纯电动汽车冬季冷启动阶段热管理策略影响续驶里程分析

王莫然 董 彬 梁坤峰 王 林 刘瑞见 米国强

(1 河南科技大学车辆与交通工程学院 洛阳 471003； 2 河南科技大学土木工程学院 洛阳 471003)

随着全球各国对环境保护和可持续发展的日益重视，电动汽车需求呈“爆发式增长”。各国为应对电动汽车行驶性能检测，开始研究和制定适合本国国情的行驶工况评价标准[1]。动力电池是纯电动汽车唯一的能量来源，但存在低温容量衰减问题[2-3]，并且冬季舱内热舒适性的需求加大了动力电池耗电，使整车续驶里程急剧衰减，严重影响纯电动汽车的应用评价。

李礼夫等[4]分析了纯电动汽车续驶里程与其行驶工况的关系，但没有考虑冬夏季节的乘客舱和电池的冷热需求对纯电动汽车续驶里程的影响。张子琦等[5]实验研究发现冬季采用正温度系数(positive temperature coefficient，PTC)加热器供暖使续驶里程下降20.1%～56.4%，但热泵供暖与PTC加热器相比会显著改善续驶里程的衰减。Zou Huiming等[6]提出结合电池冷却/预热的整车集成热管理系统，该系统优先改善动力电池组的热管理问题。J. Kim等[7]讨论了多种适用于纯电动汽车的热管理方案，并提出了针对大能量密度锂电池的新型热管理系统，但没有结合汽车行驶工况进行分析。由于行驶工况对纯电动车的整车控制和热管理策略有较大影响[1]，所以低温环境车辆使用时的续驶里程性能评价研究尤为重要，但相关研究较少。

本文提出一套考虑电池加热和车舱供暖的纯电动汽车热泵系统，建立了车-电池-热泵系统的复杂模型，以工况的单次循环为启动阶段，通过分析冬季冷启动条件下动力电池温升等，研究电动汽车热舒适度、电池温度与续驶里程之间的相互影响，并分析了冷启动阶段热泵制热量分配策略对电池荷电状态(state of charge，SOC)的影响。

1 模型建立

1.1 纯电动汽车热泵系统工作原理

图1 纯电动汽车热泵系统原理

纯电动汽车热泵系统工作原理如图1所示，主要由压缩机、换热器、电子膨胀阀、截止阀等组成。通过三个换热器和截止阀的开关组合实现制冷/制热功能的切换，替代四通换向阀，避免其因震动等原因导致的损坏。系统制冷时，SV2、SV6关闭，SV1、SV3～SV5打开，此时室外换热器1为冷凝器，室内换热器为蒸发器；系统制热时，SV1、SV5关闭，SV2～SV 4、SV6打开，此时室内换热器为冷凝器，室外换热器2为蒸发器。

图2 三种工况的速度-时间曲线

1.2 典型工况及其特征参数

为分析纯电动汽车在不同行驶工况下的续驶里程，选取三种行驶工况：美国高速公路燃料经济性测试工况(highway fuel economy test，HWFET)、新欧洲行驶工况(new European driving cycle，NEDC)和中国乘用车行驶工况(China light-duty vehicle test cycle for passenger car，CLTC-P)[8]。三种工况的行驶速度与时间曲线如图2所示，可知不同工况下的行驶特性差别较大。

1.3 汽车空调参数设定

热泵供暖参数设定如下：蒸发侧传热温差为7 ℃，过热度为6 ℃；冷凝侧传热温差为17 ℃，过冷度为2 ℃。围护结构负荷[5]：

Qcond=KAcΔT

(1)

式中:Qcond为车体围护结构漏热量，W；K为传热系数，W/(m2·K)；Ac为车体外表面积，m2；ΔT为车内外传热温差，K。

由于对汽车空调新风量没有明确的标准要求，按照GB 50736—2016《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[9]的要求，设计新风量为30 m3/(h·人)。

Qair=mairΔH

(2)

式中:Qair为新风负荷，W；mair为新风质量流量，kg /s；ΔH为车舱内外空气的焓差，J /kg。

冬季的太阳辐射将降低车内的取暖负荷且冬季太阳辐射热量较小，为保证负荷的设计值可以满足最恶劣条件下的需求，本文不计算太阳辐射。

(3)

(4)

式中：Qtotal为空调总负荷，W；COPh为制热性能系数；Pc为压缩机功耗，W；ηc为压缩机效率；Pb为电池放电功率，W；P0为其他电子器件功耗，W；ηb为电池放电效率。

1.4 电池参数及产热计算

本文选取的电池为大容量三元体系聚合物动力锂电池[10]，标称容量为20 Ah，标称电压为3.6 V，工作电压范围为3.0～4.2 V。电池箱体总能量为36 kW·h，标称电压为360 V，标称容量为100 Ah。

