純電動汽車熱泵型整車熱管理系統開發技術研究

王偉民，王小碧，徐人鶴，汪毛毛，施 睿，楊志勇，萬超輝，胡彬瑩，石 琳

（東風汽車集團有限公司技術中心，武漢 430058）

近年來，隨著國內外的純電動汽車產品越來越普及，各方面的技術逐漸成熟，消費者逐漸接受了純電動汽車，銷量有了很大的提升，而且2019 年純電動乘用車銷量占當年新能源乘用車銷量的80.5%[1]。但是，隨著用戶的增加，使用區域也逐漸遍布熱帶、溫帶、寒帶和極寒等地區，各種氣候環境導致的使用過程中的諸多問題也逐漸暴露出來，高低溫環境下續駛里程衰減嚴重和快充時間大大延長是當前純電動汽車用戶諸多痛點中的兩大痛點[2]。

各大汽車公司和科研機構已經充分認識到了熱管理相關的兩大痛點的重要性，分別從不同環境溫度下純電動汽車續駛里程測評方法、夏冬季負荷特性、高低溫續駛里程改善、整車熱管理系統設計和控制等方面開展了深入研究，逐步改善新能源汽車全氣候使用的痛點問題[3-5]。

隨著三電（電池、電機和電控）熱管理要求的不斷提高，純電動汽車熱管理系統逐漸從最初的三電熱管理（電池風冷、電機和電控水冷）和乘員艙空調系統各自分離的整車熱管理系統，過渡到基于全水冷方式構建的三電溫控系統和乘員艙空調系統緊耦合的整車熱管理系統，還添加了電機余熱回收功能，實現了三電熱管理和乘員艙空調的各種功能完整、保證三電熱安全、兼顧節能（電機和電控余熱再利用）的整車熱管理系統的構建，成為了主流的非熱泵型整車熱管理技術方案[6-7]。但是，由于系統中低溫加熱熱源PTC 耗能較高，導致低溫環境下純電動汽車續駛里程衰減嚴重，所以各家主機廠逐漸導入熱泵作為低溫環境下的高效熱源，將電機/電控溫控、動力電池溫控、乘客艙空調進行全面考慮，構建更加高效節能的整車熱管理系統[8-9]。

本文針對某量產純電動汽車車型的整車熱管理系統，按照V 字型開發流程，著重對系統功能和性能定義、性能分解和匹配，系統設計，系統仿真，控制系統開發、標定和試驗驗證等各個子領域中的重點開發技術進行了綜合研究，提出了解決純電動汽車全氣候使用問題的解決方案。盡管各子領域的關鍵開發技術還需進一步改進，但是建立比較完整的純電動汽車熱泵型整車熱管理系統開發技術體系是十分必要的。

1 純電動汽車熱泵型整車熱管理系統概要

為了改善純電動汽車低溫續駛里程的衰減問題，非熱泵型和熱泵型兩種整車熱管理系統都已經被廣泛采用，實際開發中可以根據純電動汽車的車型級別和性價比，選擇整車熱管理系統的類型。如圖1 所示的非熱泵型整車熱管理系統，低溫環境下的加熱功能主要為：采用PTC 對乘員艙進行加熱，行車工況下把電驅動系統和電池、空調的水回路在低溫下聯通，實現電機余熱回收并給電池包進行加熱等功能，同時對乘員艙及電池溫度實施智能控制。該方案可將電池能量較好地轉化為用戶所要求實現的動力經濟性目標，滿足用戶對三電系統及乘員艙的加熱和冷卻需求，同時保證三電系統在高溫條件下的熱安全，控制系統及熱管理回路相對簡單容易實現，總成本較低。

圖1 帶電機余熱回收的非熱泵型整車熱管理系統

圖2 所示的熱泵型整車熱管理系統是在非熱泵型整車熱管理系統的基礎上，把其核心部分變更成使用R134a 制冷劑的熱泵系統，給整車熱管理系統提供合適的冷源和高效的熱源。為了進一步改善整車熱管理性能，還需要對三電系統提出電機和電池熱管理的相關改善措施。圖2 中制冷劑回路的控制閥組實現熱泵的制熱和制冷功能，正在申請專利，在此不便公開。

圖2 帶電機余熱回收的熱泵型整車熱管理系統

2 熱泵型整車熱管理系統的V 字形開發流程

目前整車熱管理系統開發采用了如圖3 所示的V 字型開發流程，強調系統開發要有頂層設計理念，系統功能和性能定義要滿足整車要求，零部件匹配選型要有仿真在內的科學計算工具。控制系統功能性能的實現要與臺架和整車試驗驗證有機結合。

