B1-01 整车热平衡与全工况热负荷谱分析

课程代码 B1-01 · 板块 B 整车热管理系统架构 / B1 整车热平衡与需求定义 时长 约 4 小时（5 讲 + 1 次负荷谱实操） 适合对象 整车热管理系统 / 仿真工程师；做架构选型与换热器定尺寸的岗位必修 前置 A1-06 热阻网络法与集总参数建模；A3-01 ε-NTU 法与换热器能力估算；整车动力学与能耗基本常识 本讲义定位 讲师授课蓝本 / 学员自学讲义，是 B1-01 大纲的完整展开版

引言：先把这本账算平，再谈架构

热管理工程师最常见的错误起手式，是一上来就画回路、选水箱、定阀门。但在这之前有个更基础、也最容易被跳过的问题没回答：这台车到底要处理多少热、这些热从哪几个口子排出去、扛不住的部分能不能先存起来。

整车热平衡，就是回答这个问题的一本账。所有热源产多少，是收入；所有散热口排多少，是支出；收支之差存进金属和液体里变成温升，是结余。这本账有三栏——产热、散热、蓄热——而它们必须闭合：产热 = 散热 + 蓄热。账要是不平，后面所有的架构决策都建在流沙上：水箱选大了浪费成本和迎风面积，选小了高温工况直接过温降功率。

这门课的目标不是教你算某一个部件的传热，而是教你把整车这本账算平，并最终把它压成一张能直接指导架构选型与换热器定尺寸的热负荷谱。学完你会形成一个判断习惯：拿到任何一个热管理需求，先问「产热清单全不全、散热出口够不够、蓄热能不能顶」，再谈方案。这也是为什么这门课排在 B1 模块的第一课——它是整个整车热管理需求定义的地基。

第 1 讲　热源清单与产热建模

账的第一栏是收入，也就是产热。这一讲要解决两件事：热源有哪些别漏了，以及每个热源到底怎么算才不至于系统性偏大或偏小。产热清单一旦漏项或者算错量级，后面散热和蓄热算得再准也是错的——它是误差的源头。

1.1 电池：不可逆极化热恒正，熵热带符号

电池产热由两部分构成，这就是 Bernardi 方程 Q̇_batt = I²·R_int − I·T·(∂U_ocv/∂T)（电流 I 以放电为正，与 D1-01 动力电池产热机理与产热速率建模、D4-01 快充产热与温升预测建模 同一约定）拆出来的两项：

• 前项是不可逆极化热 I²·R_int。它的严格写法是 I·(U_ocv − U)——端电压偏离开路电压的那部分电功没能变成化学能，全变成了热；工程上把过电位线性化成一个等效内阻，才得到 I²·R_int 这个好用的近似。它正比于电流平方，恒为正——不管充电还是放电都在产热，是大倍率工况下的绝对主项，也是快充时电池发烫的主因。但别把它叫「欧姆热」：R_int 是欧姆、活化、浓差三种极化合并之后的等效内阻（DCIR），它随 (T, SOC, 脉冲宽度) 变，必须按表取值——低温段可比常温高数倍，拿常温欧姆内阻去外推低温快充会把产热严重低估。三种极化各自的机理与拆分，见 D1-01 动力电池产热机理与产热速率建模。
• 后项是可逆熵热 I·T·(∂U_ocv/∂T)。它来自电化学反应的熵变，随充放电方向可正可负：某个方向吸热、反方向放热。它的量级随 SOC、化学体系和温度变化。判号规则：本讲 I 以放电为正，多数体系 ∂U_ocv/∂T<0，于是 −I·T·(∂U_ocv/∂T) 在放电时为正（放热）、在充电时为负（吸热）。如果你手上的 BMS 电流口径是「充电为正」，整个式子要一起换元（I → −I），不能只翻熵热这一个号——这是误区 5 那个坑最常见的犯法。

这里的机理关键是：电池产热不是一个常数，而是随 SOC、倍率、温度三个变量漂移的曲面。倍率一变，欧姆热按平方放大；SOC 一变，内阻和熵热系数都变；温度一变，内阻又变（低温内阻显著升高，产热更凶）。所以「电池发热量」离开工况点谈是没有意义的，你必须落在具体的 SOC×倍率×温度点上取值。

