基于余热循环利用的混合动力汽车发动机 动力电池预热研究

摘要： 针对混合动力汽车动力电池低温性能差、发动机起动困难的问题，提出了基于动力电池和发动机冷却余热耦合利用方法。利用发动机废热通过相变材料组成的中间换热器加热电池冷却液，动力电池冷却液流入发动机水套直接预热发动机。探讨了电池和发动机冷却液传热规律，构建了余热回收模型，搭建了基于废热循环利用的双向预热模型，利用ANSYS进行了模拟仿真；设计了基于多级串联换热器的双向预热装置，实现了余热双向自动预热功能。开展了混合动力汽车的低温预热试验，结果表明：经电池废热预热后的发动机缸体温度保持在40 ℃，发动机冷却余热则可将电池内部温度保持在30 ℃，有效改善了其工作环境；同时发动机低温起动过程中，HC和CO排放量减少了40%以上，验证了所提方法的优越性。

关键词： 混合动力汽车；发动机；动力电池；预热；余热利用

DOI： 10.3969/j.issn.1001 2222.2025.01.003

中图分类号：U469.72" 文献标志码： B" 文章编号： 1001 2222（2025）01 0018 09

随着全球能源危机和环境污染的加剧，以电动汽车为代表的新能源汽车因其节能减排的特征正在逐步取代传统汽车^［1］。然而，电动汽车面临着一些挑战，如续航里程有限、充电速度慢以及温度对电池容量的影响^［2］。混合动力车（hybrid electric vehicles，HEVs）集合了传统汽车和电动汽车两者共同优点，在实现节能环保的同时，又能够缓解里程焦虑^［3］。混合动力汽车有纯电模式、发动机直驱模式等5种工作模式^［4］。纯电模式运行时，当混合动力汽车剩余电量（state of charge，SOC）低于设定值，发动机介入工作，系统起动发动机^{［5 6］}。与热机起动相比，混合动力发动机冷机起动燃烧不良、耗油增加、排放恶化^［7］。研究人员通常使用预热方法提高发动机冷起动性能^［8］。电预热塞预热点火区域是内燃机常用的一种预热方法^［9］，该方法可以有效减少冷起动过程中的排放^［10］。周磊等^［11］通过对发动机进气管进行预热，改善了发动机的工作条件，减少了排放和发动机磨损。火焰加热法也被应用于发动机预热，该方法能够提高发动机冷起动性能并减少排放^［12］。T. H. HU等^［13］应用正温度系数热敏电阻（positive temperature coefficient，PTC）加热发动机机油，以此提高发动机低温性能。白书战等^［14］通过燃油加热器对发动机的冷却液进行预热，从而减少冷起动期间的燃油消耗和废气排放。此外，还有发动机缸体预热方法^［15］和燃油预热方法^［16］被用于提高发动机冷起动性能和减少排放。但是，上述预热方法消耗了大量能耗。研究表明，在温度－40 ℃下，冷却液预热和进气预热联合应用下，预热能耗高达2 557 kJ^［17］。

低温情况下，混合动力汽车锂电池性能显著下降^［18］。对锂电池进行预热是提高动力电池低温性能的常用手段^［19］。公开报道的锂电池预热方法一般涉及三类，分别是空气预热、液体预热以及相变材料（phase change material，PCM）预热^［20］。在电池包内部布置电加热管是比较常用的一个预热方法^［21］。P. AHMAD等^［22］将电池浸入液体进行加热，并探讨了液体温度、速度及电池间距对预热性能的影响。将镍箔植入锂电池电极之间，可以实现电池自动加热，能够快速将电池温度从－30 ℃提高到0 ℃^［23］。热电元件（thermoelectric element，TEE）与相变材料PCM相结合的方法也被应用于电池热管理系统，起到了良好的预热效果^［24］。J. B. ZHANG等^［25］提出了一种交流加热方法，在15 min内将电池温度从－20 ℃提高到5 ℃。L. P. ZHU等^［26］注意到，当加热板放置在电池组下方时，热量通过热传导间接传递到电池组。G. AYAT等^［27］为每个电池组设计并建模了15个带有嵌入式流量管的底板。这些方法可以有效提高动力电池的低温性能，增强其充放电特性。上述方法虽然能在一定程度上提高电池内部温度，改善低温性能，但也消耗了大量电能，缩短了续航里程^［28］。

