純電動汽車冬季冷啟動階段熱管理策略影響續駛里程分析

王莫然 董 彬 梁坤峰 王 林 劉瑞見 米國強

(1 河南科技大學車輛與交通工程學院 洛陽 471003； 2 河南科技大學土木工程學院 洛陽 471003)

隨著全球各國對環境保護和可持續發展的日益重視，電動汽車需求呈“爆發式增長”。各國為應對電動汽車行駛性能檢測，開始研究和制定適合本國國情的行駛工況評價標準[1]。動力電池是純電動汽車唯一的能量來源，但存在低溫容量衰減問題[2-3]，并且冬季艙內熱舒適性的需求加大了動力電池耗電，使整車續駛里程急劇衰減，嚴重影響純電動汽車的應用評價。

李禮夫等[4]分析了純電動汽車續駛里程與其行駛工況的關系，但沒有考慮冬夏季節的乘客艙和電池的冷熱需求對純電動汽車續駛里程的影響。張子琦等[5]實驗研究發現冬季采用正溫度系數(positive temperature coefficient，PTC)加熱器供暖使續駛里程下降20.1%～56.4%，但熱泵供暖與PTC加熱器相比會顯著改善續駛里程的衰減。Zou Huiming等[6]提出結合電池冷卻/預熱的整車集成熱管理系統，該系統優先改善動力電池組的熱管理問題。J. Kim等[7]討論了多種適用于純電動汽車的熱管理方案，并提出了針對大能量密度鋰電池的新型熱管理系統，但沒有結合汽車行駛工況進行分析。由于行駛工況對純電動車的整車控制和熱管理策略有較大影響[1]，所以低溫環境車輛使用時的續駛里程性能評價研究尤為重要，但相關研究較少。

本文提出一套考慮電池加熱和車艙供暖的純電動汽車熱泵系統，建立了車-電池-熱泵系統的復雜模型，以工況的單次循環為啟動階段，通過分析冬季冷啟動條件下動力電池溫升等，研究電動汽車熱舒適度、電池溫度與續駛里程之間的相互影響，并分析了冷啟動階段熱泵制熱量分配策略對電池荷電狀態(state of charge，SOC)的影響。

1 模型建立

1.1 純電動汽車熱泵系統工作原理

圖1 純電動汽車熱泵系統原理

純電動汽車熱泵系統工作原理如圖1所示，主要由壓縮機、換熱器、電子膨脹閥、截止閥等組成。通過三個換熱器和截止閥的開關組合實現制冷/制熱功能的切換，替代四通換向閥，避免其因震動等原因導致的損壞。系統制冷時，SV2、SV6關閉，SV1、SV3～SV5打開，此時室外換熱器1為冷凝器，室內換熱器為蒸發器；系統制熱時，SV1、SV5關閉，SV2～SV 4、SV6打開，此時室內換熱器為冷凝器，室外換熱器2為蒸發器。

圖2 三種工況的速度-時間曲線

1.2 典型工況及其特征參數

為分析純電動汽車在不同行駛工況下的續駛里程，選取三種行駛工況：美國高速公路燃料經濟性測試工況(highway fuel economy test，HWFET)、新歐洲行駛工況(new European driving cycle，NEDC)和中國乘用車行駛工況(China light-duty vehicle test cycle for passenger car，CLTC-P)[8]。三種工況的行駛速度與時間曲線如圖2所示，可知不同工況下的行駛特性差別較大。

1.3 汽車空調參數設定

熱泵供暖參數設定如下：蒸發側傳熱溫差為7 ℃，過熱度為6 ℃；冷凝側傳熱溫差為17 ℃，過冷度為2 ℃。圍護結構負荷[5]：

Qcond=KAcΔT

(1)

式中:Qcond為車體圍護結構漏熱量，W；K為傳熱系數，W/(m2·K)；Ac為車體外表面積，m2；ΔT為車內外傳熱溫差，K。

由于對汽車空調新風量沒有明確的標準要求，按照GB 50736—2016《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》[9]的要求，設計新風量為30 m3/(h·人)。

Qair=mairΔH

(2)

式中:Qair為新風負荷，W；mair為新風質量流量，kg /s；ΔH為車艙內外空氣的焓差，J /kg。

冬季的太陽輻射將降低車內的取暖負荷且冬季太陽輻射熱量較小，為保證負荷的設計值可以滿足最惡劣條件下的需求，本文不計算太陽輻射。

(3)

(4)

式中：Qtotal為空調總負荷，W；COPh為制熱性能系數；Pc為壓縮機功耗，W；ηc為壓縮機效率；Pb為電池放電功率，W；P0為其他電子器件功耗，W；ηb為電池放電效率。

1.4 電池參數及產熱計算

本文選取的電池為大容量三元體系聚合物動力鋰電池[10]，標稱容量為20 Ah，標稱電壓為3.6 V，工作電壓范圍為3.0～4.2 V。電池箱體總能量為36 kW·h，標稱電壓為360 V，標稱容量為100 Ah。

