電動(dòng)汽車電機(jī)主動(dòng)加熱技術(shù)應(yīng)用與測(cè)試

李 超，原梅妮，孫 明，蔡云貴，魏文菲,3

（1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司，河北省汽車技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 保定 071000；2.中北大學(xué) 航空宇航學(xué)院，山西 太原 030051；3.未勢(shì)能源科技有限公司，河北 保定 071000）

電動(dòng)汽車較內(nèi)燃機(jī)汽車具有能量轉(zhuǎn)換效率高、噪音小、整車零排放等優(yōu)點(diǎn)[1]，使其逐漸成為新能源汽車的發(fā)展趨勢(shì)。但受低溫環(huán)境影響，電動(dòng)汽車在功能、性能方面仍有諸多問題需要完善[2]。

1）鋰離子電池作為當(dāng)前電動(dòng)汽車的主要能源，具有比功率高、能量密度大等優(yōu)點(diǎn)，但其可用電量及其充、放電功率受低溫環(huán)境影響顯著下降[3]，且低溫充電會(huì)因陽(yáng)極析鋰加速電池老化[4-5]。為使鋰離子電池恢復(fù)至正常/最佳狀態(tài)，電池加熱功能尤為重要，通過在電池外部增加高溫氣體/液體循環(huán)管路、電加熱板、相變材料等方式，使熱量由電池外部向內(nèi)傳導(dǎo)，稱外部加熱法；反之，內(nèi)部加熱則利用電流流通電池內(nèi)阻產(chǎn)生焦耳熱實(shí)現(xiàn)自熱，可細(xì)分為充電加熱、放電加熱和交流激勵(lì)加熱[6]。

2）電動(dòng)汽車無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒廢熱，需額外配置正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient, PTC）或熱泵系統(tǒng)以滿足乘員艙采暖需求，雖然熱泵系統(tǒng)較PTC可有效降低采暖能耗并提升低溫續(xù)駛里程35%以上[7]，但受R134a、R1234yf等傳統(tǒng)制冷劑和空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)影響，環(huán)境溫度低于?5℃后，傳統(tǒng)熱泵制熱效果很差[8-9]。為提升熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的能效比（Coefficient of Performance, COP）和可靠性，已知的改善方案包括：回收電機(jī)和電池余熱、應(yīng)用蒸汽噴射增焓或補(bǔ)氣增焓技術(shù)、開發(fā)CO2熱泵系統(tǒng)等[10]。

另一方面，如今各大車企、高校以及研究所都在通過各種手段提升電機(jī)效率[11-12]，電機(jī)熱量愈發(fā)減少，且在停車工況，電機(jī)閑置，更無(wú)熱量可言。為使電機(jī)在不同場(chǎng)景、工況下得到充分利用，同時(shí)彌補(bǔ)電池、熱泵系統(tǒng)的低溫缺陷。特斯拉Model 3及后續(xù)車型、比亞迪海豚均已開發(fā)并應(yīng)用電機(jī)主動(dòng)加熱技術(shù)，通過主動(dòng)降低電機(jī)效率或堵轉(zhuǎn)，即可以用電機(jī)作為熱源代替PTC（冷卻液循環(huán)）對(duì)電池進(jìn)行加熱，或被空調(diào)回收，借助室內(nèi)冷凝器等零部件向乘員艙釋放熱量實(shí)現(xiàn)熱泵采暖。現(xiàn)階段，有關(guān)電機(jī)主動(dòng)加熱技術(shù)的文獻(xiàn)較少[13-16]，且均為優(yōu)點(diǎn)介紹，性能數(shù)據(jù)匱乏，為客觀看待新技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，本文基于電機(jī)主動(dòng)加熱技術(shù)開發(fā)全新熱管理系統(tǒng)架構(gòu)，并分別通過低溫快充、空調(diào)采暖工況測(cè)試了電池溫升速率、電機(jī)加熱能力及其效率，為電機(jī)主動(dòng)產(chǎn)熱功能的應(yīng)用場(chǎng)景識(shí)別、策略開發(fā)和優(yōu)化提供參考意見。

1 熱管理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 熱管理系統(tǒng)架構(gòu)

以滿足電機(jī)、電池冷卻基礎(chǔ)功能為前提，設(shè)計(jì)如圖1所示的電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)架構(gòu)，目的在于使電機(jī)產(chǎn)熱功能及其熱量得到充分利用。可實(shí)現(xiàn)功能如下：

