混合動力發動機與動力電池冷卻余熱雙向循環預熱

丁 鵬，鄒 曄，張美娟，蔣 豪，張鵬博

（無錫職業技術學院，無錫 214121，中國）

冬季高寒地區氣溫低，發動機可燃混合氣霧化效果差，引起點火困難和燃燒遲緩，導致發動機功率下降[1-3]，燃燒不充分，形成積碳，排放惡化，燃油消耗量增加[4-5]；低氣溫還影響發動機潤滑油的工作品質，導致潤滑油粘度增加，流動性差，造成機械磨損加劇，減少發動機的使用壽命[6-8]。對混合動力車動力電池而言，低溫減少動力電池的容量，降低動力電池的充電和放電效率[9-10]，影響動力電池的可靠性和使用壽命，甚至引安全事故[10-13]。

為了改善發動機和動力電池的低溫運行性能，學者們做了大量的研究，取得了豐碩的成果。CHENG Yong等開展了缸內直噴汽油機冷起動模擬試驗，通過設置適當的點火時刻提高發動機冷起動能力[14]；HU Tiegang等研究了發動機的在冷起動和暖機過程中的燃燒和排放特性，提出了在發動機添加甲醇以改善發動機冷起動性能的方法[15]；冀樹德等采用噴起動液和曲軸箱空氣加熱的方法促進了潤滑油的流動性，減少發動機摩擦阻力，提高了機體溫度，促進了發動機冷起動成功[16]；佘金平等采用高壓油泵后加熱流經高壓管燃油的方法，改善了直噴發動機冷起動和排放性能[17]；王永川等研究了一種相變儲能裝置，將發動機的排氣余熱儲存在相變材料中，用于發動機冷啟動前對發動機進行預熱以改善冷啟動性能[18]。

電池方面，在低溫環境下，混合動力車動力電池可用容量減少[19-20]。低溫還導致動力電池功率特性下降，充放電效率變差[21]。針對動力電池低溫性能差，使用受到限制的情況，學者們做了一定的研究。黃鈺期等采用流體動力學仿真的方法計算分析了動力電池分塊化加熱效果[22]；何錫添等采用電池變頻變幅交流低溫自加熱策略取得了良好的加熱效果[23]；熊瑞提出一種結合交流電內部加熱和寬線金屬膜外部加熱的復合加熱方法，提升了動力電池的加熱效果[24]。

本文提出利用發動機冷卻余熱通過熱轉換裝置為電池內部供熱，使動力電池內部溫度保持在一定的范圍，提高動力電池低溫容量和安全性能，延長電池的使用壽命。同時動力電池工作時（此時發動機不工作），利用動力電池的余熱通過熱轉換裝置為發動機供熱，使發動機和動力電池內部始終保持一定的溫升范圍，提高發動機低溫再次起動的能力。

1 發動機散熱器余熱模型

發動機通過散熱器為動力電池預熱提供熱源，為了從理論上計算動力電池得到的發動機余熱量數值，需要對發動機散熱器散熱量進行建模分析。

假設已知冷卻液類型，其動力黏度與密度等物理參數確定，散熱器內部冷卻液流速設定為

其中：qr為散熱器內冷卻液體積流量，S為散熱器內流道過流面積。

散熱器內冷卻液質量流量為

其中，ρr為冷卻液密度。

冷卻液在散熱器內部流動消耗為

其中：p1為散熱器進液口壓力，p2為散熱器出液口壓力。

散熱器散熱量為

其中：cp為冷卻液的定壓比熱容，t1為散熱器進液口溫度，t2為散熱器出液口溫度。

2 電池余熱模型

車用動力電池冷卻方式目前有液冷模式、風冷模式2種。與風冷模式相比，液冷模式冷卻效率更高，電池液冷余熱可作為發動機冷起動預熱熱量來源。電池液冷系統模型有多種[25-26]，本文給出的物理模型如圖1所示。每組電池內部設有導熱墊，導熱墊能夠確保模組與液冷板底部接觸良好，及時將熱量帶出。

圖1 電池水冷模型及實物圖

鋰離子電池工作工程中產生熱量主要由歐姆熱、反應熱、極化熱及副反應熱4部分構成。鋰電池發熱量計算方式有多種，本文使用經典Bernardi公式[27]計算，其電池水冷余熱量為