电池内部化学反应产热和内阻生热导致电池温度上升，锂离子电池的产热通常包括5种热源，分别为：不可逆电阻生热、可逆熵热、混合热、相变热和反应热。D. Bernardi等[11]提出了锂离子电池热生成率的一般表达式。由于锂电池的反应热和相变热远小于其他产热，通常忽略反应热和相变热，若减小极化浓度差，则混合热非常小，可以忽略不计，经过简化[10-14]，电池的产热速率为：

q=I2Rtotal+0.000 22IT

(5)

式中：Rtotal为电池总内阻，Ω；I为电池电流，A；T为电池温度，K。

2 结果与分析

2.1 模型验证

基于上述所建立的考虑电池产热、空调负荷的汽车续驶里程数学模型，本文按照GB/T 18386—2017《电动汽车能量消耗率和续驶里程试验方法》[15]的规定，即车辆测试时关闭热泵及其他不必要的耗能系统，参照厂商公布的车辆参数，基于MATLAB软件仿真计算了NEDC工况下的续驶里程，仿真流程图如图3所示，结果如表1所示。由表1可知，仿真计算的等速续驶里程与厂商实测数据的误差为1.59%～9.02%，NEDC工况的仿真续驶里程与厂商实测数据的误差为0.11%～11.73%，仿真与实验匹配度较好。

表1 部分纯电动汽车厂商数据与仿真结果对比

图3 仿真流程图

图4 三种工况下纯电动汽车续驶里程变化

图5 电池低温衰减特性

2.2 测试条件下动力电池的能量消耗

在动力电池组电量完全充满并至完全耗尽的条件下，对纯电动汽车进行三种行驶工况下的续驶里程仿真分析。

图4所示为三种工况下纯电动汽车续驶里程随环境温度的变化。在电池芯充放电测试系统中按照20 A电流(1放电倍率)测试，得出电池容量随温度的变化关系，如图5所示。由图4可知，纯电动汽车续驶里程随着温度的变化显著，在适宜温度条件(AT=20 ℃)下的续航明显高于其在低温时的续航，环境温度能够显著影响纯电动汽车续航能力。这是因为温度较低时，锂电池会发生低温容量衰减。即使部分衰减的容量会随着温度升高而恢复，但电池温度较低时，活性低、内阻大，故耗电较快。NEDC工况受温度影响最大，环境温度为-10 ℃和0 ℃时，续驶里程与适宜温度条件相比分别减少14.09%、8.49%；CLTC-P工况受环境温度影响最小，环境温度为-10 ℃和0 ℃时，续驶里程分别减少13.16%、7.98%。低温时驱动汽车对电池有较大的放电需求，若开启热泵满足乘客热舒适性要求，会进一步加大对电池的放电需求，续驶里程会进一步降低。

图6所示为三种工况下冷启动阶段热泵关闭时动力电池的温升情况。由图6可知，三种工况下电池温度均呈上升趋势，HWFET工况的电池温升速率较为均匀，而NEDC和CLTC-P工况的初期电池温升较小，后期电池温升较大。CLTC-P工况的电池温升最大，为3.16 ℃。电池温升不同的主要原因是三种工况的平均速度和耗时不同，HWFET工况的平均速度较大，耗时较短；NEDC和CLTC-P工况的平均速度较小，耗时较长。CLTC-P工况耗时1 800 s，电池温升仅为3.16 ℃，说明冷启动阶段仅依靠电池自身热效应难以使电池达到适宜的温度范围[21]，必须采用其他手段加热电池使其恢复至理想容量。

图6 三种工况下冷启动阶段热泵关闭时的电池温升

2.3 实际使用时动力电池的能量消耗

图7所示为冷启动阶段热泵开启时，不同工况下续驶里程随环境温度及舱内温度的变化，仅考虑热泵制热全部用于舱内供暖的情况。由图7可知，AT下降、CT上升均使续驶里程衰减逐渐严重。AT=0 ℃时，分别设置舱内温度为15、20、25 ℃，与适宜情况(AT=20 ℃)对比，HWFET工况续驶里程分别减少14.19%、17.35%和20.68%；NEDC工况续驶里程分别减少18.83%、24.03%和29.02%；CLTC-P工况续驶里程分别减少21.46%、27.74%和33.19%。仿真结果给出的续航衰减程度与美国汽车协会对车型2018 Nissan Leaf、2017 VWAG e-Golf和2018 Chevrolet bolt的实际测试结果(衰减31.40%～50.4%[22])具有较好的一致性。

图7 三种工况下续驶里程随环境温度及舱内温度的变化

供暖温度为18～22 ℃时，热舒适度适中。舱内温度为15 ℃时，驾乘人员有冷感；舱内温度为25 ℃时，驾乘人员有热感。由图4和图7可知，因热泵开启客舱热舒适性提高造成的续航衰减远大于因环境温度较低引发的容量衰减造成的续航衰减，这是因为热泵开启时没有兼顾电池供暖，加大电池在低温时的放电，增加了电量消耗。