1）傳統(tǒng)電機(jī)冷卻+電池冷卻功能，水路循環(huán)模式參考圖1(a)，其中電機(jī)通過散熱器冷卻，電池通過空調(diào)系統(tǒng)（Chiller）冷卻；

2）電機(jī)產(chǎn)熱加熱電池功能，水路循環(huán)模式參考圖1(b)，其中電機(jī)水路與電池水路為并聯(lián)關(guān)系，當(dāng)Chiller的出口水溫高于電池溫度時(shí)，即可開通電池截止閥實(shí)現(xiàn)電池加熱；

圖1 熱管理系統(tǒng)架構(gòu)

3）輔助熱泵采暖功能，基于圖1(b)模式，通過Chiller吸收電機(jī)熱量為熱泵補(bǔ)熱提升采暖效果，如電池加熱同步開啟，則需嚴(yán)格控制Chiller吸熱能力，確保電池入口水溫高于電池溫度，電池加熱速率受熱泵影響而降低；電池停止加熱后，隨即關(guān)閉電池截止閥，Chiller能力不再受限，所有電熱供熱泵系統(tǒng)使用。

1.2 熱管理控制策略

參考熱管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，電機(jī)熱量可用于電池加熱和熱泵采暖，其中，熱泵采暖功能包括簡(jiǎn)易熱泵（無(wú)電機(jī)主動(dòng)加熱）和電機(jī)主動(dòng)加熱熱泵兩種形式。

在圖1(b)所示回路模式下，如熱泵開啟，Chiller吸收水路熱量會(huì)對(duì)電池加熱性能產(chǎn)生影響，故當(dāng)電機(jī)加熱電池時(shí)，熱管理系統(tǒng)需禁止簡(jiǎn)易熱泵開啟，空調(diào)系統(tǒng)改用其他采暖部件（如PTC）進(jìn)行采暖；而在極低溫條件下，乘員艙需求更多熱量以滿足采暖需求，因此，在電機(jī)加熱電池期間有必要激活電機(jī)主動(dòng)加熱熱泵以提升乘員艙的采暖性能，同時(shí)限制熱泵系統(tǒng)（Chiller）的吸熱能力直至電池加熱結(jié)束，電池停止加熱后，熱管理系統(tǒng)將基于采暖需求在兩種熱泵模式間切換。

綜上，電池加熱和熱泵功能的策略優(yōu)先級(jí)可表述為電機(jī)加熱電池≥電機(jī)主動(dòng)加熱熱泵>簡(jiǎn)易熱泵。

2 試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)車輛

為充分驗(yàn)證電機(jī)主動(dòng)加熱能力，本文基于全新熱管理系統(tǒng)架構(gòu)完成某款電動(dòng)汽車改制，車輛基本參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)車參數(shù)

2.2 試驗(yàn)工況

本文基于某企業(yè)低溫快充工況和空調(diào)采暖工況對(duì)電機(jī)加熱功能、性能進(jìn)行驗(yàn)證和分析。

2.2.1 低溫快充

在?7 ℃環(huán)溫條件下，車輛以30%初始荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）和80 km/h車速行駛放電， SOC降至0%后立即開始快充，SOC升至80%試驗(yàn)結(jié)束。

試驗(yàn)期間，空調(diào)采暖全程開啟：設(shè)置目標(biāo)溫度至最高、外循環(huán)、吹面模式 、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)速60%。同時(shí)，為充分驗(yàn)證電機(jī)產(chǎn)熱性能，分別設(shè)置行車、快充模式下的電池加熱目標(biāo)溫度為15 ℃、20 ℃。

2.2.2 空調(diào)采暖

在?20 ℃環(huán)溫、100% SOC條件下，以32 km/h車速行車20分鐘，再以73 km/h車速行車10分鐘后試驗(yàn)結(jié)束。

試驗(yàn)期間，空調(diào)采暖全程開啟：設(shè)置目標(biāo)溫度至最高、外循環(huán)、吹面和除霜模式、鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)速70%～80%。電池加熱目標(biāo)溫度仍設(shè)為15 ℃。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

為準(zhǔn)確獲取、計(jì)算各位置熱量數(shù)據(jù)，使用如表2所示設(shè)備采集電機(jī)、電池以及空調(diào)側(cè)數(shù)據(jù)。