本研究根据HEVs的工作模式和特性，开发一种双向预热循环系统。在电驱动模式下，电机驱动车辆行驶，而发动机保持不工作状态。在此期间，动力电池的内部温度升高，需要冷却。由于发动机处于非激活状态，其内部温度较低，需要进行加热以提高发动机的重新起动性能。本研究提出利用动力电池冷却液的余热通过液体流道加热发动机的内部水套，确保发动机重新起动的最佳条件。这种方法有助于提高经济性和排放性能，同时增强动力电池的冷却性能。在内燃发动机驱动模式下，发动机为车辆提供动力，而动力电池保持非激活状态。发动机的内部温度较高，而动力电池的内部温度较低。利用发动机冷却液的余热对动力电池内部进行加热，可以提高动力电池低温性能和充放电性能。

1 发动机和动力电池的热模型

1.1 发动机热模型

发动机热效率通常在20%～45%之间，剩余热量以各种形式浪费，如辐射、点火损失、排气损失和冷却损失^［29］。图1示出发动机各部分能量损失的构成^［30］。从图1可知，发动机冷却系统带走的热量可以达到30%～40%，利用该部分浪费的热量可以在低温条件下预热动力电池。计算发动机散热量，以确定发动机余热回收数值。利用经验公式对发动机散热量进行计算：

Qw=AgeNehu3 600。（1）

式中：Qw为发动机散热量；A为散热数值与燃料总热能的比值；ge为发动机燃油消耗率；Ne为输出功率；hu为汽油低热值。在利用发动机余热进行预热时，还需考虑发动机转速、功率和余热值的关系，如图2所示。

发动机散热器的余热经过中间换热器传递为动力电池预热。优化和分析散热器结构对提高预热效率具有重要意义。图3和图4 分别示出发动机散热器冷却温度云图和散热器出入口温度变化情况。

图4示出在－20 ℃时散热器出入口温度变化情况，相应的热量可以用式（2）来表达：

Qr=cpqm（t1－t2）。（2）

式中：cp为冷却剂的比定压热容；t1为散热器的入口温度；qm为散热器内冷却剂的质量流量；t2为散热器的出口温度。

1.2 电池余热模型

电池在工作过程中会产生热量，必须及时散热，以确保电池安全与性能。电池冷却方式一般有三种：风冷、液冷和直冷。液冷模式提高了动力电池的冷却效率，此外冷却余热可用于预热发动机。离子电池产生的热量主要包括反应热、欧姆热、极化热和副反应热。电池内部产生的热量可用Bernardi公式表达，但是计算回收热量时需要对公式进行改动^［31］：

Qe=Ieμ［（E0－E）+TdE0dT］=μIe2R+μIeTdE0dT。（3）

式中：Ie为放电电流；E0为开路电压；E为端电压；R为电池内阻；T为电池内部温度；μ为传热系数；dE0/dT为电池的温度影响系数；IeT（dE0/dT）可以理解为电池内部化学反应所引起可逆熵变产生的热量，此热量可以忽略不计^［32］。图5和图6分别示出动力电池温度云图和特定条件下的温升曲线。