纯电动汽车动力电池的电量状态与电池温度相关，随着温度的降低，其容量和放电能力均急剧下降。动力电池的温度变化主要依据两个方面：1)电池充放电热效应，2)热泵系统的直接干预。当动力电池在冬季工作时，随着电池温度逐渐升高，部分容量将得到恢复，如何快速加热电池使其恢复到理想容量和放电能力成为纯电动汽车冷车启动时电池热管理策略的首要难点。

2.4 热量分配策略对电池SOC的影响

图8 不同控制策略下电池SOC消耗及电池温升

为了分析冷启动阶段热量分配策略对电池电量消耗的影响，本文设计了三种热分配策略：(A)热泵热量全部用于加热电池；(B)热泵热量等量分配于电池和客舱，当电池温度达到5 ℃后，热量主要用于加热客舱；(C)热泵热量全部用于加热客舱，同时以关闭热泵工况作为对比工况。

图8所示为三种工况下电池SOC及电池温度在热泵开启不同加热策略时的变化。由图8可知，三种工况下的电池SOC整体呈下降趋势，但NEDC和CLTC-P工况下的电池SOC略有恢复。不同工况下，策略A对电池SOC消耗有明显优势，其中HWFET工况在启动300 s后，电池SOC恢复至90.55%；NEDC工况在启动443 s后恢复至最大SOC，相比初始SOC增大1.52%；CLTC-P工况在启动523 s后恢复至最大SOC，相比初始SOC增大2.03%。三种策略下，单次工况结束后，电池SOC状态与对比工况电池SOC相比，HWFET工况的SOC增量分别为1.98%、1.21%、-0.69%；NEDC工况SOC增量分别为2.38%、1.61%、-1.17%；CLTC-P工况SOC增量分别为2.18%、1.44%、-1.79%。

由图8可知，所有工况下策略A的电池温升最大，初期电池温升速率有较大差别，当电池温度达到5 ℃时，策略A、B的温升速率几乎一致。策略B与策略A相比，最终温升相差较小，三种工况最终温升相差分别为1.35、1.45、1.49 ℃，平均温升速率相差分别为20.45%、17.76%、13.11%。还可知策略C对电池温度影响十分有限，与热泵关闭时相比，温度仅高出0.49、0.49、0.68 ℃。

在冷启动阶段电池SOC少量恢复主要是因热泵热量用于加热电池，电池温升较大，衰减容量得到恢复，此外，由于电池活性增大，内阻减小，电池电量消耗减小，故电池电量有少量上升。策略B相比于策略A对电池电量恢复的促进作用有所减弱，但仍有助于整体续驶里程的提高。策略C对电池容量恢复的效果较差，明显加速电池电量消耗。策略A、B的电池最终温升相差较小，原因是当电池温度达到5 ℃后，加热的电池热量相同，后期的电池温升速率几乎相同，最终温升相差较小。冬季纯电动汽车冷启动阶段，基于热泵的热管理策略对电池电量有显著影响。在热泵热量全部加热电池的情况下，不仅不会加速消耗电池电量，反而能明显减小启动阶段的电量消耗，甚至会略有增加电池电量；与关闭热泵相比，热泵热量全部加热客舱虽然有利于保证客舱的舒适性，但其热量未能用于加热电池，即使热泵系统增加电池放电，提高电池产热，也无法使电池达到适宜的温度范围，这不仅不会使电池快速升温，反而导致电池大部分电量始终工作在低效率区间，电量损耗明显加剧。由此可见，冷启动时热泵的热量分配策略对电池SOC有较大影响，开启热泵整体对车辆续航有积极作用。

3 结论

1)三种工况下，环境温度均会对续驶里程产生显著影响。其中NEDC工况受温度影响最大，环境温度为-10 ℃和0 ℃时，续驶里程分别减少14.09%、8.49%；CLTC-P工况受环境温度影响最小，环境温度为-10 ℃和0 ℃时，续驶里程分别减少13.16%、7.98%。

2)当环境温度为0 ℃，启动热泵仅用于舱内供暖，舱内温度分别设置为15、20、25 ℃，NEDC工况与测试标准对比，整车续驶里程分别减少18.83%、24.03%和29.02%，而对于CLTC-P工况，整车续驶里程分别减少21.46%、27.74%和33.19%，表明冬季热泵开启后，用户实际使用纯电动汽车时，整车续航水平难以达到厂家标称续航，CLTC-P工况也不能较好反映冬季纯电动汽车实际使用中的续航能力。

3) 电池SOC状态受自身温度的影响显著，冬季纯电动汽车冷启动阶段开启热泵制热时，制定合理的热管理策略对整车续驶里程的改善有重要影响。热泵制热量全部用于加热电池时，NEDC工况在启动443 s后恢复至最大SOC，相比初始SOC增大1.52%；CLTC-P工况在启动523 s后恢复至最大SOC，相比初始SOC增大2.03%。