圖3 熱泵型整車熱管理系統開發流程概要

3 功能和性能定義

系統功能方面，有別于傳統燃油車熱管理系統服務于發動機冷卻和冷暖空調系統的功能需求，純電動車的服務對象為電驅動、電池和乘員艙，其中電池的溫度適應范圍更窄，對熱管理系統的功能要求更高。一般來說，一個完整的整車熱管理系統應該具備表1 所示的9 種基本功能模式，可根據其他具體需求，組成滿足適用于不同環境溫度（極低溫、低溫、常溫、高溫）和不同的車輛行駛狀態（快充、有或無爬坡行駛、低速或高速行駛）的30 多種的組合功能模式，滿足車輛各種使用要求。

表1 熱管理系統的基本功能需求

由于整車驅動方式和補能方式的變化，整車熱管理的設計目標和設計工況也與傳統燃油車有較大區別，總體可以分為3 類：系統熱安全指標、熱舒適性指標、全氣候用戶使用便利性指標（以EVTEST 為主），見表2。

表2 整車設計考核工況

表2 中全氣候使用利便性的4 個指標體現了開發車型的競爭力，直接關系到用戶的體驗評價，熱安全、熱舒適性兩類目標是必達目標。三類性能目標要同時考慮，保證系統性能均衡協調。

4 性能分解和匹配

為保證全氣候使用便利性、整車熱安全和熱舒適性等性能目標的達成，需要將整車性能向子系統和零部件進行分解，影響性能達成的因素和分解過程如圖4 所示。

圖4 性能分解思路

對于低溫續駛里程衰減率，可先根據電池包定義的浸車終止溫度計算得到電池包的初步保溫要求；再根據電池包定義的續駛時平衡溫度和電驅動系統余熱可利用量，計算得到電驅動系統的保溫要求；隨后可根據電池包低溫放電性能和低溫續駛里程衰減率要求，分解計算得到壓縮機和低壓附件的能耗要求；最后依據低溫續駛工況時乘員艙的負荷，得到空調系統的低溫能效比要求。

對于高溫續駛里程衰減率，可根據電池包高溫放電性能和高溫續駛里程衰減率要求，分解計算得到壓縮機和低壓附件的能耗要求；然后依據高溫續駛工況時乘員艙的熱負荷，得到空調系統的高溫能效比要求。

對于低溫快充時間延長率，可先根據電池包的初步保溫要求，計算得到電池包浸車后的初始溫度；再根據整車充電策略和低溫快充時間增加率要求，計算得到快充時電池包的加熱功率要求。

對于高溫快充時間延長率，可先根據電池包的初步保溫要求，計算得到電池包浸車后的初始溫度；再根據整車充電策略和高溫快充時間增加率要求，計算得到快充時電池包的冷卻功率要求。

對于熱平衡考核工況和空調性能考核工況，先計算得到各工況下電池包、電驅動系統、乘員艙的冷熱負荷，即可確定幾個關鍵換熱器的散熱量和制冷劑閥選型要求；然后根據制冷劑的狀態計算得到壓縮機的選型要求；隨后根據進風量和水流量等要求，確定各換熱器的散熱能力選型要求；最后根據進風量要求和前端模塊進風量三維仿真確認風扇和前端換熱器的風阻選型要求，根據水流量要求和流阻仿真確認水泵性能和各換熱器的水阻選型要求。同理，可計算定義空調箱內蒸發器、暖風芯體和鼓風機的選型要求。

5 仿真預測

根據熱管理系統的開發進度，系統仿真預測在不同階段有不同的仿真目的，相應的模型復雜度也在不斷演進，仿真精度不斷提升，如圖5 所示。

圖5 系統開發與仿真目的

在概念設計階段結合零部件匹配選型進行子系統的性能仿真校核，因篇幅所限不在此詳述。在詳細設計階段，需要對整車性能進行可達成性驗證，有別于燃油車熱管理系統的獨立性，純電動車熱管理系統高度耦合，需要將各系統進行聯合建模，并加入一定控制策略，如圖6 所示。

圖6 整車熱管理系統仿真模型

對整車的熱安全、熱舒適性和高低溫續駛里程等關鍵設計要求進行預測，在實車試驗前期進行性能的可達成性判斷。如圖7 所示的部分仿真結果表明，低溫（-7°C）EV-TEST 試驗過程中，壓縮機功耗與非熱泵型整車熱管理系統相比大大降低，有助于提升低溫下的續駛里程。