其中：Ie為電池的放電電流，E0為電池的開路電壓；E為電池的端電壓；R1為電池內阻；T為電池內部溫度； dE0/ dT為電池的溫度影響系數。IeT(dE0/ dT)可以理解為電池內部化學反應所引起可逆熵變產生的熱量，此熱量可以忽略不計[28]。

電池組產生的熱量通過電池片與液流換熱器之間換熱，根據換熱器結構，建立電池熱量與液流換熱片之間的傳熱關系：

其中：pme電池冷卻液質量流量，Tc電池內部換熱片流道液流出口溫度，Tr電池內部換熱片流道液流出口溫度，mb為電池整體質量，T0電池包內部初始溫度，Tp為電池組熱平衡之后達到的溫度，Cd為動力電池的綜合熱容，q為電池生熱功率，k為電池內部傳熱系數，A為電池內部傳熱面積。

其中：Aib冷卻液側換熱面積，Db為液流通道壁厚，λb換熱片結構導熱系數，Dd電池的厚度，λd為電池導熱系數，hl冷卻液對流換熱系數，由Nusselt數和流道直徑決定[29]。

3 雙向換熱系統模型

發動機與動力電池雙向換熱系統的結構組成如圖2所示。

圖2 雙向換熱系統結構示意圖

當混合動力車工作在電驅動行駛模式時，動力電池對外放電，驅動電機工作，此時發動機不工作。根據式（6）可知，電池內部溫度逐漸上升，當電池內部溫度達到設定臨界點，需要對電池內部進行冷卻，冷卻液從動力電池出水口M點經三通閥分兩路流出，一路流至動力電池的加散熱器，進行冷卻；另一路經電磁閥2，流至G點，進入發動機機體，加熱發動機之后，由節溫器傳輸至F點，然后經過電磁閥1回流至動力電池，形成一個工作循環。有效冷卻了動力電池，同時完成了發動機機體的加熱，使發動機內部水溫保持在較高點，保證發動機再次起動時具有良好的工作環境。當發動機驅動汽車行駛時，發動機正常工作時內部溫度較高，需要液冷。發動機冷卻液可用于給動力電池加熱。發動機溫度上升，開啟大循環，冷卻液從散熱器散熱，一部分熱量散發至空氣中，另一部分熱量經過傳熱介質傳導至動力電池的熱換器，熱換器內部的冷卻液接受加熱，在動力電池循環泵的作用下流入動力電池內部，完成電池內部的保溫。由于熱換器起到加熱作用又起到散熱功能，因此傳熱介質選取相變材料（phase change material，PCM），實現吸熱冷卻和放熱加熱一體化，能夠達到自動雙向熱控的目的，并且熱效率相對高，恒溫特性強。

為了考察PCM的傳熱特性，探討熱換器內部的各點溫度實時分布狀態，需要對熱換器傳熱進行數學建模。假設熱量在熱換器內部均勻傳播，且對空氣散熱忽略不計。對PCM進行微觀化，設熱交換器由多個均勻圓柱體組成，圓柱橫截面積很小，且為常數B。PCM的密度為ρ，定壓比熱容為cp，熱傳導系數為K，設y軸與圓柱體重合，則如圖3所示。

圖3 熱換器微觀模型

以u(y,t)表示y點時刻溫度，相變材料（PCM）的熱傳導方程為

其中：a為材料的熱擴散系數，f(y,t)為發動機散熱器傳遞的熱源。現將溫度u(x,t) 在 (x0,t0)點沿y向前后h展開為Taylor級數，有：

由式(9)和(10)，可得

將溫度u(x,t) 在(x0,t0)點沿t向前τ展開為Taylor級數，有

由式（14）可知圓柱體任意位置各個時刻的溫度可由之前一個時刻3個相鄰位置點的溫度獲得。利用迭代法，即可計算熱換器各點的溫度分布狀況，亦可求出傳熱量[30]。根據上述理論模型分析，以預熱裝置整體長寬厚信息分別為40、20、15 cm為例，模擬發動機冷卻液流經散熱器、傳熱介質以及電池加熱器過程的溫度分布規律，散熱器入口溫度為90 ℃，發動機冷卻液流率為80 L/min的情況下，仿真換熱系統各部分溫度分布，如圖4所示。

圖4 熱換器溫度分布規律

由如圖4可知：靠近發動機散熱器入口處溫度最高，達到89 ℃，靠近出口處的溫度相對較低。隨著熱換器的散熱及其距離的延伸，熱換器內部溫度逐漸降低，在靠近動力電池加器入口溫度降至28 ℃，滿足動力電池加熱的條件，達到了預期的目標。