表2 試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 低溫快充

基于低溫快充工況設(shè)定，乘員艙和電池均有加熱需求，但由于乘員艙的冷負(fù)荷較低，故在電池加熱過程中，空調(diào)系統(tǒng)僅用PTC進(jìn)行采暖，不會(huì)喚醒電機(jī)主動(dòng)加熱熱泵功能。

圖2為電機(jī)加熱電池的過程數(shù)據(jù)。其中，在80 km/h車速下，冷卻液獲得的有效熱量約為3 kW（最高3.5 kW），行車結(jié)束時(shí)電池最低溫度升至12 ℃，平均溫升速率約0.44 /min℃ ；轉(zhuǎn)入快充（停車）后，冷卻液可獲得的有效加熱量降至2 kW，電池平均溫升速率約為0.54 /min℃ ，充電約11 min后電池達(dá)到目標(biāo)溫度停止加熱，后續(xù)數(shù)據(jù)不再分析。

圖2 低溫快充試驗(yàn)溫升曲線

基于圖2低溫快充溫升曲線發(fā)現(xiàn)：

1）電池加熱初期，傳遞到冷卻液中的熱量較低，其主要原因是電機(jī)本體和冷卻液溫度過低，電機(jī)產(chǎn)熱主要用于加熱電機(jī)本體，而隨著電機(jī)本體溫度逐漸升高，傳遞到冷卻液中的熱量逐步得到提升；

2）隨后，電池加熱（行車階段）逐漸趨于穩(wěn)定，電機(jī)進(jìn)口水溫和電池溫度保持同步上升，電機(jī)本體溫度雖有波動(dòng)，但仍保持上升趨勢(shì)，相反，傳遞到冷卻液中的熱量卻受電機(jī)本體溫度影響較小，整體趨勢(shì)較為平穩(wěn)；

3）行車結(jié)束至快充開始前，車輛SOC為0，電池停止加熱，電機(jī)本體溫度、冷卻液溫度受低溫環(huán)境影響而降低；

4）進(jìn)入快充后，熱管理系統(tǒng)恢復(fù)電池加熱功能，但受車速影響，停車狀態(tài)下的電機(jī)加熱量明顯低于行車狀態(tài)，而電池的溫升速率卻比行車狀態(tài)更高，其主要原因是快充工況下，電池充電電流更大，電池內(nèi)部阻抗產(chǎn)熱變大，自升溫更快[6,17]。

基于式（1）—式（3）分別計(jì)算驅(qū)動(dòng)功率、電機(jī)加熱功率（電機(jī)損耗功率）以及加熱效率，繪制如圖3所示電機(jī)加熱能力曲線。可以看出，在80 km/h車速和停車工況下，開啟電機(jī)主動(dòng)加熱功能后，電機(jī)加熱功率約為2.8 kW，但從冷卻液獲得的熱量以及加熱效率均可看出，受車速影響，快充（停車）狀態(tài)下傳遞到冷卻液中的熱量明顯低于電機(jī)加熱耗電功率，電機(jī)加熱效率僅約70%，該效率明顯低于傳統(tǒng)PTC熱敏加熱器（加熱效率約90%或更高）；而在80 km/h車速下，除電池加熱初期（0～800 s）外，電機(jī)平均加熱效率高達(dá)102%，其主要原因是在行駛狀態(tài)下，部分驅(qū)動(dòng)功率因傳動(dòng)損耗轉(zhuǎn)化為廢熱被冷卻液吸收，電機(jī)總產(chǎn)熱量被動(dòng)提升，導(dǎo)致使用總產(chǎn)熱量計(jì)算的加熱效率虛假偏高；而停車后，電機(jī)不再產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)功率，故此時(shí)的加熱效率為電機(jī)主動(dòng)加熱功能的真實(shí)值。

圖3 低溫快充試驗(yàn)電機(jī)加熱能力

式中，Pe為電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率；T為電機(jī)扭矩；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；Um為電機(jī)電壓；Im為電機(jī)電流；Pheat為電機(jī)加熱功率；Pc為冷卻液從電機(jī)獲得的有效熱量；ηheat為電機(jī)加熱效率。