電池內部化學反應產熱和內阻生熱導致電池溫度上升，鋰離子電池的產熱通常包括5種熱源，分別為：不可逆電阻生熱、可逆熵熱、混合熱、相變熱和反應熱。D. Bernardi等[11]提出了鋰離子電池熱生成率的一般表達式。由于鋰電池的反應熱和相變熱遠小于其他產熱，通常忽略反應熱和相變熱，若減小極化濃度差，則混合熱非常小，可以忽略不計，經過簡化[10-14]，電池的產熱速率為：

q=I2Rtotal+0.000 22IT

(5)

式中：Rtotal為電池總內阻，Ω；I為電池電流，A；T為電池溫度，K。

2 結果與分析

2.1 模型驗證

基于上述所建立的考慮電池產熱、空調負荷的汽車續駛里程數學模型，本文按照GB/T 18386—2017《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》[15]的規定，即車輛測試時關閉熱泵及其他不必要的耗能系統，參照廠商公布的車輛參數，基于MATLAB軟件仿真計算了NEDC工況下的續駛里程，仿真流程圖如圖3所示，結果如表1所示。由表1可知，仿真計算的等速續駛里程與廠商實測數據的誤差為1.59%～9.02%，NEDC工況的仿真續駛里程與廠商實測數據的誤差為0.11%～11.73%，仿真與實驗匹配度較好。

表1 部分純電動汽車廠商數據與仿真結果對比

圖3 仿真流程圖

圖4 三種工況下純電動汽車續駛里程變化

圖5 電池低溫衰減特性

2.2 測試條件下動力電池的能量消耗

在動力電池組電量完全充滿并至完全耗盡的條件下，對純電動汽車進行三種行駛工況下的續駛里程仿真分析。

圖4所示為三種工況下純電動汽車續駛里程隨環境溫度的變化。在電池芯充放電測試系統中按照20 A電流(1放電倍率)測試，得出電池容量隨溫度的變化關系，如圖5所示。由圖4可知，純電動汽車續駛里程隨著溫度的變化顯著，在適宜溫度條件(AT=20 ℃)下的續航明顯高于其在低溫時的續航，環境溫度能夠顯著影響純電動汽車續航能力。這是因為溫度較低時，鋰電池會發生低溫容量衰減。即使部分衰減的容量會隨著溫度升高而恢復，但電池溫度較低時，活性低、內阻大，故耗電較快。NEDC工況受溫度影響最大，環境溫度為-10 ℃和0 ℃時，續駛里程與適宜溫度條件相比分別減少14.09%、8.49%；CLTC-P工況受環境溫度影響最小，環境溫度為-10 ℃和0 ℃時，續駛里程分別減少13.16%、7.98%。低溫時驅動汽車對電池有較大的放電需求，若開啟熱泵滿足乘客熱舒適性要求，會進一步加大對電池的放電需求，續駛里程會進一步降低。

圖6所示為三種工況下冷啟動階段熱泵關閉時動力電池的溫升情況。由圖6可知，三種工況下電池溫度均呈上升趨勢，HWFET工況的電池溫升速率較為均勻，而NEDC和CLTC-P工況的初期電池溫升較小，后期電池溫升較大。CLTC-P工況的電池溫升最大，為3.16 ℃。電池溫升不同的主要原因是三種工況的平均速度和耗時不同，HWFET工況的平均速度較大，耗時較短；NEDC和CLTC-P工況的平均速度較小，耗時較長。CLTC-P工況耗時1 800 s，電池溫升僅為3.16 ℃，說明冷啟動階段僅依靠電池自身熱效應難以使電池達到適宜的溫度范圍[21]，必須采用其他手段加熱電池使其恢復至理想容量。

圖6 三種工況下冷啟動階段熱泵關閉時的電池溫升

2.3 實際使用時動力電池的能量消耗

圖7所示為冷啟動階段熱泵開啟時，不同工況下續駛里程隨環境溫度及艙內溫度的變化，僅考慮熱泵制熱全部用于艙內供暖的情況。由圖7可知，AT下降、CT上升均使續駛里程衰減逐漸嚴重。AT=0 ℃時，分別設置艙內溫度為15、20、25 ℃，與適宜情況(AT=20 ℃)對比，HWFET工況續駛里程分別減少14.19%、17.35%和20.68%；NEDC工況續駛里程分別減少18.83%、24.03%和29.02%；CLTC-P工況續駛里程分別減少21.46%、27.74%和33.19%。仿真結果給出的續航衰減程度與美國汽車協會對車型2018 Nissan Leaf、2017 VWAG e-Golf和2018 Chevrolet bolt的實際測試結果(衰減31.40%～50.4%[22])具有較好的一致性。

圖7 三種工況下續駛里程隨環境溫度及艙內溫度的變化

供暖溫度為18～22 ℃時，熱舒適度適中。艙內溫度為15 ℃時，駕乘人員有冷感；艙內溫度為25 ℃時，駕乘人員有熱感。由圖4和圖7可知，因熱泵開啟客艙熱舒適性提高造成的續航衰減遠大于因環境溫度較低引發的容量衰減造成的續航衰減，這是因為熱泵開啟時沒有兼顧電池供暖，加大電池在低溫時的放電，增加了電量消耗。

