純電動汽車熱管理對低溫續(xù)航影響的探討

中圖分類號：U467 DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2025.02.019

Abstract：Thedrivingrangeofbateryelectricvehiclesisoneofthecoreindicatorsofbateryelectricvehiclesandalsothemost concermedisseforconsumerswhenpurchasingnewenergyvehicles.Asthemainconstraintfactorforlow-temperaturedrivingrange， thispaperconductedacomparativeanalysisofdiferentconfigurationthermalmanagementsystems.Throughtheenvironmental chamberchassisdynamometerrolertestbench，theimpactofdiferentconfigurationthermalmanagementsystemsontheveicle’s low-temperaturedriving rangeundera low-temperature （-7^°C） environmentwas compared.Through the testand comparisondata， it can beseenthathelow-temperature drivingrangeachievementrate wasthehighestusing theindirect heat pumpthermalmanagment systemwithwasteheatrecovery.Therefore，itwassuggestedthattheheatpumpsystemwithwasteheatrecoveryshouldbeusedin the selection of thermal management system in the early stage of project development.

Keywords： Battery Electric Vehicles；Low-temperature Driving Range；Thermal ManagementSystem.

0 引言

在國家政策支持及新能源技術(shù)快速發(fā)展的背景下，新能源汽車得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。其中，熱管理系統(tǒng)作為純電動汽車的核心組成部分之一，直接影響車輛性能、續(xù)航里程、電池壽命和駕乘舒適性。特別在低溫環(huán)境下，動力電池內(nèi)阻增大，容量衰減，且沒有像傳統(tǒng)燃油車的內(nèi)燃機熱源可用，其熱管理需要更復(fù)雜的主動控制策略，以縮小純電動汽車在極端環(huán)境下與傳統(tǒng)燃油車的使用差距{]。本文通過對不同構(gòu)型熱管理系統(tǒng)進行對比分析，利用環(huán)境艙底盤測功機轉(zhuǎn)轂臺架試驗，對比分析低溫 （-7^°C ）環(huán)境下水暖PTC（PositiveTemperatureCoefficient，正溫系數(shù)）、間接式熱泵及帶余熱回收間接式熱泵三種熱管理系統(tǒng)對整車低溫續(xù)航的影響，并通過客觀試驗數(shù)據(jù)說明其差異。

1純電動汽車熱管理系統(tǒng)制熱原理

1.1PTC的熱管理系統(tǒng)

PTC是一種正溫度系數(shù)材料制成的加熱器，其主要原理是電流通過PTC材料時，材料的電阻隨溫度升高而增加，從而產(chǎn)生熱量。PTC分為風(fēng)暖PTC和水暖PTC，風(fēng)暖PTC具有安全性高、成本低廉、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單及升溫速度快等優(yōu)點，但其HVAC系統(tǒng)需專門設(shè)計，且因風(fēng)暖PTC直接布置在駕駛室內(nèi)，對安全性要求較高，目前被市場上中低級別車型所使用。水暖PTC制熱時，由空調(diào)水泵驅(qū)動冷卻液流經(jīng)水暖PTC（WPTC）和HVAC中的暖風(fēng)芯體，形成采暖回路，冷卻液流經(jīng)水暖PTC內(nèi)部管路時，熱敏電阻通電發(fā)熱，將熱量傳遞給冷卻液，鼓風(fēng)機驅(qū)動空氣流經(jīng)暖風(fēng)芯體進行熱交換，并將加熱后的空氣送入乘員艙，起到乘員艙采暖的作用[2]。

1.2 熱泵的熱管理系統(tǒng)

熱泵熱管理系統(tǒng)的工作原理是空調(diào)制冷循環(huán)的逆過程，即通過四通閥改變制冷劑流向，將車內(nèi)暖風(fēng)芯體作為冷凝器，車外冷凝器作為蒸發(fā)器，實現(xiàn)將熱量從一處（車外）轉(zhuǎn)移到另一處（車內(nèi)），本質(zhì)上是將車外熱量轉(zhuǎn)移至車內(nèi)[3-41，而不是直接產(chǎn)生熱量，因此，其能效比（COP）較高，可達到2＼～3左右。

1.3 帶余熱回收熱泵的熱管理系統(tǒng)