4 控制模式

根據發動機散熱器散熱量及傳熱規律的分布，結合動力電池放熱特點，設計了一種基于基本邏輯門控制策略的發動機和電池余熱雙向預熱方法。在考慮并聯式混合動力車工作方式的基礎上，構建了面向發動機和動力電池的雙向預熱控制模式。

當混合動力車工作在發動機工作模式時，此時動力電池不工作，系統根據電池包內部溫度決定是否為其預熱，此時控制模式可用式（14）表示：

gbcs為電池預熱的控制模式，其值為0表示電池不預熱，f(upm)為電池預熱函數，ET為電子節溫器的狀態，ET = 0表示電子節溫器不打開，ET = 1表示節溫器打開。式（14）說明當電池包內部溫度大于20 ℃時，電池內部無需加熱。當電池包內部溫度小于20 ℃時，發動機電子節溫器不打開，則電池仍不預熱；節溫器打開時，開啟發動機余熱預熱電池模式。

當動力電池驅動汽車行駛時，此時發動機不工作，此時使用電池余熱為發動機機體預熱，以便再次啟動時，有較好的工作條件，此時的控制模式可用式（15）表示：

gewh為發動機預熱控制模式，其值為0時，表示不預熱。θe為發動機內部溫度。當電池包內部溫度小于35 ℃，此時電池不對外放熱，發動機不預熱； 當電池內部溫度大于35 ℃，且發動機溫度大于75 ℃時，發動機無需預熱，電池包通過熱換器冷卻，但不對發動機預熱;當電池內部溫度大于35 ℃，發動機溫度大于75 ℃時，且發動機溫度大于電池內部溫度時，發動機仍不預熱，電池包通過熱換器冷卻，不對發動機預熱; 只有當電池內部溫度大于35 ℃，發動機溫度大于75 ℃時，且發動機溫度小于電池內部溫度時，此時電池包通過發動機機體散熱，且為發動機預熱。

5 低溫試驗

為了驗證發動機與電池余熱雙向預熱裝置的預熱效果，開展了發動機和動力電池的低溫對比試驗。試驗分為二階段進行，第1階段為電池動力余熱為發動機預熱。試驗條件為將試驗車輛及設備置于-20℃冷庫中，放置2 h，確保車輛各部分溫度處于（-20±2）℃，風機模擬車速為20 m/s，環境濕度為55%，發動機及動力電池的相關參數如表1所示。

表1 發動機動力電池試驗參數表

為了更加直觀地展示電池余熱為發動機預熱效果，設置了2組試驗，即動力電池余熱預熱發動機和外加電源加熱預熱發動機。外加電源預熱裝置為一個10 kW的管道容積式PTC加熱器，用于加熱發動機缸體內冷卻液。測試設備使用FCM-05型發動機瞬態油耗測試儀，其精度為1%。ACCG-13型底盤測功機。發動機冷卻液流量使用U2000型超聲波測試儀檢測。使用負溫度系數熱探針式敏電阻測量溫度，型號為GA100K6MCD1。實驗過程：點火冷起動發動機，利用底盤測功機給汽車加載負荷，使用超聲波檢測儀測試從電池冷卻流至發動機缸內內部液流流量, 測得80 L/min。發動機分別在外接10 kW管道容積式PTC預熱下起動和電池余熱預熱條件下起動。每隔60 s分別采集發動機內部水溫（θ），并記錄繪制發動機溫升圖，如圖5所示。

由圖5可知，發動機在外接電源加熱器的預熱下，溫度上升比較快，并在11 min達到峰值，此后一直保持在較高溫度，發動機預熱效果良好。電池冷卻余熱加熱效果相對較差，前10 min，電池余熱對外不輸出余熱，此時發動機加熱，溫度一直保持在-20 ℃左右。從第11 min開始，電池對外放熱并加熱發動機冷卻液。發動機水溫上升非常緩慢，在29 min時，按到峰值51 ℃，此后一直在峰值波動。對比兩者的加熱曲線圖，可知發動機外接電源加熱效果好，發動機溫升速度快，而電池余熱加熱過程溫升緩慢，且峰值溫度較低，加熱效果相對較差。

