純電動(dòng)汽車冬季冷啟動(dòng)階段熱管理策略影響續(xù)駛里程分析

王莫然 董 彬 梁坤峰 王 林 劉瑞見 米國(guó)強(qiáng)

(1 河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院 洛陽(yáng) 471003； 2 河南科技大學(xué)土木工程學(xué)院 洛陽(yáng) 471003)

隨著全球各國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的日益重視，電動(dòng)汽車需求呈“爆發(fā)式增長(zhǎng)”。各國(guó)為應(yīng)對(duì)電動(dòng)汽車行駛性能檢測(cè)，開始研究和制定適合本國(guó)國(guó)情的行駛工況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[1]。動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車唯一的能量來(lái)源，但存在低溫容量衰減問(wèn)題[2-3]，并且冬季艙內(nèi)熱舒適性的需求加大了動(dòng)力電池耗電，使整車?yán)m(xù)駛里程急劇衰減，嚴(yán)重影響純電動(dòng)汽車的應(yīng)用評(píng)價(jià)。

李禮夫等[4]分析了純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程與其行駛工況的關(guān)系，但沒有考慮冬夏季節(jié)的乘客艙和電池的冷熱需求對(duì)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程的影響。張子琦等[5]實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)冬季采用正溫度系數(shù)(positive temperature coefficient，PTC)加熱器供暖使續(xù)駛里程下降20.1%～56.4%，但熱泵供暖與PTC加熱器相比會(huì)顯著改善續(xù)駛里程的衰減。Zou Huiming等[6]提出結(jié)合電池冷卻/預(yù)熱的整車集成熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)優(yōu)先改善動(dòng)力電池組的熱管理問(wèn)題。J. Kim等[7]討論了多種適用于純電動(dòng)汽車的熱管理方案，并提出了針對(duì)大能量密度鋰電池的新型熱管理系統(tǒng)，但沒有結(jié)合汽車行駛工況進(jìn)行分析。由于行駛工況對(duì)純電動(dòng)車的整車控制和熱管理策略有較大影響[1]，所以低溫環(huán)境車輛使用時(shí)的續(xù)駛里程性能評(píng)價(jià)研究尤為重要，但相關(guān)研究較少。

本文提出一套考慮電池加熱和車艙供暖的純電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)，建立了車-電池-熱泵系統(tǒng)的復(fù)雜模型，以工況的單次循環(huán)為啟動(dòng)階段，通過(guò)分析冬季冷啟動(dòng)條件下動(dòng)力電池溫升等，研究電動(dòng)汽車熱舒適度、電池溫度與續(xù)駛里程之間的相互影響，并分析了冷啟動(dòng)階段熱泵制熱量分配策略對(duì)電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)的影響。

1 模型建立

1.1 純電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)工作原理

圖1 純電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)原理

純電動(dòng)汽車熱泵系統(tǒng)工作原理如圖1所示，主要由壓縮機(jī)、換熱器、電子膨脹閥、截止閥等組成。通過(guò)三個(gè)換熱器和截止閥的開關(guān)組合實(shí)現(xiàn)制冷/制熱功能的切換，替代四通換向閥，避免其因震動(dòng)等原因?qū)е碌膿p壞。系統(tǒng)制冷時(shí)，SV2、SV6關(guān)閉，SV1、SV3～SV5打開，此時(shí)室外換熱器1為冷凝器，室內(nèi)換熱器為蒸發(fā)器；系統(tǒng)制熱時(shí)，SV1、SV5關(guān)閉，SV2～SV 4、SV6打開，此時(shí)室內(nèi)換熱器為冷凝器，室外換熱器2為蒸發(fā)器。

圖2 三種工況的速度-時(shí)間曲線

1.2 典型工況及其特征參數(shù)