电池组产生的热量在导热板和液体流之间交换，在电池和热交换板之间建立热传递关系：

Qh=wcp（Tc－Tr）。（4）

式中：Qh为电池冷却液带走的热量；w为冷却液的质量流速；cp为冷却液的比定压热容；Tc为电池内部换热器通道的出口温度；Tr为电池的内部换热器通道的入口温度。

2 预热装置设计及仿真

2.1 双向预热装置的设计

设计了基于PCM相变材料的多级串联加热装置（见图7），由发动机散热器、PCM相变材料换热器和动力电池散热器组成。HEVs使用电能由电机驱动行驶时，发动机不工作，电池内部温度升到临界值，开始散热。冷却液一部分通过三通电磁阀进入电池散热器散热，另一部分经过三通电磁阀，流至第二电磁阀和第三三通阀进入发动机内部，对发动机内部进行预热，然后经电子三通节温器流至第二个三通电磁阀，经第一电磁阀流回动力电池内部，形成一个工作循环。

HEVs在内燃机工作模式下行驶时，电池与电机不工作，发动机内部温度升高，需要冷却。冷却液从发动机内部流出，经电子节温器流至发动机散热器，然后经四通电磁阀流回发动机。发动机散热器温度升高，经过中央换热器内部的相变材料加热动力电池散热器内部冷却液，被加热后的电池散热器转换成加热器热源，冷却液经第一循环泵流至电池内部，加热电池后，经三通电磁阀回到电池散热器内部，完成电池预热。

2.2 仿真分析

发动机预热动力电池仿真：在仿真过程中，冷却液选用体积比为50%的乙二醇混合液，密度为1 024 kg/m3，初始温度为－20 ℃。在稳态计算模式下，假设冷却液在发动机水套中的流动是湍流且存在热交换，同时流体是不可压缩的。发动机在标定工况（6 000 r/min）下的水泵流量为2 kg/s，湍动能为0.02 m2/s2，湍动能尺度为1 mm。

每块冷却液板初始入口质量流速设置为5 g/s。发动机运行710 s后开始对动力电池的液体冷却管路加热。电池散热器由发动机散热器加热，将动力电池的冷却管路转换为加热管路，加热温度云图如图8所示。1 140 s后，供暖管道的平均温度达到55 ℃。

动力电池预热发动机仿真：初始环境温度为－20 ℃，设置放电电流为60 A，冷却液进口为质量流量进口，每块液冷板内冷却液初始进口质量流量为 5 g/s，出口为压力出口。加热过程如图9所示，在第1 500 s时，缸套温度达到40 ℃。理论仿真结果验证了该方法的有效性。

3 试验与讨论

3.1 动力电池余热预热发动机试验

为了验证该双向预热系统低温预热效果，开展了发动机和电池低温条件下的预热对比试验。首先是在纯电驱动工况下利用电池冷却余热直接加热发动机水套和缸体。将车辆置放于－20 ℃的冷库中2 h，确保车内及发动机舱内平均温度达到（－20±2） ℃，环境湿度设置为55%。试验车辆及设备见表1。

设置了3组对比试验：1）混合动力汽车发动机冷起动；2）采用传统正温度系数热敏电阻（PTC）预热器；3）采用双向预热装置（此时为电池余热为发动机预热）。PTC的功率为10 kW，用于加热汽油机小循环缸内冷却液。发动机油耗测试仪为FCM 05，冷却液流量测试仪为U2000超声波测试仪，发动机尾气排放测试仪器为MQW 511。表2列出排放测试仪的关键参数。为了简化试验，采用DC 4020恒温水箱替代动力电池冷却液的余热热源。表3列出DC 4020装置的基本参数。试验台架布置如图10所示。

用恒温水箱模拟动力电池冷却液，并加热发动机水套，每60 s记录一次发动机内部水温。此外，需测量发动机预热期间的燃料消耗量、HC和CO排放量。试验开始后，动力电池内部温度逐渐升高，达到设定值后，动力电池余热为发动机预热。此时记录发动机在不同起动条件下冷却液温升情况，发动机起动累计油耗、排放情况以及起动过程中的耗能的测试结果，如图11至图16所示。

