的废热较少，但由于温度控制效率低下，仍然存在行驶里程有限和电池加速老化等问题[6]。特别是在低温条件下，新能源汽车需要将15-25%的电池容量用于车厢加热，直接减少了可用的推进能量，迫使乘客为了热舒适性而牺牲行驶里程[7]。因此，车辆热管理系统（TMS）已成为汽车工程的核心关注点，在提高运行效率、减少关键部件（如电池、动力系统）的退化以及确保车厢热舒适性方面发挥着关键作用。图1(b)显示，与传统的ICEVs相比，新能源汽车由于集成了电动驱动电机、大容量电池组和电力电子控制器等额外部件，面临更大的热管理挑战[8,9]。这些系统具有多样化的热需求，在宽温度范围内运行，并表现出异步的热循环[8,10]。这就需要复杂的多区域调节策略来平衡能源效率目标。这种复杂性源于需要同时管理推进系统的热负荷、稳定电池电化学性质以及调节车厢环境[8]。这要求智能的系统级热协调，这是传统车辆所不具备的。
车辆热管理已经经历了几个发展阶段。最初，基本的风冷系统用于车厢冷却，当需要电加热时，会辅以正温度系数加热器[11]。电池组和电机电子控制单元依赖液体冷却剂循环来进行热控制[12]。这些早期系统提供了基本的热调节能力，但通常能源效率低下，导致辅助功耗高、行驶里程减少以及热力学性能差，尤其是使用PTC加热器时[7]。这些限制促使人们寻求更先进的热管理架构，这些架构集成了预测算法和废热回收机制，以优化推进系统、车厢舒适性和电池调节子系统之间的能源分配。
将热能存储（TES）集成到车辆中最近成为解决这些挑战的有希望的方法，引起了科学家和工程师的广泛关注[13]。TES作为一种中介，可以时间和定量地匹配能源供应与需求，从而减少总体能源消耗并显著延长有效行驶里程。例如，电机产生的废热可以被捕获在TES设备中，并重新用于车厢加热[14]。在混合动力汽车[15],[16],[17],[18]中，利用TES设备回收和利用内燃机（ICE）的废热，使其能够在纯电模式下用于车厢加热，从而提高燃油效率。在燃料电池电动汽车（FCEVs）[19]中，TES可以通过促进燃料电池系统的低温预热来辅助冷启动。因此，通过TES整合废热可以实现统一和协调的热管理系统，从而节省能源并延长行驶里程。在电力电子热管理中，TES的应用目前仍相对有限，因为高热流和瞬态运行条件使得主动冷却策略仍然是主要方法。
已经发表了大量关于车辆TES和热管理的综述论文，如表1所示。大多数现有综述主要集中在新能源汽车（NEVs）的显热热能存储（SHTES）和潜热热能存储（LHTES）技术的发展上，尤其是在电池热管理的背景下。然而，对于TES技术在传统车辆中的应用关注较少，尽管热化学热存储（TCHS）具有较高的理论能量密度和长期热管理潜力，但很少被讨论。此外，当前的综述文章通常侧重于个别TES材料或特定子系统，而不是提供关于TES集成在车辆热管理系统中的系统视角。因此，一篇专门探讨TES技术在车辆热管理系统中应用的综合性综述仍然缺乏。本文全面分析了面向车辆的TES技术的最新发展，重点介绍了它们的工作原理、存储材料及潜在应用。讨论首先介绍了TES的研究背景和分类方法，然后梳理了现有关于TES在车辆中集成应用的研究。最后，本文评估并推荐了适用于各种TES设备和系统的有前景的材料，并详细比较了不同TES技术的优势和局限性。最后，探讨了未来的研究方向，强调了从分布式热管理系统向集成式热管理系统的发展及其对车辆设计和运行效率的影响。
部分摘录
用于车辆热管理系统的热能存储
热能存储（TES）是一种将多余的热能储存在热存储介质中以供后续使用的能源存储方法。根据存储介质的物理和化学变化，TES技术通常分为三类：显热存储、潜热存储和热化学存储[34]。图2概述了TES的分类和机制。对于显热存储，热能是通过提高材料的温度来储存的。
集成热管理系统
虽然分布式TMS为电动汽车提供了基本的功能，但其在能源效率和架构复杂性方面的固有局限性推动了集成热管理系统（ITMS）的采用。ITMS将电池、车厢、电机和电力电子设备的热调节整合到一个统一的框架中，实现了部件之间的协同热传递——例如，回收电机废热用于车厢加热或电池预处理（图16(a)）[8]。
结论与展望
热能存储（TES）技术在提高电动汽车和传统车辆的能源效率和热管理方面展现了巨大潜力。通过按需储存和释放热能，TES可以减少峰值加热或冷却负荷，延长电池寿命，并提升整体车辆性能。在不同的TES技术中，基于相变材料（PCM）的潜热存储是目前最成熟且研究最广泛的方法，适用于中温和低温环境
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
我们感谢国家自然科学基金（资助编号：52476210、52325601和52293412）的支持。