為分析純電動(dòng)汽車在不同行駛工況下的續(xù)駛里程，選取三種行駛工況：美國(guó)高速公路燃料經(jīng)濟(jì)性測(cè)試工況(highway fuel economy test，HWFET)、新歐洲行駛工況(new European driving cycle，NEDC)和中國(guó)乘用車行駛工況(China light-duty vehicle test cycle for passenger car，CLTC-P)[8]。三種工況的行駛速度與時(shí)間曲線如圖2所示，可知不同工況下的行駛特性差別較大。

1.3 汽車空調(diào)參數(shù)設(shè)定

熱泵供暖參數(shù)設(shè)定如下：蒸發(fā)側(cè)傳熱溫差為7 ℃，過(guò)熱度為6 ℃；冷凝側(cè)傳熱溫差為17 ℃，過(guò)冷度為2 ℃。圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷[5]：

Qcond=KAcΔT

(1)

式中:Qcond為車體圍護(hù)結(jié)構(gòu)漏熱量，W；K為傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Ac為車體外表面積，m2；ΔT為車內(nèi)外傳熱溫差，K。

由于對(duì)汽車空調(diào)新風(fēng)量沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)要求，按照GB 50736—2016《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]的要求，設(shè)計(jì)新風(fēng)量為30 m3/(h·人)。

Qair=mairΔH

(2)

式中:Qair為新風(fēng)負(fù)荷，W；mair為新風(fēng)質(zhì)量流量，kg /s；ΔH為車艙內(nèi)外空氣的焓差，J /kg。

冬季的太陽(yáng)輻射將降低車內(nèi)的取暖負(fù)荷且冬季太陽(yáng)輻射熱量較小，為保證負(fù)荷的設(shè)計(jì)值可以滿足最惡劣條件下的需求，本文不計(jì)算太陽(yáng)輻射。

(3)

(4)

式中：Qtotal為空調(diào)總負(fù)荷，W；COPh為制熱性能系數(shù)；Pc為壓縮機(jī)功耗，W；ηc為壓縮機(jī)效率；Pb為電池放電功率，W；P0為其他電子器件功耗，W；ηb為電池放電效率。

1.4 電池參數(shù)及產(chǎn)熱計(jì)算

本文選取的電池為大容量三元體系聚合物動(dòng)力鋰電池[10]，標(biāo)稱容量為20 Ah，標(biāo)稱電壓為3.6 V，工作電壓范圍為3.0～4.2 V。電池箱體總能量為36 kW·h，標(biāo)稱電壓為360 V，標(biāo)稱容量為100 Ah。

電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱和內(nèi)阻生熱導(dǎo)致電池溫度上升，鋰離子電池的產(chǎn)熱通常包括5種熱源，分別為：不可逆電阻生熱、可逆熵?zé)帷⒒旌蠠帷⑾嘧儫岷头磻?yīng)熱。D. Bernardi等[11]提出了鋰離子電池?zé)嵘陕实囊话惚磉_(dá)式。由于鋰電池的反應(yīng)熱和相變熱遠(yuǎn)小于其他產(chǎn)熱，通常忽略反應(yīng)熱和相變熱，若減小極化濃度差，則混合熱非常小，可以忽略不計(jì)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化[10-14]，電池的產(chǎn)熱速率為：

q=I2Rtotal+0.000 22IT

(5)

式中：Rtotal為電池總內(nèi)阻，Ω；I為電池電流，A；T為電池溫度，K。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

基于上述所建立的考慮電池產(chǎn)熱、空調(diào)負(fù)荷的汽車?yán)m(xù)駛里程數(shù)學(xué)模型，本文按照GB/T 18386—2017《電動(dòng)汽車能量消耗率和續(xù)駛里程試驗(yàn)方法》[15]的規(guī)定，即車輛測(cè)試時(shí)關(guān)閉熱泵及其他不必要的耗能系統(tǒng)，參照廠商公布的車輛參數(shù)，基于MATLAB軟件仿真計(jì)算了NEDC工況下的續(xù)駛里程，仿真流程圖如圖3所示，結(jié)果如表1所示。由表1可知，仿真計(jì)算的等速續(xù)駛里程與廠商實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差為1.59%～9.02%，NEDC工況的仿真續(xù)駛里程與廠商實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的誤差為0.11%～11.73%，仿真與實(shí)驗(yàn)匹配度較好。