電動汽車驅(qū)動電機在運行中會產(chǎn)生大量廢熱，若不加以回收利用，這部分廢熱將通過冷卻系統(tǒng)散失到環(huán)境中。同時，電機余熱屬于高品質(zhì)熱源，也能提升熱泵系統(tǒng)的能量利用率，所以非常有必要對電機余熱進行回收利用。相比于間接式熱泵系統(tǒng)，帶余熱回收的間接式熱泵系統(tǒng)額外增加了一級換熱環(huán)節(jié)，即在電機冷卻回路出口與壓縮機進氣口之間增設(shè)一個余熱回收換熱器，通過該換熱器將電機余熱傳遞給壓縮機進口的低溫低壓制冷劑，制冷劑吸收熱量后回到壓縮機進行下一個制熱循環(huán)。

2 整車低溫轉(zhuǎn)轂續(xù)航試驗驗證

2.1熱管理系統(tǒng)構(gòu)型對低溫續(xù)航的影響

為了保證試驗結(jié)果的準確性及可信度，選取一臺試驗車輛，通過在該試驗車輛上改裝不同熱管理系統(tǒng)，驗證不同熱管理系統(tǒng)對整車低溫續(xù)航的影響。通過環(huán)境艙底盤測功機轉(zhuǎn)轂實驗室，分別測試車輛常溫續(xù)航和不同熱管理系統(tǒng)下低溫續(xù)航，通過低溫續(xù)航達成率高低表示不同熱管理系統(tǒng)能耗表現(xiàn)，低溫續(xù)航達成率 Σ=Σ （低溫續(xù)航里程/常溫續(xù)航里程 ）×100% 。試驗方法參照GB18386.1-2021《電動汽車能量消耗量和續(xù)航里程實驗方法》中常溫續(xù)航及附錄A低溫續(xù)航試驗方法；常溫續(xù)航試驗要求：車輛在 23^°C 環(huán)境艙內(nèi)充滿電后，靜置 ，然后在 23^°C 環(huán)境艙的底盤測功機轉(zhuǎn)轂上進行試驗，空調(diào)設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)；低溫續(xù)航試驗的要求：將車輛在 23^°C 環(huán)境艙內(nèi)充滿電后，靜置 ，再將車輛置于 -7^°C 環(huán)境艙中浸車 12h ，在 -7^°C 環(huán)境艙的底盤測功機轉(zhuǎn)轂上進行低溫續(xù)航試驗，空調(diào)設(shè)置為自動模式，溫度設(shè)為 22^°C ，空氣循環(huán)置于外循環(huán)，出風(fēng)模式設(shè)為吹腳，待車內(nèi)溫度達到 20^°C 后，調(diào)節(jié)溫控設(shè)定，使各測量點的平均溫度維持在 20^°C～22^°C 范圍內(nèi)。

通過計算不同熱管理系統(tǒng)在CLTC低溫續(xù)航工況下，高壓系統(tǒng)平均功率和高壓系統(tǒng)消耗電量占比情況，分析熱管理系統(tǒng)對低溫續(xù)航的影響。由試驗數(shù)據(jù)可知：水暖PTC系統(tǒng)高壓系統(tǒng)平均功率 1.687kW ，高壓系統(tǒng)消耗電量 ，電池凈放電量58.19kWh，高壓系統(tǒng)消耗電量占比為 28.1% ；間接式熱泵系統(tǒng)高壓系統(tǒng)平均功率 0.892kW ，高壓系統(tǒng)消耗電量為9.97kWh，電池凈放電量58.05kWh，高壓系統(tǒng)消耗電量占比為 17.17% ；帶余熱回收間接式熱泵系統(tǒng)高壓系統(tǒng)平均功率為0.724kW ，高壓系統(tǒng)能耗為8.39kWh，電池凈放電量58.12kWh，高壓系統(tǒng)耗電量占比為 14.43% ；通過數(shù)據(jù)可以看出熱管理系統(tǒng)的高壓系統(tǒng)能耗在電池凈放電量中占比較高，是低溫環(huán)境下電池電量消耗的關(guān)鍵因素，同時，帶余熱回收間接式熱泵系統(tǒng)的高壓系統(tǒng)能耗僅為水暖PTC系統(tǒng)的 51.3% ，表明熱泵系統(tǒng)更為節(jié)能。

水暖PTC系統(tǒng)低溫續(xù)航達成率為 53.02% ，間接式熱泵系統(tǒng)低溫續(xù)航達成率為 61.13% ，帶余熱回收間接式熱泵系統(tǒng)低溫續(xù)航達成率為 63.40% ，上述低溫續(xù)航達成率數(shù)據(jù)表明，熱泵系統(tǒng)方案的低溫續(xù)航達成率普遍較高，其中帶余熱回收間接式熱泵系統(tǒng)低溫續(xù)航達成率最高，這主要得益于熱泵系統(tǒng)較高的能效比，其充分利用逆卡諾循環(huán)原理，從車外低溫環(huán)境中吸收熱量，僅消耗少量能量即可將這部分“免費”熱量傳遞至乘員艙，從而顯著提高能量利用效率，因此，在項目開發(fā)前期進行熱管理系統(tǒng)選型尤為重要，系統(tǒng)選型直接決定了高壓系統(tǒng)能耗的高低，進而影響低溫續(xù)航達成率。

