某PHEV 乘員艙及動力電池熱管理方案和策略優化研究

陳 俊，張 澳，王秋明

（1.濰柴動力股份有限公司，上海 201100；2.濰柴新能源商用車有限公司，山東 萊陽 265200）

1 引言

新能源整車熱管理由電池包熱管理、乘客艙熱管理和電機驅動系統熱管理中的2個或3個子系統組成[1]，雖然PHEV車型主要動力來源為發動機，但在快充、加速助力、制動能量回收等工況中，功率型動力電池會提供幾倍于額定容量的電流，故PHEV車型的熱管理方案和策略有其特殊的地方。

W公司對一代PHEV中乘客艙熱管理與發動機強耦合進行分析，提出電池、乘員艙的集成化設計要求。本文根據項目開發流程，首先對乘員艙與電池制冷、加熱進行集成化方案設計，接著利用仿真分析軟件對系統的策略進行仿真和優化，最后在高溫、高寒試驗中對設計方案進行驗證，結果表明集成化設計可以滿足整車的性能指標，并且實現降本、降重的設計任務。

2 一代PHEV熱管理方案

一代PHEV熱管理框圖見圖1，其中乘員艙為圖中左上藍色實線部分，制冷、采暖與燃油車相同；發動機為黃色實線部分，發動機散熱器與風扇1實現發動機的溫度控制；電池為中間綠色實線部分，由獨立冷卻機組實現電池溫度的控制，其中機組自帶電動壓縮機、Chiller、冷凝器、水泵、WPTC；電機、電控回路為黑色實線部分，主要通過電子水泵、低溫散熱器及風扇2實現水溫的控制。

圖1 一代PHEV熱管理框圖

2.1 電器件簡介

一代熱管理系統的乘員艙內有空調控制面板和鼓風機，底盤上有三態壓力開關、機械壓縮機、冷凝風機、獨立機組等電器件。動力電池為錳酸鋰的功率型軟包電池，電壓范圍為291.6～448.2V，自帶加熱膜，2C快充發熱量為1256W，3C放電發熱量為1675W。

2.2 控制邏輯簡介

一代車型的子系統間相互獨立，乘員艙內的空調系統與傳統燃油車相同，客戶需要制冷或者加熱時，通過空調控制器與VCU交互，且都需要開啟發動機。電池由獨立冷卻機組實現溫度的控制，機組響應BMS 0x18FF45EF發出的自循環、制冷、加熱的工作模式。

電池熱管理流程簡介如下。

BMS在檢測到電池單體溫度Tmax＞35℃時，發送電池制冷模式，進水口目標溫度20℃。當單體溫度Tmin≤32℃且單體溫差＞12℃時，發送自循環模式；單體溫度Tmin≤32℃且單體溫差≤8℃時，發送待機模式，水泵關機。當檢測到單體溫度Tmin＜15℃，發送電池制熱模式，進水口目標溫度40℃；當單體溫度Tmin≥18℃且單體溫差＞12℃時，發送自循環模式，進水口目標溫度0℃，水泵工作進行自循環散熱；當單體溫差≤5℃，發送待機模式，進水口目標溫度0℃。

3 二代PHEV熱管理方案

二代熱管理框圖如圖2所示，其中黃色實線部分為發動機、電池、乘員艙的加熱回路，藍色實線部分為乘員艙及電池制冷回路，綠色部分為電池冷卻液循環回路，黑色部分為電機、電控回路。

圖2 二代熱管理框圖

3.1 工作原理簡介

當乘員艙或電池需要制冷時，熱管理控制器HCM啟動電動壓縮機，壓縮機排出的高溫、高壓冷媒經過冷凝器后輸送至前HVAC及Chiller，之后乘員艙的熱態空氣以及電池回路的冷卻液分別與前HVAC及Chiller進行換熱。當電池和乘員艙都需要冷卻時，控制兩路SO-TXV都打開；當僅有乘員艙制冷或者電池制冷需求時，可以控制SO-TXV將另一回路截斷。當電池需要加熱時，經過發動機加熱的冷卻液流入水水板換；當電池不需要加熱時，將關閉水閥。