表1 部分純電動(dòng)汽車廠商數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比

圖3 仿真流程圖

圖4 三種工況下純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程變化

圖5 電池低溫衰減特性

2.2 測(cè)試條件下動(dòng)力電池的能量消耗

在動(dòng)力電池組電量完全充滿并至完全耗盡的條件下，對(duì)純電動(dòng)汽車進(jìn)行三種行駛工況下的續(xù)駛里程仿真分析。

圖4所示為三種工況下純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程隨環(huán)境溫度的變化。在電池芯充放電測(cè)試系統(tǒng)中按照20 A電流(1放電倍率)測(cè)試，得出電池容量隨溫度的變化關(guān)系，如圖5所示。由圖4可知，純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程隨著溫度的變化顯著，在適宜溫度條件(AT=20 ℃)下的續(xù)航明顯高于其在低溫時(shí)的續(xù)航，環(huán)境溫度能夠顯著影響純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力。這是因?yàn)闇囟容^低時(shí)，鋰電池會(huì)發(fā)生低溫容量衰減。即使部分衰減的容量會(huì)隨著溫度升高而恢復(fù)，但電池溫度較低時(shí)，活性低、內(nèi)阻大，故耗電較快。NEDC工況受溫度影響最大，環(huán)境溫度為-10 ℃和0 ℃時(shí)，續(xù)駛里程與適宜溫度條件相比分別減少14.09%、8.49%；CLTC-P工況受環(huán)境溫度影響最小，環(huán)境溫度為-10 ℃和0 ℃時(shí)，續(xù)駛里程分別減少13.16%、7.98%。低溫時(shí)驅(qū)動(dòng)汽車對(duì)電池有較大的放電需求，若開啟熱泵滿足乘客熱舒適性要求，會(huì)進(jìn)一步加大對(duì)電池的放電需求，續(xù)駛里程會(huì)進(jìn)一步降低。

圖6所示為三種工況下冷啟動(dòng)階段熱泵關(guān)閉時(shí)動(dòng)力電池的溫升情況。由圖6可知，三種工況下電池溫度均呈上升趨勢(shì)，HWFET工況的電池溫升速率較為均勻，而NEDC和CLTC-P工況的初期電池溫升較小，后期電池溫升較大。CLTC-P工況的電池溫升最大，為3.16 ℃。電池溫升不同的主要原因是三種工況的平均速度和耗時(shí)不同，HWFET工況的平均速度較大，耗時(shí)較短；NEDC和CLTC-P工況的平均速度較小，耗時(shí)較長(zhǎng)。CLTC-P工況耗時(shí)1 800 s，電池溫升僅為3.16 ℃，說(shuō)明冷啟動(dòng)階段僅依靠電池自身熱效應(yīng)難以使電池達(dá)到適宜的溫度范圍[21]，必須采用其他手段加熱電池使其恢復(fù)至理想容量。

圖6 三種工況下冷啟動(dòng)階段熱泵關(guān)閉時(shí)的電池溫升

2.3 實(shí)際使用時(shí)動(dòng)力電池的能量消耗

圖7所示為冷啟動(dòng)階段熱泵開啟時(shí)，不同工況下續(xù)駛里程隨環(huán)境溫度及艙內(nèi)溫度的變化，僅考慮熱泵制熱全部用于艙內(nèi)供暖的情況。由圖7可知，AT下降、CT上升均使續(xù)駛里程衰減逐漸嚴(yán)重。AT=0 ℃時(shí)，分別設(shè)置艙內(nèi)溫度為15、20、25 ℃，與適宜情況(AT=20 ℃)對(duì)比，HWFET工況續(xù)駛里程分別減少14.19%、17.35%和20.68%；NEDC工況續(xù)駛里程分別減少18.83%、24.03%和29.02%；CLTC-P工況續(xù)駛里程分別減少21.46%、27.74%和33.19%。仿真結(jié)果給出的續(xù)航衰減程度與美國(guó)汽車協(xié)會(huì)對(duì)車型2018 Nissan Leaf、2017 VWAG e-Golf和2018 Chevrolet bolt的實(shí)際測(cè)試結(jié)果(衰減31.40%～50.4%[22])具有較好的一致性。