3.2 空調(diào)采暖

與?7 ℃低溫快充試驗(yàn)不同，?20 ℃環(huán)境溫度過于嚴(yán)苛，為確保乘員艙室內(nèi)溫升速率滿足采暖性能需求，電機(jī)主動(dòng)加熱熱泵在空調(diào)采暖試驗(yàn)過程中被喚醒，即電機(jī)產(chǎn)熱量一部分被熱泵（Chiller）吸收，另一部分用于電池加熱。

基于圖4數(shù)據(jù)分析，在低車速（32 km/h）狀態(tài)下冷卻液獲得的有效熱量約2.4 kW，1200 s時(shí)電池最低溫度由?19 ℃升至?10 ℃，平均溫升速率約0.45 /min℃ ；車速提升至73 km/h后，冷卻液獲得的有效熱量提升至3 kW，直至1800 s試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，電池最低溫度升至?4 ℃，平均溫升速率約0.6 /min℃ 。

圖4 空調(diào)采暖試驗(yàn)溫升曲線

空調(diào)采暖試驗(yàn)的溫升曲線與低溫快充試驗(yàn)表現(xiàn)較為一致。

1）加熱初期，電機(jī)產(chǎn)熱主要用于加熱電機(jī)本體，傳遞到冷卻液中的熱量隨電機(jī)本體溫度升高而增大，冷卻液和電池溫度變化緩慢，此時(shí)，雖然電機(jī)主動(dòng)加熱熱泵功能不受熱管理策略限制，但由于冷卻液溫度過低，熱泵系統(tǒng)（壓縮機(jī)）仍無(wú)法正常啟動(dòng)，乘員艙僅通過PTC實(shí)施采暖；

2）當(dāng)電機(jī)進(jìn)口水溫升至?7 ℃（240 s）時(shí)，壓縮機(jī)啟動(dòng)，電機(jī)低效產(chǎn)熱，熱泵、電池加熱功能同步運(yùn)行，受Chiller吸熱影響，電機(jī)進(jìn)口水溫出現(xiàn)短時(shí)、緩慢下降，電機(jī)本體和冷卻液溫差迅速拉大，促使冷卻液獲得的有效熱量以更快的增長(zhǎng)速率達(dá)到平衡趨勢(shì)；

3）電機(jī)本體與其進(jìn)口水溫保持恒定溫差同步增長(zhǎng)，故冷卻液獲得的有效熱量亦表現(xiàn)恒定，另一方面，電池溫度雖可持續(xù)、穩(wěn)定增長(zhǎng)，但受傳熱速率影響未能與冷卻液保持恒定溫差，溫升速率較低；

4）車速提高后，冷卻液可獲得的有效熱量迅速提升，電機(jī)本體溫度及其進(jìn)口水溫雖然出現(xiàn)短暫波動(dòng)，但很快便再次進(jìn)入同步增長(zhǎng)階段，與此同時(shí)，受系統(tǒng)水溫影響，熱泵能效比得到改善，直至冷卻液溫度升至10 ℃后，壓縮機(jī)開始出現(xiàn)間歇啟停現(xiàn)象，導(dǎo)致冷卻液獲得的熱量曲線出現(xiàn)明顯波動(dòng)，與之相反，電池溫升曲線卻受空調(diào)狀態(tài)影響較小，整體趨勢(shì)與電機(jī)進(jìn)口水溫保持同步增長(zhǎng)，直至試驗(yàn)結(jié)束。

基于圖5的電機(jī)加熱數(shù)據(jù)分析，低速工況下，電機(jī)加熱功率約3.7 kW，明顯高于低溫快充試驗(yàn)數(shù)據(jù)，而64%的加熱效率更是低于快充（停車）狀態(tài)下的加熱效率（70%），該現(xiàn)象說明，雖然低速行車有傳動(dòng)損耗輔助加熱，但同時(shí)增大了冷空氣與電機(jī)殼體的對(duì)流換熱，導(dǎo)致低速狀態(tài)下的電機(jī)加熱效率受熱損失影響反而低于停車狀態(tài)；車速提高后，電機(jī)加熱功率降至3.1 kW，連同傳動(dòng)損耗產(chǎn)熱，電機(jī)平均加熱效率提升至96%（無(wú)參考價(jià)值），該性能與低溫快充試驗(yàn)中的行車工況表現(xiàn)相當(dāng)。