图11示出发动机低温起动过程中冷却液温升规律。当电池的冷却废热用于预热发动机时，设电池原始加热温度为40 ℃（实际温度随着SOC变化实时改变），发动机冷却液温度在3.5 min内达到85 ℃。相反，当使用电预热时，需要7 min才能达到85 ℃，而在没有任何预热的情况下，需要10 min才能达到相同的温度。因此，利用动力电池的余热预热发动机可显著缩短发动机暖机时间。

图12示出试验过程中发动机冷起动累计油耗。发动机在冷起动（无预热）过程中消耗291 g燃料，采用PTC加热方法预热发动机，则能有效减少冷起动油耗至252 g，而采用余热预热的方法仅消耗燃油194 g。

图13示出试验过程中发动机的HC排放量，图14示出CO排放量。对比发动机起动到暖机结束这段时间内排放可知：冷起动（无预热）过程中HC和CO的排放量高达40.5 g和15.7 g，PTC预热后发动机起动期间HC和CO的排放量分别为34.4 g和11.6 g，而余热预热的发动机起动排放量仅为20.2 g和8.6 g。

图15示出动力电池为发动机预热期间电池内部温度变化情况。从图中可以看出，双向预热的方法与传统液冷相比能够更加有效地降低电池内部温度，起到了良好的散热效果。

图16示出不同试验方法的预热能耗对比情况。从图16可知：PTC预热发动机冷却液的能耗达到了980 kJ；利用电池余热为发动机预热的方法在试验过程中仅耗能29 kJ，主要用于电池和发动机循环泵运转；冷起动情况下，发动机预热能耗则为0 kJ。

3.2 发动机余热预热动力电池试验

试验温度、湿度条件同上，试验过程中利用恒温水箱模拟发动机散热器热源，通过PCM为电池散热器加热，此时发动机散热器作为热源为动力电池预热。同样设置3组对比试验：采用5 kW PTC传统电池预热、采用发动机余热预热和不预热。记录动力电池在预热过程中预热耗能量、电池温升、电池内阻以及电池温度一致性。试验台架如图17所示，结果如图18至图21所示。

动力电池内部温升试验结果如图18所示。从图中可知，PTC预热的动力电池需要17.5 min达到30 ℃，发动机冷却余热为电池预热温度上升最快，第9 min达到30 ℃。没有任何预热措施的电池内部温度上升最慢。图19示出试验过程中电池内阻的变化曲线。发动机冷却余热预热试验中电池内阻下降最快，PTC预热次之，无预热的电池内阻下降则较慢。

图20示出试验过程中能耗对比。PTC预热过程中在第10 min能耗达到580 kJ；发动机余热为电池预热10 min仅耗能30 kJ，主要用于循环泵的运转；没有预热措施的电池能耗为0 kJ。

图21示出不同预热试验中电池一致性对比结果，采用电池内部最高温度与最低温度的差异来表征。发动机冷却余热为电池预热时的温差较大，达到了9.2 ℃，温差随试验时间增长而减小；PTC预热过程中的温差最大为7.9 ℃；没有预热措施的电池一致性最好。双向预热系统虽然能够减少电池预热能耗，但是对电池一致性影响较大，进一步影响了电池的安全性、能量密度及寿命。

4 结论

a） 基于废热循环利用的预热方法能够有效解决混合动汽车在特定工况下低温预热问题，在－20 ℃时，能够以微弱能耗将动力电池预热至30 ℃，将发动机预热到40 ℃，有效改善了发动机和动力电池的低温运行条件；

b） 与现有的混合动力汽车相比，双向预热方法在缩短发动机和电池50%以上预热时间的基础上，将预热能耗降低了90%以上，减少了冷起动期间40%以上的污染物排放量；

c） 基于废热利用的双向预热方法在预热过程中造成了电池内部温度不一致，降低了其寿命和安全性，未来将重点研究在预热过程中的控制策略，以解决预热过程中由于温差较大造成的不一致性。

参考文献：

［1］ 赵轩，李美莹，余强，等.电动汽车动力锂电池状态估计综述［J］．中国公路学报，2023，36（6）：254 283.

