純電動汽車冬季續航優化技術

黃炯　陳瑤　高少俊　李鑫　羅偉　熊建輝

摘 要：冬季續航低是純電動車型最受關注的痛點問題。采用四通閥集成式熱管理技術，高效熱泵空調節能技術，可有效提升純電動車型冬季續航表現，增強純電動車型市場競爭力。本文介紹了某款純電動車型四通閥及熱泵空調布置結構、控制策略、中國乘用車行駛工況China light-duty vehicle test cycle for passenger car（CLTC-P）低溫（-7℃）續航提升效果，具備技術領先性和推廣價值。

關鍵詞：純電動汽車 四通閥集成熱管理 高效熱泵空調 冬季續航衰減

Winter Battery Life Optimization Technology for Pure Electric Vehicles

Huang Jiong Chen Yao Gao Shaojun Li Xin Luo Wei Xiong Jianhui

Abstract：Low battery life in winter is the most concerned pain point of pure electric vehicles. The use of four-way valve integrated thermal management technology and high-efficiency heat pump air-conditioning energy-saving technology can effectively improve the winter endurance performance of pure electric vehicles and enhance the market competitiveness of pure electric vehicles. This article introduces the four-way valve and heat pump air-conditioning layout structure，control strategy， and driving conditions of a certain pure electric vehicle. China light-duty vehicle test cycle for passenger car （CLTC-P） low temperature （-7℃） endurance improvement effect，with technological leadership，is of promotion value.

Key words：pure electric vehicle， four-way valve integrated thermal management， high-efficiency heat pump air conditioning， winter battery life attenuation

1 前言

進入21世紀20年代，汽車市場進入存量時代，面對疫情的影響，抓住新能源電動化的發展機遇，是中國車企在“十四五”規劃中兼顧生存與發展，實現產業升級和轉型的必經之路。2019年底新發布的2020-2035年新能源汽車產業發展規劃中言明至25年新能源汽車新車銷量占總額25%左右，公共領域用車實現全面電動化，明確了電動汽車在產業整體發展目標中的主體地位[1]。

如何造出市場認可度高，讓顧客接受的高品質純電動車型？解決顧客“續航焦慮”，尤其是冬季續航衰減嚴重的痛點刻不容緩。純電動車型冬季續航衰減主要來自于兩點：一，電池包可用容量受低溫直接影響;二、純電動汽車冬季暖風空調熱源來自電能而非發動機余熱。不難發現，在當前動力電池技術沒有重大提升的局面下，高度集成化的熱管理和高效節能空調技術，是解決以上問題的關鍵路徑。本文將從四通閥和高效熱泵空調兩方面，提供行之有效的解決方案。

2 電動車低溫續航衰減評價方法

2.1 低溫續航試驗方法

本文的測試評價方法采用2019年的新版中汽研《EV-TEST（電動汽車測評）管理規則》[2]，用標準統一的測試規范評價中國工況（后文簡寫CLTC-P）冬季低溫續航衰減情況，引入更多的中低速、怠速工況，更加貼合中國車主實際用車情況，有利于解決顧客對公告續航與實際續航符合度的疑問。

2.2 低溫續航評價指標

在這里，我們使用低溫續航衰減比例（相比常溫續航）來衡量低溫續航的水平，如下：

①

（1）c：低溫續航衰減比例 %;

（2）L1：常溫續航km，試驗環境溫度：（25±5）℃，續航工況：中國乘用車行駛工況CLTC-P;

（3）L2：低溫續航km，試驗環境溫度：（-7±3）℃，續航工況：中國乘用車行駛工況CLTC-P;

3 四通閥集成式熱管理技術介紹

3.1 工作原理

純電動車型冬季低溫行車或充電時，整車熱管理的設計要點是管控三電系統運行下最佳溫度區間。四通閥采用集成式熱管理的設計理念，將電機水路和電池包水路連通，在電池包沒有對應的熱管理請求時，利用電機的余熱以及電機系統的散熱功能給電池包進行加熱或冷卻，提高能量利用率，降低電池包低溫性能衰減，使顧客用更低的使用成本獲得更優的續航和駕駛性體驗。

電機冷卻水路主要零部件：電機及控制器、DCDC+OBC、低溫散熱器、副水箱、水泵、兩位三通閥及其管路等;電池包加熱及冷卻水路主要零部件：電池包水套、副水箱、水泵、chiller換熱器、電池包PTC等;四通閥：連接電機和電池包水路。