圖7 三種工況下續(xù)駛里程隨環(huán)境溫度及艙內(nèi)溫度的變化

供暖溫度為18～22 ℃時(shí)，熱舒適度適中。艙內(nèi)溫度為15 ℃時(shí)，駕乘人員有冷感；艙內(nèi)溫度為25 ℃時(shí)，駕乘人員有熱感。由圖4和圖7可知，因熱泵開啟客艙熱舒適性提高造成的續(xù)航衰減遠(yuǎn)大于因環(huán)境溫度較低引發(fā)的容量衰減造成的續(xù)航衰減，這是因?yàn)闊岜瞄_啟時(shí)沒有兼顧電池供暖，加大電池在低溫時(shí)的放電，增加了電量消耗。

純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的電量狀態(tài)與電池溫度相關(guān)，隨著溫度的降低，其容量和放電能力均急劇下降。動(dòng)力電池的溫度變化主要依據(jù)兩個(gè)方面：1)電池充放電熱效應(yīng)，2)熱泵系統(tǒng)的直接干預(yù)。當(dāng)動(dòng)力電池在冬季工作時(shí)，隨著電池溫度逐漸升高，部分容量將得到恢復(fù)，如何快速加熱電池使其恢復(fù)到理想容量和放電能力成為純電動(dòng)汽車?yán)滠噯?dòng)時(shí)電池?zé)峁芾聿呗缘氖滓y點(diǎn)。

2.4 熱量分配策略對(duì)電池SOC的影響

圖8 不同控制策略下電池SOC消耗及電池溫升

為了分析冷啟動(dòng)階段熱量分配策略對(duì)電池電量消耗的影響，本文設(shè)計(jì)了三種熱分配策略：(A)熱泵熱量全部用于加熱電池；(B)熱泵熱量等量分配于電池和客艙，當(dāng)電池溫度達(dá)到5 ℃后，熱量主要用于加熱客艙；(C)熱泵熱量全部用于加熱客艙，同時(shí)以關(guān)閉熱泵工況作為對(duì)比工況。

圖8所示為三種工況下電池SOC及電池溫度在熱泵開啟不同加熱策略時(shí)的變化。由圖8可知，三種工況下的電池SOC整體呈下降趨勢(shì)，但NEDC和CLTC-P工況下的電池SOC略有恢復(fù)。不同工況下，策略A對(duì)電池SOC消耗有明顯優(yōu)勢(shì)，其中HWFET工況在啟動(dòng)300 s后，電池SOC恢復(fù)至90.55%；NEDC工況在啟動(dòng)443 s后恢復(fù)至最大SOC，相比初始SOC增大1.52%；CLTC-P工況在啟動(dòng)523 s后恢復(fù)至最大SOC，相比初始SOC增大2.03%。三種策略下，單次工況結(jié)束后，電池SOC狀態(tài)與對(duì)比工況電池SOC相比，HWFET工況的SOC增量分別為1.98%、1.21%、-0.69%；NEDC工況SOC增量分別為2.38%、1.61%、-1.17%；CLTC-P工況SOC增量分別為2.18%、1.44%、-1.79%。

由圖8可知，所有工況下策略A的電池溫升最大，初期電池溫升速率有較大差別，當(dāng)電池溫度達(dá)到5 ℃時(shí)，策略A、B的溫升速率幾乎一致。策略B與策略A相比，最終溫升相差較小，三種工況最終溫升相差分別為1.35、1.45、1.49 ℃，平均溫升速率相差分別為20.45%、17.76%、13.11%。還可知策略C對(duì)電池溫度影響十分有限，與熱泵關(guān)閉時(shí)相比，溫度僅高出0.49、0.49、0.68 ℃。

