純電動汽車冬季續(xù)航優(yōu)化技術(shù)

黃炯　陳瑤　高少俊　李鑫　羅偉　熊建輝

摘 要：冬季續(xù)航低是純電動車型最受關(guān)注的痛點(diǎn)問題。采用四通閥集成式熱管理技術(shù)，高效熱泵空調(diào)節(jié)能技術(shù)，可有效提升純電動車型冬季續(xù)航表現(xiàn)，增強(qiáng)純電動車型市場競爭力。本文介紹了某款純電動車型四通閥及熱泵空調(diào)布置結(jié)構(gòu)、控制策略、中國乘用車行駛工況China light-duty vehicle test cycle for passenger car（CLTC-P）低溫（-7℃）續(xù)航提升效果，具備技術(shù)領(lǐng)先性和推廣價值。

關(guān)鍵詞：純電動汽車 四通閥集成熱管理 高效熱泵空調(diào) 冬季續(xù)航衰減

Winter Battery Life Optimization Technology for Pure Electric Vehicles

Huang Jiong Chen Yao Gao Shaojun Li Xin Luo Wei Xiong Jianhui

Abstract：Low battery life in winter is the most concerned pain point of pure electric vehicles. The use of four-way valve integrated thermal management technology and high-efficiency heat pump air-conditioning energy-saving technology can effectively improve the winter endurance performance of pure electric vehicles and enhance the market competitiveness of pure electric vehicles. This article introduces the four-way valve and heat pump air-conditioning layout structure，control strategy， and driving conditions of a certain pure electric vehicle. China light-duty vehicle test cycle for passenger car （CLTC-P） low temperature （-7℃） endurance improvement effect，with technological leadership，is of promotion value.

Key words：pure electric vehicle， four-way valve integrated thermal management， high-efficiency heat pump air conditioning， winter battery life attenuation

1 前言

進(jìn)入21世紀(jì)20年代，汽車市場進(jìn)入存量時代，面對疫情的影響，抓住新能源電動化的發(fā)展機(jī)遇，是中國車企在“十四五”規(guī)劃中兼顧生存與發(fā)展，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級和轉(zhuǎn)型的必經(jīng)之路。2019年底新發(fā)布的2020-2035年新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃中言明至25年新能源汽車新車銷量占總額25%左右，公共領(lǐng)域用車實(shí)現(xiàn)全面電動化，明確了電動汽車在產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展目標(biāo)中的主體地位[1]。

如何造出市場認(rèn)可度高，讓顧客接受的高品質(zhì)純電動車型？解決顧客“續(xù)航焦慮”，尤其是冬季續(xù)航衰減嚴(yán)重的痛點(diǎn)刻不容緩。純電動車型冬季續(xù)航衰減主要來自于兩點(diǎn)：一，電池包可用容量受低溫直接影響;二、純電動汽車冬季暖風(fēng)空調(diào)熱源來自電能而非發(fā)動機(jī)余熱。不難發(fā)現(xiàn)，在當(dāng)前動力電池技術(shù)沒有重大提升的局面下，高度集成化的熱管理和高效節(jié)能空調(diào)技術(shù)，是解決以上問題的關(guān)鍵路徑。本文將從四通閥和高效熱泵空調(diào)兩方面，提供行之有效的解決方案。

2 電動車低溫續(xù)航衰減評價方法

2.1 低溫續(xù)航試驗(yàn)方法

本文的測試評價方法采用2019年的新版中汽研《EV-TEST（電動汽車測評）管理規(guī)則》[2]，用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的測試規(guī)范評價中國工況（后文簡寫CLTC-P）冬季低溫續(xù)航衰減情況，引入更多的中低速、怠速工況，更加貼合中國車主實(shí)際用車情況，有利于解決顧客對公告續(xù)航與實(shí)際續(xù)航符合度的疑問。

2.2 低溫續(xù)航評價指標(biāo)

在這里，我們使用低溫續(xù)航衰減比例（相比常溫續(xù)航）來衡量低溫續(xù)航的水平，如下：

①

（1）c：低溫續(xù)航衰減比例 %;

（2）L1：常溫續(xù)航km，試驗(yàn)環(huán)境溫度：（25±5）℃，續(xù)航工況：中國乘用車行駛工況CLTC-P;

（3）L2：低溫續(xù)航km，試驗(yàn)環(huán)境溫度：（-7±3）℃，續(xù)航工況：中國乘用車行駛工況CLTC-P;

3 四通閥集成式熱管理技術(shù)介紹

3.1 工作原理

純電動車型冬季低溫行車或充電時，整車熱管理的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是管控三電系統(tǒng)運(yùn)行下最佳溫度區(qū)間。四通閥采用集成式熱管理的設(shè)計(jì)理念，將電機(jī)水路和電池包水路連通，在電池包沒有對應(yīng)的熱管理請求時，利用電機(jī)的余熱以及電機(jī)系統(tǒng)的散熱功能給電池包進(jìn)行加熱或冷卻，提高能量利用率，降低電池包低溫性能衰減，使顧客用更低的使用成本獲得更優(yōu)的續(xù)航和駕駛性體驗(yàn)。

電機(jī)冷卻水路主要零部件：電機(jī)及控制器、DCDC+OBC、低溫散熱器、副水箱、水泵、兩位三通閥及其管路等;電池包加熱及冷卻水路主要零部件：電池包水套、副水箱、水泵、chiller換熱器、電池包PTC等;四通閥：連接電機(jī)和電池包水路。