3.2 電器件清單及控制方式簡介

表1為兩代集成熱管理的電器件清單。

表1 PHEV兩代熱管理電器件清單

二代集成熱管理需要增加一個HCM對工作模式進行感知、決策，因為存在鎖車充電的工況，OFF擋時電池冷卻相關的電器件需要能被喚醒且工作。

3.3 控制邏輯簡介

系統的控制邏輯燒錄在HCM 0x18FF46F6中，其與2.2節的BMS 0x18FF45EF、空調控制器進行交互，在感知系統溫度、壓力后，對水泵、無刷冷凝風機、電動壓縮機0x1801F8EF、截止閥、水閥等執行部件下達工作指令。控制邏輯簡介如下。

1）當BMS發送電池制冷模式時，HCM請求電池冷卻水泵立即運行，若無乘員艙制冷請求，則根據系統壓力、水溫綜合判定是否調節壓縮機轉速和下發請求。壓縮機工作后，冷媒壓力傳感器實時監測系統壓力并調節冷凝風機轉速，水溫傳感器實時監測進出電池的水溫。當系統高壓P＞3MPa或進水溫度＜20℃或進水溫度+5℃＞電池高溫則暫停壓縮機的運行，等待系統高壓、進水溫度正常后再次運行壓縮機。

2）乘員艙制冷時有溫度保護策略，當蒸發器溫度傳感器低于2℃時停止，高于4℃時發出制冷請求，若HCM收到乘員艙制冷請求時，則下發雙模壓縮機轉速指令。若由單一模式變為雙模式時，需要先開啟SO-TXV后再提升壓縮機轉速。

3）當BMS發送電池加熱請求時，HCM判定發動機冷卻水溫＞8℃時打開水閥并啟動水泵對電池進行加熱。當乘員艙有加熱請求時，空調控制器會向VCU發送加熱指令，且強制打開發動機。

4）水泵上電先運行30s，若熱管理策略打斷，按策略執行。因電池加熱時存在電池進水溫度低于電池溫度的情況，需要每60s比較電池進水溫度＞Tmin+5℃是否為真，若不為真則泵停止運行，120s后再次運行并重復判定。

兩代熱管理方案對比如圖3所示，集成化的方案去除了機械壓縮機、冷凝器、風機、WPTC、機組外殼及支架，在整車質量、采購費用、平臺化上占有優勢，且解決了制冷即刻啟動發動機的痛點。但集成化的方案在軟件開發費用、開發周期、整車試驗及聯調上不占優勢。

圖3 兩代熱管理方案對比

4 控制策略仿真及優化設計

4.1 動力電池介紹

如圖4、圖5所示，本車型的動力電池液冷板在軟包電芯的下部，單一電芯在厚度方向有7mm，且呈現扁平、面積較大的特點，電芯之間夾了導熱板，電芯與液冷板之間增加了導熱膠，電芯在厚度方向有1.3W/（m·k）[2]的熱導率。

圖4 電池包內X方向軸測圖

圖5 電池包Y方向剖視圖示意圖

通過相關文獻可知，最佳的軟包電芯導熱結構是電芯間夾液冷板的三明治結構[3]，而本項目的液冷板在電芯底部，故需要對電芯散熱進行設計，否則極易導致電池溫度升高以及電池之間的溫度不均勻[4]。

4.2 控制策略優化

根據第3章的內容搭建了熱管理仿真模型，其中乘員艙及電池制冷回路為圖6綠色實線部分，電池冷卻液循環回路為圖7的藍色實線部分。

圖6 制冷劑回路仿真模型

圖7 冷卻液回路仿真模型

對動力電池快充、靜置溫降工況進行仿真。在快充時，電池高溫900s即到達45℃，充電過程最高達到48.7℃，觸發了限流；在靜置溫降時，2400s內電池高溫也未到達32℃。