［2］ 朱成，刘頔，滕欣余，等.新能源汽车综合经济性对比分析及预测研究［J］．汽车工程，2023，45（2）：333 340.

［3］ 刘波澜，李奔，万鹏，等.考虑热管理约束的柴电混动系统能量再分配策略［J］．北京理工大学学报，2024，44（5）：476 483.

［4］ 赵治国，黄琪琪，倪润宇.串并联混合动力系统自适应模式切换优化控制［J］．同济大学学报（自然科学版），2023，51（6）：943 953.

［5］ 李房云，夏容，张怡欣.考虑电池荷电状态的混合动力汽车复合电源协同控制［J］．吉林大学学报（工学版），2024，54（4）：1114 1119.

［6］ 严正峰，蒋光宗，姚明尧.驱动系统效率最优的并联混合动力商用车模式切换及换挡控制策略［J］．中国机械工程，2024，35（2）：354 363.

［7］ JIANG Y，SONG G H，WU Y Z，et al.Impacts of cold starts and hybrid electric vehicles on on road vehicle emissions［J］．Transportation Research，Part D：Transport and Environment，2024，126（1）：1 17.

［8］ KARNAUKHOV N N，YARKIN A V，KRUK A.System for preheating of internal combustion engine operating in cold weather conditions［J］．Journal of Engineering amp; Applied Sciences，2015，10（1）：7 10.

［9］ 李佳峰，莫昊扬，王字满，等.火焰预热塞汽化腔内柴油流动汽化特性研究［J］．北京理工大学学报，2023，43（4）：341 348.

［10］ LONG W U. The study on metallic glow plug used in diesel preheating and improving emission［J］．Agricultural Equipment amp; Vehicle Engineering，2010（1）：1 10.

［11］ 周磊，华剑雄，卫海桥，等.汽油压燃发动机低负荷燃烧稳定性和冷机着火性能的实验研究［J］．Engineering，2019，5（3）：442 462.

［12］ 王东方，王，黎一锴，等.柴油机进气火焰预热系统着火临界温度的研究［J］．内燃机学报，2021，39（4）：289 296.

［13］ HU T H，INDERWISCH K，MUSTAFA R，et al.Research on the optimization of hybrid electric vehicle powertrain heating up process［C］．SAE Paper 2023 01 0574.

［14］ 白书战，李国祥，王桂华，等.汽油机与加热器联合运行降低冷起动阶段排放水平的试验研究［J］．内燃机工程，2008（2）：6 9.

［15］ SUTHAKAR S，SURIYA N A，PRABHAKAR S.Experimental investigation of single cylinder s.i. engine by teg air preheating［J］．IJARIIE，2019（2）：598 606.

［16］ 徐志军，于增信，田春芝，等.提高柴油机低温起动性能的预热燃油管开发［J］．车用发动机，2010（4）：20 22.

［17］ WANG P，QIN B，SHI L，et al.Experimental investigation of the effects of preheating temperature on low temperature cold start performance，emissions and energy conversion of diesel electric hybrid［J］．Energy Conversion and Management，2023，281（4）：1 17.

［18］ JIANG Z Y，QU Z G，WANG Q，et al.Experimental and numerical investigation of fast preheating of lithium ion pouch cell via low power inductive heating in cold climate［J］．Journal of Energy Storage，2022，43（5）：1802 1814.

［19］ PAN Y T，TANG A，LIU Z Y，et al.Experimental analysis of power battery preheating system based on thermoelectric elements［J］．Applied Thermal Engineering：Design，Processes，Equipment，Economics，2023，230：1 10.

［20］ QU Z G，JIANG Z Y，WANG Q.Experimental study on pulse self heating of lithium ion battery at low temperature［J］．International Journal of Heat and Mass Transfer，2019，135：696 705.