3.2 控制策略

四通閥集成熱管理分為常規(guī)、預(yù)加熱和預(yù)冷卻三種工作模式，低溫續(xù)航優(yōu)化的重點(diǎn)在于預(yù)加熱模式利用電機(jī)余熱對電池包進(jìn)行加熱。通過環(huán)境溫度、電機(jī)溫度、電池包溫度綜合判斷，默認(rèn)狀態(tài)下，四通閥處于關(guān)閉狀態(tài)，電機(jī)水路和電池包水路相互獨(dú)立，分別根據(jù)VCU/BMS控制指令的最高需求調(diào)控水泵和風(fēng)扇的工作狀態(tài)。當(dāng)滿足一定條件時，進(jìn)入余熱回收階段，四通閥關(guān)閉，兩位三通閥關(guān)閉，電機(jī)水路蓄熱。當(dāng)滿足一定條件時，進(jìn)入預(yù)加熱階段，四通閥開啟，兩位三通閥關(guān)閉，風(fēng)扇關(guān)閉，兩個水泵同時工作，電池包入口水溫高于電芯溫度，電池包溫度上升。當(dāng)條件不滿足時，退回默認(rèn)狀態(tài)。

4 高效熱泵空調(diào)節(jié)能技術(shù)介紹

4.1 熱泵空調(diào)工作原理

相較于PTC（Positive Temperature Coefficient后文簡寫PTC）消耗電能制熱，熱泵空調(diào)制熱原理為：熱量從溫度較低的車外向溫度較高的車內(nèi)傳遞。

熱泵空調(diào)關(guān)鍵零部件與傳統(tǒng)車在空調(diào)較為相似：包括壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、水冷凝器、電池包換熱器等。利用換向閥改變制冷劑流向，將蒸發(fā)器在反向循環(huán)中充當(dāng)冷凝器進(jìn)行放熱，即實(shí)現(xiàn)了熱量從相對低位（車外）運(yùn)輸?shù)较鄬Ω呶唬ㄜ噧?nèi)）。當(dāng)溫度較低或者外換熱器結(jié)霜的情況下，熱泵空調(diào)無法繼續(xù)制熱，采用PTC制熱作為補(bǔ)充熱源，提高顧客的使用舒適度。

熱泵空調(diào)能效比相比PTC大大提升，配置熱泵空調(diào)的純電動車型在冬季低溫續(xù)航的表現(xiàn)上具有顯著優(yōu)勢。

4.2 熱泵空調(diào)能耗優(yōu)化策略

4.2.1 風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制策略

在低溫續(xù)航試驗(yàn)中，電子風(fēng)扇占熱泵空調(diào)系統(tǒng)能耗15%～40%。增加車速、環(huán)境溫度、系統(tǒng)高壓、熱泵工作模式等控制邊界優(yōu)化電子風(fēng)扇工作檔位請求，空調(diào)控制器傳輸?shù)絍CU，根據(jù)整車控制指令的最高需求調(diào)控電子風(fēng)扇工作狀態(tài)，大幅降低風(fēng)扇能耗，可有效降低冬季低溫因開空調(diào)采暖造成的續(xù)航衰減。

4.2.2 內(nèi)外循環(huán)控制策略

前文3.1熱泵空調(diào)工作原理已經(jīng)闡述了，為了保證熱泵空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，采用PTC制熱作為輔助熱源，提升顧客體驗(yàn)。基于當(dāng)前的技術(shù)方案，優(yōu)化空調(diào)模塊軟件策略，以環(huán)境溫度、車內(nèi)溫度、車外溫度、蒸發(fā)器表面溫度為邊界輸入，空調(diào)控制器調(diào)控內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門開度，通過不同環(huán)境溫度下的轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)空調(diào)標(biāo)定驗(yàn)證，在確保行車過程中前擋風(fēng)玻璃不起霧的前提下，最大限度降低PTC能耗。

5 冬季低溫續(xù)航優(yōu)化效果

5.1 四通閥集成式熱管理效果驗(yàn)證

如圖4四通閥對電池包溫升及放電容量的優(yōu)化效果對比，電池包溫升速率明顯提升，平均溫度提高約2℃，電池包總放電量提升約2.5%。對冬季續(xù)航和駕駛性能優(yōu)化明顯。

5.2 高效熱泵空調(diào)節(jié)能效果驗(yàn)證

如圖5，冬季低溫續(xù)航試驗(yàn)中，優(yōu)化后的高效熱泵空調(diào)系統(tǒng)，帶PTC輔助熱源，系統(tǒng)平均能耗相比傳統(tǒng)PTC下降超過40%。

5.3 低溫續(xù)航提升效果

表1對比了不同方案低溫續(xù)航（-7℃）相比常溫續(xù)航衰減比例：[3]

6 結(jié)論

四通閥集成式熱管理技術(shù)和高效熱泵空調(diào)，是優(yōu)化電動車冬季低溫續(xù)航行之有效的解決方案。

（1）四通閥集成式熱管理技術(shù)，在低溫續(xù)航（-7℃）CLTC-P試驗(yàn)中，電池包平均溫度提高約2℃，電池包總放電量提升約2.5%;

（2）高效熱泵空調(diào)通過優(yōu)化電子風(fēng)扇檔位控制和內(nèi)外循環(huán)風(fēng)門開度控制策略，相比傳統(tǒng)PTC加熱采暖，系統(tǒng)節(jié)能超過40%;

（3）低溫（-7℃）CLTC-P續(xù)航試驗(yàn)中，相比傳統(tǒng)PTC空調(diào)采暖方式，低溫續(xù)航衰減比例下降約10%。

參考文獻(xiàn)：

[1]《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》（征求意見稿）.

[2]《EV-TEST （電動汽車測評）管理規(guī)則? （2019版）》.

[3]GB/T 18386 《電動汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》.