2.2熱管理系統(tǒng)標定策略對低溫續(xù)航的影響

2.2.1內(nèi)外循環(huán)混風(fēng)比例對低溫續(xù)航的影響

冬季電動汽車乘員艙在開始采暖升溫過程中，空調(diào)需開啟外循環(huán)引入新風(fēng)以防止前擋風(fēng)玻璃起霧，當車內(nèi)溫度逐漸升高并達到熱平衡后，可適當增大內(nèi)循環(huán)比例，減少因處理新風(fēng)帶來的熱管理系統(tǒng)額外能耗。通過在 -7^°C 低溫環(huán)境艙底盤測功機轉(zhuǎn)轂上驗證，選取帶余熱回收間接式熱泵系統(tǒng)車輛，通過更改標定數(shù)據(jù)，將內(nèi)外循環(huán)混風(fēng)比例（此處需明確是內(nèi)循環(huán)比例還是外循環(huán)比例）分別設(shè)定為 30% 和 60% ，驗證新風(fēng)混風(fēng)比例對低溫續(xù)航的影響。通過試驗數(shù)據(jù)得出，在 -7^°C 的環(huán)境溫度下，保證車內(nèi)前排乘員頭部溫度在 20^°C ～22^°C 的條件下， 60% [內(nèi)/外]循環(huán)比例較 30% [內(nèi)/外]循環(huán)比例，單個CLTC循環(huán)的高壓系統(tǒng)能耗降低 94Wh ，整個CLTC工況循環(huán)下，高壓系統(tǒng)節(jié)能率達 14.1% ，低溫續(xù)航達成率提升約2.64百分點。

2.2.2主動進氣格柵開度對低溫續(xù)航的影響

眾所周知，在高溫環(huán)境下，主動進氣格柵會增加進氣量，提高冷卻效果，在低溫環(huán)境下，主動進氣格柵關(guān)閉可減少進氣量，節(jié)省能源，對于電動汽車，低溫環(huán)境下關(guān)閉主動進氣格柵還能對電池及電驅(qū)動系統(tǒng)起到保溫作用，有助于提升續(xù)航。通過在 -18^°C 低溫環(huán)境艙底盤測功機轉(zhuǎn)轂上，選取帶余熱回收間接式熱泵系統(tǒng)車輛，通過更改標定數(shù)據(jù)，將主動進氣格柵分別設(shè)定為全開和全關(guān)狀態(tài)，驗證其全開與全關(guān)狀態(tài)對低溫續(xù)航的影響。通過試驗數(shù)據(jù)得出，在 -18^°C 低溫環(huán)境下，保證車內(nèi)前排乘員頭部溫度在 20^°C～22^°C 的條件下，主動進氣格柵全關(guān)狀態(tài)較全開狀態(tài)，單個CLTC循環(huán)的高壓系統(tǒng)能耗降低131Wh，整個CLTC工況循環(huán)下，高壓系統(tǒng)節(jié)能率達 14.9% ，低溫續(xù)航達成率提升約1.85百分點。

3總結(jié)

本文利用環(huán)境艙底盤測功機轉(zhuǎn)轂臺架測試獲得車輛在不同環(huán)境溫度下的續(xù)航，通過分析低溫 （-7^°C ）環(huán)境下不同熱管理系統(tǒng)的高壓系統(tǒng)平均功率和高壓系統(tǒng)消耗電量占比明確了不同熱管理系統(tǒng)對低溫續(xù)航達成率的影響，并通過調(diào)整熱管理策略（優(yōu)化內(nèi)外循環(huán)混風(fēng)比例、控制主動進氣格柵開度），驗證了其對低溫續(xù)航的影響。在整車上，驅(qū)動電機和動力電池產(chǎn)生的余熱均屬高品質(zhì)熱源，合理利用可有效提升熱泵系統(tǒng)的能量利用率，降低能耗，從而提升續(xù)航里程。同時，優(yōu)化和完善熱管理策略也是當前行業(yè)研究的重點方向。為應(yīng)對當前熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下制熱能力不足及能效比偏低的問題，行業(yè)正加快開發(fā)R744（CO₂） 、R290（丙烷）等環(huán)保制冷劑，并應(yīng)用補氣增焓等技術(shù)，以提升熱泵系統(tǒng)的工作效率和低溫性能。

參考文獻

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