边界与失效前提在这里特别重要（见误区 5）：很多人默认熵热是可忽略的小项，直接扔掉只算欧姆热。这个近似在大倍率下大致成立（欧姆热压倒一切），但在低倍率下站不住——此时欧姆热本身很小，熵热的相对占比就上来了，而且它带符号，方向搞反会让你把「吸热」算成「放热」，账直接错向。所以低倍率、长时间的工况（比如小电流慢充、低速巡航）算电池热，熵热不能扔。往上游看，电池产热清单直接决定电池回路（D2 冷却方案）需要多大的换热能力；往本课下游看，它是热负荷谱里电池维度那一列 bin 的数据来源。

1.2 电驱：产热就是损耗，效率必须查 MAP

电驱（电机 + 电控 + 减速器，此处「电控」指 MCU／逆变器）的产热逻辑最朴素：损耗即产热，Q̇_edrive = P_in·(1 − η(n, T_q))。输入功率里没变成机械功、没变成推着车走的那部分，全变成了热。这里的 η 必须是电驱总成的综合效率——逆变器、电机、减速器三段串起来的那一个（η_总成 = η_inv × η_mot × η_gear）：只取电机效率（如 0.95）而漏掉逆变器（如 0.98），算出的电驱产热会比真值小约 27%——逆变器损耗是 kW 量级，与电池不可逆极化热同一档，不是可忽略的小数（两个效率都是教学假设值，⛔ 不对应任何平台）。

三段里最容易被关在账外的是减速器。它的损耗是机械损，分三支：齿轮啮合损（随传递扭矩走）、搅油损（随转速、油位与油温走，低温高粘时显著变大，也是冷起步阶段产热被低估的原因）、轴承损。量级上，单级/两级减速器的效率同样落在 96~98% 这一档（行业典型区间，⛔ 不作设计输入），与逆变器同量级 ⇒ 把减速器漏掉的后果，和把逆变器漏掉是同一档，不是可忽略的小项。⚠ 这里埋着一个口径陷阱：供应商给的效率 MAP 常常只画到电机输出轴，不含减速器。拿到一张 MAP 的第一件事，是问清它的边界落在哪一根轴上——是电池侧直流母线到车轮，还是直流母线到电机输出轴。若只到电机输出轴，必须另要一份减速器损耗（或效率）数据补上去，才是整车这本账要的那个 η；两份都拿不到时，可用整车滑行阻力与台架输入-输出功率反解总成效率，但要标明它是反解值。减速器/电桥这一支的热往哪儿排、齿轮油温怎么控，见 E4-01 电驱三合一/多合一集成热设计（多合一总成里齿轮油常常是先触限的那一个）、F3-02 变速箱/减速器油温控制与油冷器（减速器油温控制与油冷器）与 F3-03 电桥润滑冷却一体化设计（电桥润滑冷却一体化设计）。

难点也就在这个 η 上。这里埋着本课最典型、代价最大的一个坑：η 是转速 n 和扭矩 T_q 的二维函数（效率 MAP），绝不能取峰值效率当常数。电机效率 MAP 的形状是「中间高、四周低」——在某个中速中扭区效率最高，而高速大扭矩区和低速区效率都明显低。如果你图省事拿峰值效率算全工况，会在高速大扭矩与低速大扭矩这两个区把产热严重算小——而下一段会看到，这两个区危险的方式还不一样。大纲在误区里点明了这个偏差的量级：高速大扭矩区效率低得多，产热能差近一倍。

把这条推到底：危险的不止一个区，而且两个区危险的方式不一样——照图 3 的实际取值分开说：

• 高速大扭矩（η≈0.912 对峰值 0.956）：相对低估约 ×2.0，而它的输入功率 P_in 最大，所以被漏掉的那份热在绝对量上最大；同时长时间高速本身就是稳态散热的严酷考验。
• 低速大扭矩（η≈0.881）：这才是效率离峰值最远的那个区，相对低估约 ×2.7——用峰值效率算，这里的账错得最离谱。而 2.2 讲会给出另一半：散热最难的工况恰恰是怠速和低速（迎面风塌）。长坡、堵车爬坡、拖挂起步都落在这一族 bin 上，本课的典型案例（车速被坡度限死的高温长坡）也落在这里。

所以「双重不利」不是高速大扭矩独占的：高速大扭矩是「漏得最多」，低速大扭矩是「错得最离谱、而且散热最紧」，两族 bin 都不许沿用峰值效率。用峰值效率算，等于在这两个工况上都给自己发了一张「一切正常」的假证明。