在冷啟動(dòng)階段電池SOC少量恢復(fù)主要是因熱泵熱量用于加熱電池，電池溫升較大，衰減容量得到恢復(fù)，此外，由于電池活性增大，內(nèi)阻減小，電池電量消耗減小，故電池電量有少量上升。策略B相比于策略A對(duì)電池電量恢復(fù)的促進(jìn)作用有所減弱，但仍有助于整體續(xù)駛里程的提高。策略C對(duì)電池容量恢復(fù)的效果較差，明顯加速電池電量消耗。策略A、B的電池最終溫升相差較小，原因是當(dāng)電池溫度達(dá)到5 ℃后，加熱的電池?zé)崃肯嗤笃诘碾姵販厣俾蕩缀跸嗤罱K溫升相差較小。冬季純電動(dòng)汽車?yán)鋯?dòng)階段，基于熱泵的熱管理策略對(duì)電池電量有顯著影響。在熱泵熱量全部加熱電池的情況下，不僅不會(huì)加速消耗電池電量，反而能明顯減小啟動(dòng)階段的電量消耗，甚至?xí)杂性黾与姵仉娏浚慌c關(guān)閉熱泵相比，熱泵熱量全部加熱客艙雖然有利于保證客艙的舒適性，但其熱量未能用于加熱電池，即使熱泵系統(tǒng)增加電池放電，提高電池產(chǎn)熱，也無(wú)法使電池達(dá)到適宜的溫度范圍，這不僅不會(huì)使電池快速升溫，反而導(dǎo)致電池大部分電量始終工作在低效率區(qū)間，電量損耗明顯加劇。由此可見，冷啟動(dòng)時(shí)熱泵的熱量分配策略對(duì)電池SOC有較大影響，開啟熱泵整體對(duì)車輛續(xù)航有積極作用。

3 結(jié)論

1)三種工況下，環(huán)境溫度均會(huì)對(duì)續(xù)駛里程產(chǎn)生顯著影響。其中NEDC工況受溫度影響最大，環(huán)境溫度為-10 ℃和0 ℃時(shí)，續(xù)駛里程分別減少14.09%、8.49%；CLTC-P工況受環(huán)境溫度影響最小，環(huán)境溫度為-10 ℃和0 ℃時(shí)，續(xù)駛里程分別減少13.16%、7.98%。

2)當(dāng)環(huán)境溫度為0 ℃，啟動(dòng)熱泵僅用于艙內(nèi)供暖，艙內(nèi)溫度分別設(shè)置為15、20、25 ℃，NEDC工況與測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，整車?yán)m(xù)駛里程分別減少18.83%、24.03%和29.02%，而對(duì)于CLTC-P工況，整車?yán)m(xù)駛里程分別減少21.46%、27.74%和33.19%，表明冬季熱泵開啟后，用戶實(shí)際使用純電動(dòng)汽車時(shí)，整車?yán)m(xù)航水平難以達(dá)到廠家標(biāo)稱續(xù)航，CLTC-P工況也不能較好反映冬季純電動(dòng)汽車實(shí)際使用中的續(xù)航能力。

3) 電池SOC狀態(tài)受自身溫度的影響顯著，冬季純電動(dòng)汽車?yán)鋯?dòng)階段開啟熱泵制熱時(shí)，制定合理的熱管理策略對(duì)整車?yán)m(xù)駛里程的改善有重要影響。熱泵制熱量全部用于加熱電池時(shí)，NEDC工況在啟動(dòng)443 s后恢復(fù)至最大SOC，相比初始SOC增大1.52%；CLTC-P工況在啟動(dòng)523 s后恢復(fù)至最大SOC，相比初始SOC增大2.03%。