因為電池包結構暫時無法優化，下文通過調整目標水溫的策略對電池包導熱性能進行分析。經過多輪次的仿真發現目標水溫優化為13℃時，可滿足充電過程電池高溫≤45℃，靜置溫降在2400s內降低至32℃以下的要求。不同目標水溫電池快充仿真如圖8所示。

圖8 不同目標水溫電池快充仿真

將不同目標水溫下壓縮機運行時長及能耗整理成表2，可知壓縮機在充電工況時，多運行940s，多耗電0.23kW·h；在靜置溫降時，多運行了690s，多耗電0.16kW·h。

表2 不同目標水溫壓縮機運行時長、能耗仿真

本節主要對控制策略中的目標水溫進行優化分析，冷卻液的排氣及加注、電動壓縮機的轉速設計、無刷冷凝風機的擋位等因篇幅限制不再展開。

5 吐魯番及牙克石整車試驗

為驗證集成熱管理的性能，分別于2022年8月、2023年2月在吐魯番和牙克石對PHEV車型（圖9）進行了試驗，部分工況及要求如下。

圖9 二代熱管理樣車

1）動力電池靜置溫降試驗：在環溫35℃±2℃，保持動力電池SOC55%±5%，電池高溫38℃±2℃時，整車鑰匙上電。要求熱管理系統可自行啟動并在30min±5min內將電池溫度降低至32℃以下。

2）動力電池快充試驗：在環溫35℃±2℃、電池高溫38℃±2℃時，將電池從SOC20%充至100%。要求10min內電池進水溫度≤20℃，充電過程中不高溫報警、限流，最終電池高溫≤45℃。

3）循環快充、快放試驗：在環溫35℃±2℃、電池高溫38℃±2℃時，將動力電池SOC從20%快充至90%后打開乘員艙制冷，接著以純電模式在城市工況中行車至SOC20%。要求連續3次試驗，試驗結束電芯不超45℃，乘員艙頭部溫度≤27℃。

動力電池靜置溫降試驗和仿真數據如圖10所示，在電池高溫39℃、水溫30℃時開始試驗，2400s后電池降低至32℃，比要求的35min多了300s。

圖10 靜置降溫試驗數據與仿真對比圖

動力電池快充的試驗與仿真數據如圖11所示，在電池35℃、水溫23℃時開始試驗，充電過程中電池高溫為41℃，滿足快充不限流且高溫≤45℃的要求。

圖11 快充試驗中實測與仿真對比圖

3次循環快充、快放的試驗過程中，電芯單體最高溫度未超過42℃，電芯單體最低溫度接近31℃，乘員頭部溫度也滿足設計要求≤27℃。但第3次快充、快放后電芯的溫差擴大至10℃，如圖12所示。

圖12 第3次快充、快放試驗數據

雖然靜置溫降時長稍高于設計目標，但結合快充及循環快充、快放試驗的數據，決定釋放此版本數據用于后續的可靠性驗證。

4）動力電池加熱試驗，由于動力電池自帶加熱膜，對動力電池在低溫下PTC加熱膜自加熱和發動機余熱加熱電池的兩種工況分別進行測試。

由圖13可知，在發動機怠速時冷卻液的溫度在60min內從-20℃上升至41℃，電芯高溫從-20℃上升至23℃，電芯低溫從-20℃上升至16℃。由于氣象條件限制，在-12℃下對PTC加熱膜的自加熱進行測試，60min內電芯低溫從-12℃上升至14℃。

圖13 兩種加熱工況電池溫升數據

對低溫電芯的加速速率進行對比，發現發動機余熱加熱電芯的溫升速率為0.6℃/min，大于電池PTC加熱膜的0.43℃/min。

6 結束語

動力電池冷卻時，過低的水溫增加了壓縮機的工作時長與能耗，還會導致電池液冷板凝露、漏熱、電芯溫差變大等問題，后續需要對電芯與液冷板的熱傳導進行優化設計。動力電池加熱試驗中，電芯的高、低溫加熱速率差異較大，后續需要對電池包本體與環境的隔熱開展研究。在動力電池快充時壓縮機存在反復啟停的現象，在后續新能源車型中可開展壓縮機轉速跟隨水溫溫差調節的研究。