正确动作：向供应商要完整的效率 MAP（并按上一段问清它的边界轴），在负荷谱的每个 bin 上按该 bin 的转速扭矩点插值取 η，而不是全程一个数。bin 太多、要排先后时，按这个量排：ΔQ̇_bin = P_in,bin·(η_peak − η_bin)——它就是该 bin 上被峰值效率漏掉的那份热的绝对值（图 3(b) 里两根柱子的高度差正是它），从大到小排，先把前几个 bin 的 η 换成真值。⛔ 别用 (1−η_bin)/(1−η_peak) 那个倍数去排序：它只说明这个 bin 的账错了几倍，⛔ 不说明错掉的绝对热量有多大——两者会给出不同的顺序（图 3 里低速大扭矩倍数更大、而高速大扭矩差值更大），排产能力缺口要看前者。

1.3 车载电源与低压电子：量级小，但它是局部问题不是整车问题

⚠ 先分清一个词：本站「电控」指 MCU／逆变器（功率半导体，见 E4-01 电驱三合一/多合一集成热设计、B3-06 余热回收与多热源采暖架构（电机/电控/环境热）），它属于电驱、损耗与电机同量级——就是上一节 Q̇_edrive 里 η 要含进去的三段（逆变器 × 电机 × 减速器）之一。本节讲的是另一类：OBC／DCDC／PDU／域控这些车载电源与低压电子。两者别混，混了会在整车账上把逆变器那几 kW 当成「小项」漏掉。

OBC（车载充电机）、DCDC、PDU（含盒内母排、接触器触点、熔断器、分流器、预充电阻）、高压连接器与线束、域控制器这一类车载电源与高压配电部件，产热的特点是总量级相对整车小，但热流密度高——发热集中在很小的功率半导体结区，单位面积热流密度很大。

这个特点决定了它们在两本账里的不同地位：

• 在整车热平衡这本账里，它们是次要项。相对电池和电驱动辄的大热流，这几个部件的总产热量级小，压不动整车的散热能力天平。做整车热平衡时把它们归一小类、给个量级即可，不必逐个精算。
• 但在局部（部件级）它们是硬约束。热流密度高意味着结温容易顶到限值，是个「局部散热能不能把这点热从很小的面积上导走」的问题，而不是「整车散热能力够不够」的问题。

把这两件事分清，是这一讲的判断价值所在：不要用整车热平衡的粗颗粒去管这类部件的结温，也不要因为它们结温紧张就误以为整车散热能力不够。整车账上给它们留一个合理的量级份额，具体结温靠部件级冷板/散热器设计去保，两层解耦。

但有一项别在整车账上直接抹掉：高压母排与线束的 I²R 损耗。超充大电流下它是实打实的一项，姊妹课 B4-01 整车能量流与热量流协同分析 的漏项清单里就明确列着「母排与线束损耗」，本课口径要与它一致，别一门课列、一门课不列。盒内的完整热源清单（母排、接触器触点、熔断器、分流器、预充电阻）见 E3-02 车载充电系统与高压配电盒热管理，连接器/线束/母排的温升管理见 E5-04 高压连接器、线束与母排的温升管理。

1.4 座舱：四项负荷，高温高湿下大头会换人

座舱是一个特殊的「热源」——严格说它既是负荷也是被调节对象，但在热平衡账上，制冷时它是要移走的热、制热时它是要补的热。它的负荷由四项构成，对应公式 Q̇_cab = UA·(T_amb − T_cab) + τ_g·I_sol·A_glz + ṁ_vent·(h_amb − h_cab) + Q̇_occ：

• 围护导热 UA·(T_amb − T_cab)：车身钣金、玻璃、密封的传热，正比于内外温差。
• 太阳辐射 τ_g·I_sol·A_glz：透过玻璃进来的太阳辐射，正比于玻璃面积和辐照强度、透过率。
• 新风 ṁ_vent·(h_amb − h_cab)：为空气质量引入的外界新风带进来的焓差，注意这里是焓差不是温差，因为它含潜热。
• 人员代谢 Q̇_occ：乘员散发的显热和潜热。

这里最容易想当然的是「围护导热是大头」。实际上在高温高湿工况下，辐射项和新风潜热常常才是大头。烈日下的辐照热流很可观，而高湿度下新风的焓差里潜热部分（把湿空气除湿到座舱状态所需的热）远大于单纯的温差显热——这也是为什么写这一项要用焓差而不能偷懒用温差，用温差会把潜热整个漏掉。这个认识直接改变设计取向：湿热地区的座舱空调能力，往往是被新风潜热和辐射定尺寸的，而不是被围护温差。往下游看，座舱负荷是空调系统（制冷/热泵）容量选型的直接输入，也牵动第 1.5 讲要讲的冷凝器排热。