為了驗證與對比電池余熱為發動機預熱效果，還進行了發動機冷起動節油試驗。將試驗車輛置放于-10 ℃冷庫中4 h，確保全車溫度均等。分別對比冷起動條件下發動機燃油消耗率、外接電源加熱條件下發動機起動燃油消耗率以及動力電池余熱加熱條件下發動機起動的燃油消耗率。為了真實的模擬汽車行駛工況，設定動力電池放電至60%產生的熱量預熱發動機。發動機分別在3種條件下起動，即：沒有任何預熱條件下起動、外接10 kW管道容積式PTC預熱、電池余熱預熱條件。使用油耗測試儀分別記錄3種起動條件下發動機瞬態油耗，計算5 ～ 30 s內發動機平均油耗，并繪制發動機冷起動的燃油消耗率(Q)對比圖，如圖6所示。

圖5 2種預熱情況下發動機溫升情況

圖6 發動機冷起動燃油消耗率

從圖6可知發動機在沒有任何加熱條件下燃油消耗率最高。在起動后10 s內，使用動力電池余熱加熱的發動機燃油消耗率比外接電源加熱預熱的發動機燃油消耗率要小，但10 s之后，外接電源預熱溫度逐漸上升，對應的發動機燃油消耗率逐漸降低。通過分析，可知動力電池余熱為發動機預熱的方法，能夠在一定程度上降低發動機冷起動的燃油消耗率，達到了預期目的。

根據已經建立的雙向預熱控制模型，設計了不同加熱條件下動力電池的溫升試驗。將動力電池置于-20 ℃的環境下靜置4 h后，確保電池內部溫度均等。分別記錄5 kW外接電加器、發動機余熱加熱裝置和無預熱時的電池自放電溫度上升情況，為了更加真實地模擬汽車行駛工況，設定發動機工作30 min，節溫器打開之后由發動機余熱加熱電池包。電池溫度(θb)上升曲線如圖7表示。

圖7 電池溫度上升曲線

由圖7可知：電池無預熱情況下自放電溫升速率非常慢，1 200 s的時間上升了6.9 ℃，電池包溫度容量低。電池包在外接5 kW電源加熱條件下，溫度上升速率呈現先低后高的特點，并在第1 200 s時到達到電池正常工作所需溫度。發動機余熱加熱電池溫度上升速率非常大，在第300 s即可達到電池正常工作所需最低溫度，在第540 s達到電池內部保溫最高點29 ℃，加熱效果非常優異。

為了驗證數學模型和仿真結果的可靠性，還對熱換器的進水口、出水口溫度進行了測量，記錄結果為進水口溫度為32.9 ℃，出水口溫度為31 ℃。圖4的仿真結果顯示進水口溫度為32.1 ℃，出水口溫度為30.3 ℃。對比仿真與試驗結果可知進水口與出水口的誤差分別為2.4%和2.2%，說明數學模型和仿真仿真方法的可行性較高。

圖8為電池預熱過程中的耗能（Eb）情況，以此來對比發動機余熱預熱電池過程的節能效果。

從圖8可知：外接電源加熱耗能大于發動機余熱加熱耗能，并且隨著時間的推進，兩者之間的差距越來越大。在450 s時，電加熱耗能是發動機余熱耗能的20倍，說明發動機余熱加熱電池能夠明顯降低耗能，節約能量。

圖8 電池加熱耗能對比圖

6 結 論

探索了發動機和動力電池冷卻余熱利用的新途徑，在建立發動機與動力電池余熱模型的基礎上，提出了一種發動機與電池冷卻余熱再利用的雙向循環預熱方法，通過溫升和節能試驗，溫升對比曲線圖，得出了以下結論：

1） 在發動機不工作時，動力電池余熱能為發動機預熱，但與常規電加熱相比，效果不佳，該系統能夠在一定程度上提升發動機機體內水溫溫度，使發動機水溫保持在51℃，節約了發動機冷起動的能量消耗率，提高了燃油效率。

2） 在發動機工作時，利用發動機余熱為動力電池預熱，使動力電池溫度保持在29 ℃。與常規電加熱相比，該系統預熱溫升快，能量消耗低，有效解決了并聯式混合動力車動力電池低溫預熱的問題。

3） 對比試驗與仿真結果顯示，誤差率在可接受范圍，從而證實了數學模型的正確性，該模型為分析混合動力車發動機與動力電池冷卻余熱再利用提供了理論基礎，對混合動力車預熱產品的研制和設計具有一定的工程價值。