純電動汽車動力電池的電量狀態與電池溫度相關，隨著溫度的降低，其容量和放電能力均急劇下降。動力電池的溫度變化主要依據兩個方面：1)電池充放電熱效應，2)熱泵系統的直接干預。當動力電池在冬季工作時，隨著電池溫度逐漸升高，部分容量將得到恢復，如何快速加熱電池使其恢復到理想容量和放電能力成為純電動汽車冷車啟動時電池熱管理策略的首要難點。

2.4 熱量分配策略對電池SOC的影響

圖8 不同控制策略下電池SOC消耗及電池溫升

為了分析冷啟動階段熱量分配策略對電池電量消耗的影響，本文設計了三種熱分配策略：(A)熱泵熱量全部用于加熱電池；(B)熱泵熱量等量分配于電池和客艙，當電池溫度達到5 ℃后，熱量主要用于加熱客艙；(C)熱泵熱量全部用于加熱客艙，同時以關閉熱泵工況作為對比工況。

圖8所示為三種工況下電池SOC及電池溫度在熱泵開啟不同加熱策略時的變化。由圖8可知，三種工況下的電池SOC整體呈下降趨勢，但NEDC和CLTC-P工況下的電池SOC略有恢復。不同工況下，策略A對電池SOC消耗有明顯優勢，其中HWFET工況在啟動300 s后，電池SOC恢復至90.55%；NEDC工況在啟動443 s后恢復至最大SOC，相比初始SOC增大1.52%；CLTC-P工況在啟動523 s后恢復至最大SOC，相比初始SOC增大2.03%。三種策略下，單次工況結束后，電池SOC狀態與對比工況電池SOC相比，HWFET工況的SOC增量分別為1.98%、1.21%、-0.69%；NEDC工況SOC增量分別為2.38%、1.61%、-1.17%；CLTC-P工況SOC增量分別為2.18%、1.44%、-1.79%。

由圖8可知，所有工況下策略A的電池溫升最大，初期電池溫升速率有較大差別，當電池溫度達到5 ℃時，策略A、B的溫升速率幾乎一致。策略B與策略A相比，最終溫升相差較小，三種工況最終溫升相差分別為1.35、1.45、1.49 ℃，平均溫升速率相差分別為20.45%、17.76%、13.11%。還可知策略C對電池溫度影響十分有限，與熱泵關閉時相比，溫度僅高出0.49、0.49、0.68 ℃。

在冷啟動階段電池SOC少量恢復主要是因熱泵熱量用于加熱電池，電池溫升較大，衰減容量得到恢復，此外，由于電池活性增大，內阻減小，電池電量消耗減小，故電池電量有少量上升。策略B相比于策略A對電池電量恢復的促進作用有所減弱，但仍有助于整體續駛里程的提高。策略C對電池容量恢復的效果較差，明顯加速電池電量消耗。策略A、B的電池最終溫升相差較小，原因是當電池溫度達到5 ℃后，加熱的電池熱量相同，后期的電池溫升速率幾乎相同，最終溫升相差較小。冬季純電動汽車冷啟動階段，基于熱泵的熱管理策略對電池電量有顯著影響。在熱泵熱量全部加熱電池的情況下，不僅不會加速消耗電池電量，反而能明顯減小啟動階段的電量消耗，甚至會略有增加電池電量；與關閉熱泵相比，熱泵熱量全部加熱客艙雖然有利于保證客艙的舒適性，但其熱量未能用于加熱電池，即使熱泵系統增加電池放電，提高電池產熱，也無法使電池達到適宜的溫度范圍，這不僅不會使電池快速升溫，反而導致電池大部分電量始終工作在低效率區間，電量損耗明顯加劇。由此可見，冷啟動時熱泵的熱量分配策略對電池SOC有較大影響，開啟熱泵整體對車輛續航有積極作用。

3 結論

1)三種工況下，環境溫度均會對續駛里程產生顯著影響。其中NEDC工況受溫度影響最大，環境溫度為-10 ℃和0 ℃時，續駛里程分別減少14.09%、8.49%；CLTC-P工況受環境溫度影響最小，環境溫度為-10 ℃和0 ℃時，續駛里程分別減少13.16%、7.98%。

2)當環境溫度為0 ℃，啟動熱泵僅用于艙內供暖，艙內溫度分別設置為15、20、25 ℃，NEDC工況與測試標準對比，整車續駛里程分別減少18.83%、24.03%和29.02%，而對于CLTC-P工況，整車續駛里程分別減少21.46%、27.74%和33.19%，表明冬季熱泵開啟后，用戶實際使用純電動汽車時，整車續航水平難以達到廠家標稱續航，CLTC-P工況也不能較好反映冬季純電動汽車實際使用中的續航能力。

3) 電池SOC狀態受自身溫度的影響顯著，冬季純電動汽車冷啟動階段開啟熱泵制熱時，制定合理的熱管理策略對整車續駛里程的改善有重要影響。熱泵制熱量全部用于加熱電池時，NEDC工況在啟動443 s后恢復至最大SOC，相比初始SOC增大1.52%；CLTC-P工況在啟動523 s后恢復至最大SOC，相比初始SOC增大2.03%。