［21］ ZHANG Z B，YU W，LI H，et al.Heat transfer characteristics and low temperature performance of a lithium ion battery with an inner cooling/heating structure［J］．Appl Therm Eng，2023，219：1 12.

［22］ AHMAD P，SHRIRAM S，KIM G H.Addressing the impact of temperature extremes on large format li ion batteries for vehicle applications［R］．Golden：National Renewable Energy Laboratory（NREL），2013.

［23］ WANG C Y，ZHANG G，GE S，et al.Lithium ion battery structure that self heats at low temperatures［J］．Nature，2016，529：515 518.

［24］ LIAO G L.Thermal performance of battery thermal management system coupled with phase change material and thermoelectric elements［J］．J. Energy Storage，2021（43）：103217.

［25］ ZHANG J B，GE H，LI Z，et al.Internal heating of lithium ion batteries using alternating current based on the heat generation model in frequency domain［J］．J. Power Sources，2015，273：1030 1037.

［26］ ZHU L P，XIONG F，CHEN H，et al.Thermal analysis and optimization of an EV battery pack for real applications［J］．Int. J. Heat Mass Transf.，2020，163：120384.

［27］ AYAT G.Effect analysis on performance improvement of battery thermal management in cold weather［J］．J. Energy Storage，2022，45：103728.

［28］ MASHADI B，NAHVI M K.Fuel consumption reduction by introducing best mode controller for hybrid electric vehicles［J］．Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D：Journal of Automobile Engineering，2020，234（2/3）：810 822.

［29］ DING P，WANG Z，WANG Y，et al.A distributed multiple heat source staged heating method in an electric vehicle［J］．Renewable Energy，2020，150（5）：1010 1018.

［30］ 刘道建，王浒，郑尊清，等.内燃机不同燃烧模式能量及损失分析［J］．燃烧科学与技术，2021，27（5）：529 538.

［31］ BEMANLI D，PAWLIKOWSKI E，NEWMAN J.A general energy balance for battery system［J］．Electrochemical Society，1985，132（1）：5 12.

［32］ DING P，GU X Y，WANG Y，et al.Distributed multi heat source hybrid heating system based on waste heat recovery for electric vehicles［J］．Applied Thermal Engineering：Design，Processes，Equipment，Economics，2023，235：1 14.

Preheating of Engine Power Battery for Hybrid Electric Vehicle Based on Waste Heat Recycling Utilization

DING Peng^1，2，ZHANG Meijuan^1，2，GU Xiaoyong^1，2，ZHANG Pengbo^1，3，GAO Liang1

（1.Wuxi Institute of Technology，Wuxi 214121，China;2.Jiangsu Engineering Research Center of New Energy Vehicle Energy Saving and Battery Safety，Wuxi 214121，China;3.Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

Abstract： For the issues of poor low temperature performance of hybrid vehicle power battery and difficulty in engine starting， a method for coupled utilization of waste heat from the power battery and engine cooling system was proposed. The waste heat from the engine was utilized to heat the battery cooling liquid through an intermediate heat exchanger composed of phase change materials， and the heated battery cooling liquid flowed into the engine water jacket to directly preheat the engine. The heat transfer law of battery and engine cooling liquid was discussed， a waste heat recovery model was constructed， a bidirectional preheating model based on waste heat recovery was established， and the simulation was conducted by using ANSYS software. A bidirectional preheating device based on multi stage series heat exchanger was designed to achieve automatic bidirectional preheating functionality using waste heat. Low temperature preheating experiments for hybrid vehicles were finally carried out. The results show that the engine block temperature remains at 40 ℃ after preheating by the battery waste heat， and the engine cooling waste heat maintains the internal battery temperature at 30 ℃， which effectively improves the working environment. Meanwhile， during the engine low temperature starting process， HC and CO emissions reduce by over 40%， verifying the superiority of the proposed method.

Key words： hybrid vehicle;engine;power battery;preheating;waste heat recycling

［编辑： 袁晓燕］