3.2 控制策略

四通閥集成熱管理分為常規、預加熱和預冷卻三種工作模式，低溫續航優化的重點在于預加熱模式利用電機余熱對電池包進行加熱。通過環境溫度、電機溫度、電池包溫度綜合判斷，默認狀態下，四通閥處于關閉狀態，電機水路和電池包水路相互獨立，分別根據VCU/BMS控制指令的最高需求調控水泵和風扇的工作狀態。當滿足一定條件時，進入余熱回收階段，四通閥關閉，兩位三通閥關閉，電機水路蓄熱。當滿足一定條件時，進入預加熱階段，四通閥開啟，兩位三通閥關閉，風扇關閉，兩個水泵同時工作，電池包入口水溫高于電芯溫度，電池包溫度上升。當條件不滿足時，退回默認狀態。

4 高效熱泵空調節能技術介紹

4.1 熱泵空調工作原理

相較于PTC（Positive Temperature Coefficient后文簡寫PTC）消耗電能制熱，熱泵空調制熱原理為：熱量從溫度較低的車外向溫度較高的車內傳遞。

熱泵空調關鍵零部件與傳統車在空調較為相似：包括壓縮機、冷凝器、蒸發器、水冷凝器、電池包換熱器等。利用換向閥改變制冷劑流向，將蒸發器在反向循環中充當冷凝器進行放熱，即實現了熱量從相對低位（車外）運輸到相對高位（車內）。當溫度較低或者外換熱器結霜的情況下，熱泵空調無法繼續制熱，采用PTC制熱作為補充熱源，提高顧客的使用舒適度。

熱泵空調能效比相比PTC大大提升，配置熱泵空調的純電動車型在冬季低溫續航的表現上具有顯著優勢。

4.2 熱泵空調能耗優化策略

4.2.1 風扇轉速控制策略

在低溫續航試驗中，電子風扇占熱泵空調系統能耗15%～40%。增加車速、環境溫度、系統高壓、熱泵工作模式等控制邊界優化電子風扇工作檔位請求，空調控制器傳輸到VCU，根據整車控制指令的最高需求調控電子風扇工作狀態，大幅降低風扇能耗，可有效降低冬季低溫因開空調采暖造成的續航衰減。

4.2.2 內外循環控制策略

前文3.1熱泵空調工作原理已經闡述了，為了保證熱泵空調系統的穩定性和可靠性，采用PTC制熱作為輔助熱源，提升顧客體驗。基于當前的技術方案，優化空調模塊軟件策略，以環境溫度、車內溫度、車外溫度、蒸發器表面溫度為邊界輸入，空調控制器調控內外循環風門開度，通過不同環境溫度下的轉鼓試驗空調標定驗證，在確保行車過程中前擋風玻璃不起霧的前提下，最大限度降低PTC能耗。

5 冬季低溫續航優化效果

5.1 四通閥集成式熱管理效果驗證

如圖4四通閥對電池包溫升及放電容量的優化效果對比，電池包溫升速率明顯提升，平均溫度提高約2℃，電池包總放電量提升約2.5%。對冬季續航和駕駛性能優化明顯。

5.2 高效熱泵空調節能效果驗證

如圖5，冬季低溫續航試驗中，優化后的高效熱泵空調系統，帶PTC輔助熱源，系統平均能耗相比傳統PTC下降超過40%。

5.3 低溫續航提升效果

表1對比了不同方案低溫續航（-7℃）相比常溫續航衰減比例：[3]

6 結論

四通閥集成式熱管理技術和高效熱泵空調，是優化電動車冬季低溫續航行之有效的解決方案。

（1）四通閥集成式熱管理技術，在低溫續航（-7℃）CLTC-P試驗中，電池包平均溫度提高約2℃，電池包總放電量提升約2.5%;

（2）高效熱泵空調通過優化電子風扇檔位控制和內外循環風門開度控制策略，相比傳統PTC加熱采暖，系統節能超過40%;

（3）低溫（-7℃）CLTC-P續航試驗中，相比傳統PTC空調采暖方式，低溫續航衰減比例下降約10%。

參考文獻：

[1]《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》（征求意見稿）.

[2]《EV-TEST （電動汽車測評）管理規則? （2019版）》.

[3]GB/T 18386 《電動汽車能量消耗率和續駛里程試驗方法》.