圖7 低溫續駛工況下的電池SOC 和壓縮機功耗

如需進一步對控制參數進行標定，需要將物理模型與Matlab-Simulink 控制模型進行耦合仿真。

6 控制系統

6.1 控制系統硬件

根據整車功能規范編寫的熱管理控制軟件集成在動力域控制器中，乘員艙自動空調的控制軟件集成在車身域控制器中，不再使用獨立的整車熱管理和自動空調的控制器硬件。

圖8 整車熱管理控制系統的硬件配置

6.2 控制系統軟件概要

熱管理系統控制軟件需要根據整車熱管理控制功能規范的要求，控制電池熱管理回路、電驅動（電機和電控）熱管理回路和乘客艙空調回路的運行，熱管理功能模式要根據三者的需求綜合判定。整車熱管理系統運行過程中，首先接收BMS 發出的電池熱管理請求、AC 發出的乘客艙需求，以及電驅動系統發出的熱管理請求，再通過判斷車輛充電狀態、車速信息、環境溫度等輔助信號，綜合判斷確定當前的熱管理功能模式狀態，把控制信號發送給熱管理系統的各個受控零部件，零部件執行相應的控制策略實現所需的熱管理功能模式。

圖9 整車熱管理系統軟件的內部分

控制軟件分成4 層，第1 層為熱管理軟件主體，第2層分為信號處理、模式狀態控制、兩個子系統（水系統和制冷劑系統）的控制和診斷的軟件模塊，第3 層是第2 層的細節策略，第4 層是傳感器和執行器診斷軟件模塊下的各執行器零部件的診斷程序。

7 試驗驗證

7.1 臺架標定和試驗驗證

純電動汽車熱泵型整車熱管理系統開發過程中，需要先進行熱泵性能臺架驗證，然后再進行整車熱管理系統環模標定和道路標定，最后進行整車高低溫性能驗收，考核整車熱管理性能是否達標。

熱泵型整車熱管理系統性能臺架標定重點需要對制冷劑系統的制冷和制熱性能進行標定測試，確保系統高效穩定運行。為了進一步驗證整車熱管理系統，可以增加部分水回路，驗證部分整車熱管理系統功能，如圖10 所示。

圖10 熱泵型整車熱管理系統臺架示意

通過熱泵性能臺架，快速驗證系統性能，并對壓縮機轉速、膨脹閥開度、閥前過冷度等物理量進行初步標定。表3 是針對某乘用車熱管理系統性能臺架標定的初步結果。熱泵模式下整車熱管理系統的制熱COP 及制熱量滿足設計要求。

表3 熱泵性能臺架部分工況標定

7.2 環模和試驗驗證

完成臺架標定后，需進一步在實車上驗證整車熱管理系統性能。驗證前需對整車熱管理系統零部件狀態和整車氣密性進行檢查，確保整車狀態符合設計要求。在進行整車熱管理系統環模標定時，通常包括最大降溫、最大升溫、各個重要標定量的線性掃描標定以及整車使用工況下熱管理系統能耗等，見表4。對乘員艙升降溫策略、電池包加熱冷卻策略、除霜除霧策略、電池乘員艙同時加熱或制冷策略進行詳細標定和驗證。

表4 整車環模標定部分工況[11]

7.3 路試標定和試驗驗證

經過充分的環模驗證后，還需要進行寒區、熱區及春、秋季的道路適應性標定，以此確保整車熱管理系統滿足用戶使用要求。對于國內汽車企業來說，熱區試驗基本在夏季（7 月、8 月和9 月）的吐魯番進行，寒區試驗基本在冬季（12 月、1 月和2 月）的黑河、漠河等地進行，春秋季標定則各有不同。

8 結論

本文結合純電動汽車的整車熱管理系統實際開發過程，深入研究了整車熱管理系統開發的各項開發技術，通過對實際車型的整車熱管理功能和性能的試驗驗證，得出以下結論：

（1）純電動汽車整車熱管理系統開發的成功需要基于V 字形開發流程的一系列開發技術，已經通過實際車型的整車熱管理系統開發實踐逐步完善了各項開發技術。

（2）整車熱管理性能指標的達成，除了熱泵型整車熱管理系統本身的性能目標達成以外，還需要三電系統的核心零部件，特別是電池和電機的熱管理性能改善措施的進一步支撐。

以往整車熱管理系統開發，常常是主機廠和系統供應商的合作開發，但系統供應商起到了系統集成的關鍵作用。隨著整車熱管理系統的高度耦合化、集成化和智能化，今后建議以主機廠為主進行系統集成、供應商協作的合作方式，主機廠統籌整車熱管理系統高性價比目標的實現，供應商主要在提供高性能的核心零部件方面起到關鍵作用。主機廠深入研究V 開發流程中的系統集成各項關鍵開發技術，對研究開發高效可靠的純電動汽車整車熱管理系統具有重要意義。