圖5 空調(diào)采暖試驗(yàn)電機(jī)加熱能力

從圖6看出，電池加熱和電機(jī)主動(dòng)加熱熱泵同時(shí)開啟期間，熱泵系統(tǒng)可向乘員艙提供熱量至少1 kW；如若電池停止加熱，電機(jī)熱量全部用于熱泵采暖，基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析，熱泵制熱量預(yù)估可提升至3 kW，乘員艙采暖性能將得到極大提升。

圖6 空調(diào)采暖試驗(yàn)熱量分配曲線

眾所周知，能效比為評(píng)估熱泵系統(tǒng)優(yōu)越性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，故基于圖6匯總的壓縮機(jī)功耗和熱泵制熱量（冷凝器換熱量）數(shù)據(jù)，計(jì)算得出如圖7所示的熱泵能效比曲線。從圖7壓縮機(jī)開啟至頻繁啟停期間，雖然熱泵系統(tǒng)平均能效比為109%，制熱效率較為優(yōu)異，但從電機(jī)主動(dòng)加熱熱泵及其控制系統(tǒng)分析，原本在?20 ℃極低溫條件下無(wú)法正常啟動(dòng)的熱泵系統(tǒng)，卻能以電機(jī)主動(dòng)加熱為熱源恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)并持續(xù)為乘員艙供熱，因此，在計(jì)算整車級(jí)熱泵能效比時(shí)，需要將熱泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電機(jī)加熱功率納入耗電功率進(jìn)行計(jì)算，考慮電機(jī)主動(dòng)加熱時(shí)，一部分熱量用于電池加熱，一部分熱量被Chiller吸收，最終整車熱泵能效比計(jì)算方法如公式（4）所示，計(jì)算結(jié)果更具客觀性。

圖7 空調(diào)采暖試驗(yàn)制熱效率

式中，COPtotal為整車采暖能效比；QHP為熱泵制熱量；Qchiller為熱泵（Chiller）吸熱量；Qbattery為電池吸熱量；Pcom為壓縮機(jī)功率；Pheat同上為電機(jī)加熱功率。

經(jīng)對(duì)比，電機(jī)主動(dòng)加熱熱泵的整車效率（平均56%）明顯低于電機(jī)加熱效率，其主要原因是受電池加熱需求限制，系統(tǒng)水溫高于環(huán)境溫度后，熱管理系統(tǒng)無(wú)法再借助散熱器吸收環(huán)境熱量，電機(jī)成為極低溫條件下開啟熱泵的唯一熱源，基于熱力學(xué)第一、第二定律可知，電機(jī)主動(dòng)加熱熱泵的整車效率必然低于電機(jī)加熱效率。

4 結(jié)論

1）電機(jī)主動(dòng)加熱技術(shù)在電動(dòng)汽車領(lǐng)域具備可實(shí)施性，根據(jù)整車需求可將熱量分配予電池或熱泵使用；

2）受電機(jī)自身結(jié)構(gòu)及其特性影響，電機(jī)需先完成自熱才能向外界（冷卻液）輸送熱量，因此加熱初期收效甚微；

3）電機(jī)總產(chǎn)熱量受車速影響較大，怠速工況下，電機(jī)可提供的有效熱量約2 kW，加熱效率約70%；低速行駛（32 km/h）時(shí)，電機(jī)殼體與外界環(huán)境的對(duì)流換熱增大，加熱效率降至64%，冷卻液獲得有效熱量?jī)H為2.4 kW；高速行駛（80 km/h）后，電機(jī)傳動(dòng)損耗增大，平均總產(chǎn)熱量提升至3 kW，電機(jī)加熱效率建議參考停車工況；

4）通過電機(jī)低效產(chǎn)熱激活熱泵，效率過低，建議僅在極低溫工況下短時(shí)間輔助其他加熱設(shè)備進(jìn)行快速補(bǔ)熱，長(zhǎng)時(shí)間開啟將增大整車能耗；

5）作為提升整車采暖性能的新興功能，可考慮降低空調(diào)采暖PTC功率，通過電機(jī)主動(dòng)補(bǔ)熱使采暖性能不受影響，達(dá)到降低整車開發(fā)成本的目的；而針對(duì)小改款車型，在不改變車輛配置的前提下增加電機(jī)主動(dòng)加熱功能，更有利于提升采暖初期乘員艙的溫升速率。