这一节的口径边界要说清：本课停在整车级的四项占比定性判断——谁是大头、什么工况下大头会换人。四项各自到底取多少（UA 怎么由实测标定、渗透风与新风怎么分、玻璃透过率与遮阳怎么折算、内饰热容怎么计），以及最终怎么出一份可评审、可对账的座舱制冷负荷计算书，是另一门专课的事，见 C1-06 乘用车座舱制冷负荷计算书：逐项取值、UA 标定与环境舱对账（乘用车座舱制冷负荷计算书：逐项取值、UA 标定与环境舱对账）。本课的红线提醒在这里同样适用：给的是量级与相对判断，别把某台车的 UA 当通用常数搬走。

1.5 制冷系统自身：冷凝器要排的比蒸发器吸的多一块

这一讲最后一个、也是最常被漏的热源，是制冷系统自己产生的排热。很多人算前端散热时，只想着「蒸发器吸了多少热」，就拿这个数去选冷凝器——这是错的。

正确的账是 Q̇_cond = Q̇_evap + W_comp：冷凝器要排掉的，是蒸发器吸的热，加上压缩机做的功。压缩机的电功全部进入了制冷剂、最终要从冷凝器排出去。这是能量守恒的必然：制冷循环把低温处的热搬到高温处，搬运本身要耗功，这份功也变成了要排的热。

推到底就是一个前端选型的硬结论：冷凝器的排热需求天生比蒸发器负荷大一块，大的正是压缩机功。漏掉 W_comp，冷凝器必然选偏小，高温工况排不出去，冷凝压力和排气温度飙升，制冷能力反而塌。这个漏项在本课的典型案例里就是压垮骆驼的那根稻草——高温长坡工况下冷凝器排热被算小，能力缺口直到把压缩机功补进账才暴露。所以做整车热平衡，制冷系统这一栏一定要把 W_comp 显式列进去，不能只搬蒸发器负荷。

本讲小结：产热清单五类——电池（不可逆极化热恒正+熵热带符号，低倍率别扔熵热）、电驱总成（损耗即产热，η 取逆变器 × 电机 × 减速器三段的综合值，效率查 MAP 别取峰值：高速大扭矩漏得最多、低速大扭矩错得最离谱）、车载电源与低压电子 OBC/DCDC/PDU/域控（量级小是局部问题；注意「电控」＝MCU/逆变器属电驱，不在此类）、座舱（四项，高温高湿下辐射与新风潜热是大头）、制冷系统（冷凝排热=蒸发吸热+压缩机功，别漏 W_comp）。清单不全或量级算错，是整本账误差的源头。

本讲边界：这五类是 BEV（纯电）乘用车口径的热源清单。⚠ 先说清它是按「热从哪儿来」分的五类，不是按电气部件分的——第 ② 类是电驱总成，电气损（逆变器、绕组铜损、铁损）与机械传动损（减速器/电桥的啮合、搅油、轴承）都在它里面。⛔ 别沿着「高压电气部件」这一条线索去数这张表：电池 → 电驱电气 → 车载电源 → 座舱 → 制冷系统，这么数下来清单看着是齐的，而机械/润滑那一支会整支不出现（1.2 讲那个「MAP 只画到电机输出轴」的口径陷阱，正是它进账的入口）。另外，清单闭合是按本课的车型口径闭合的：你的平台若还挂着这五类之外的持续热源（例如商用车的缓速器持续制动热，见第 4 讲边界与 P1-02 缓速器（液力/电涡流）热管理），建表时要为它另立一行，⛔ 不要因为它不在这张清单上就默认它不存在。本课全程以纯电乘用车为主线，其他动力形式的热源不在这张清单上，各有专课承接：内燃机侧的缸体缸盖水套、排气、增压中冷、机油与变速箱油见 F1-01 发动机冷却系统设计（大小循环、节温器） 与 B2-01 燃油车热管理架构：发动机冷却 + 空调（燃油车的能量三分法、以及「排气这条免费散热通道」就在那门课里），混动与增程沿 B2-01 → B2-02 混动（HEV/PHEV）热管理架构与工作模式切换／B2-05 增程式（REEV）热管理架构与热源协同 走；燃料电池侧的电堆、空压机、膜增湿器见 B2-04 燃料电池（FCEV）热管理架构与大散热量挑战 与 O1-01 燃料电池电堆产热与水/热管理耦合。还有一类是「整车确实有热、但不进 TMS 这本账」的：摩擦制动热直接从制动盘散入大气，不进冷却液回路、不占用前端散热能力，故不列入本清单，长下坡与拖挂工况的制动热衰退见 F5-01 制动系统热管理与热衰退。