搭配低溫散熱器的PHEV 電池冷卻系統的節能效果

雍安姣，項 陽，付永宏，汪 爽，郭 廷，王 勇

（1.奇瑞汽車股份有限公司,蕪湖市 241006，中國；2.安徽工程大學 機械工程學院,蕪湖市 241000，中國；3.奇瑞新能源汽車股份有限公司,蕪湖市 241006，中國）

插電式混合動力汽車(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)在傳統燃油車的基礎上增加了一套完整的電力驅動系統，并配備了較大容量的電池與充電裝置[1]。在電量充足時，使用純電模式，由電機單獨驅動；在電量較低時，使用電量維持模式，發動機和電機共同提供動力。由于發動機可以工作在高效率區間，還可以回收制動能量，能降低高達30%的燃油消耗。PHEV 在電動汽車(electrical vehicle,EV)模式下零污染、安靜、響應快，在混合動力電動汽車(hybrid electric vehicle,HEV)模式下節能、里程長、充能時間短，同時具備純電動汽車與燃油車的優點，因此近年來在國內外發展極為迅速[2-5]。

PHEV 同時存在2 套動力系統[6]，對其冷卻提出了更高的要求。為了同時滿足發動機、電機、空調、中冷進氣系統、傳動系統、電控系統、電池的散熱需求，PHEV 往往需要在前端擺放多達4～6 個散熱器。一方面，對前端布置和安全性能提出了較高要求，另一方面，前端散熱器過多，會降低風量，升高進風溫度，影響發動機冷卻性能與空調性能。

PHEV 相較EV，電池并聯數小，相同電壓平臺時，同一放電功率下，電池發熱量是EV 的數倍，此外PHEV 的電池包比EV 小，因此溫升速度遠高于EV。出于冷卻能力以及成本的考慮，當前電池包冷卻方式以液冷為主。而液冷方式的散熱部件，主要有2 種：利用空調系統制冷、空氣散熱配合空調系統制冷。如榮威RX5、宋pro 等采用方式一，即僅通過冷水機(chiller)散熱；如Golf VII GTE 205、A3 1.4l e-Tron 2016、XC90等采用方式二，即在配備冷水機的同時也配備了低溫散熱器(low temperature radiator,LTR)。

劉衛東[7]等針對方式一設計了整車加熱即冷卻控制策略，通過對水泵、電磁閥、風扇、壓縮機等的控制實現不同工作模式下的不同部件的冷卻以及加熱；王偉民[8]等基于GT-SUITE 對電池包熱模型進行標定，并基于此集成了整車熱管理系統，進而預測了不同環境溫度下的續駛里程，其電池包熱管理架構同方式一；梁坤峰[9]等針對方式一的架構，對乘員艙和電池是串聯還是并聯進行了對比分析，結果表明：串聯系統的性能系數和效率均明顯高于并聯系統；

李明敏[10]介紹了一種電池包雙液冷系統，并與風冷系統進行定性對比，闡述了其優越性，其架構同方式二；肖峰[11]等就架構二在EV 車上的控制方法進行了研究，但并未從能耗方面進行闡述。上述文章對電池包的不同液冷架構均有研究和探討，但均未就低溫散熱器的必要性從成本和節能率的角度進行權衡對比。

此外，YE Ben[12]等設計了一種含雙冷卻板的電池模組冷卻系統，并通過優化冷卻板的幾何形狀、電池間隙、通道數等，使電池溫差減小了9.5%，壓降減小了16.88%，從系統設計本身入手，降低能耗；馬勒公司[13]提出一種電池包浸入式液冷系統，以應對快速充電帶來的大功率快速冷卻需求；來自帝國理工大學的 I.A.Hunt[14]等人提出極耳冷卻，一方面可以帶來更快速的冷卻效果，同時也可最小化電芯溫度梯度；易卜拉欣·丁塞爾[15]等人專門研究了更輕、更便宜和更高效的相變材料對電池進行冷卻等，以上均從電池自身需求出發，通過設計更高效的冷卻方式、更均勻的溫度分布的冷卻系統，來降低主動冷卻的頻次和工作時長，進而達到節能的目的。

上述文獻均未就散熱器(包含冷水機)構成形式，也即系統架構對能耗的影響進行分析。而電池包液冷是目前應用最為廣泛的產品形式，主要有帶或不帶低溫散熱器的空調制冷2 種形式。如何評價量種架構的性價比對企業來說尤為重要。

低溫散熱器(LTR)冷卻電池時無需啟動壓縮機，可降低能耗，但在中高溫環境下散熱能力很差甚至無法散熱[16]。此外，PHEV 配備LTR 還可能帶來成本、布置、性能上的問題。目前業內對PHEV 車型配備LTR 的必要性仍存在爭議，同時因其節能效果受地域氣候、駕駛工況、用戶習慣、控制策略等因素影響，難以通過實驗在同一邊界下進行對比，也無法根據單一條件下的仿真結果進行評估。

本文基于全球統一輕型車輛測試循環(worldwide harmonized light vehicles test cycle,WLTC)提出通勤、差旅、郊游3 種用戶實際行車工況，考慮中國大陸地域差異，通過仿真，量化LTR 系統年均節能情況，并對其節能效果做出了評價。

1 仿真模型及邊界條件

1.1 PHEV 電池冷卻仿真模型

本研究使用的整車數據來自某PHEV 車型，其中電池包電連接方式為1P96S，液冷，其整車主要相關參數如表1 所示。

該車型電池可分別由低溫散熱器(LTR)冷卻或冷水機(chiller)冷卻，在行駛過程中，根據環境溫度、電池溫度、行駛工況等條件切換冷卻方式。其熱管理架構圖如圖1 所示，圖中省略了與電池冷卻無關的部件。

根據圖1，在一維熱管理軟件KULI 中搭建了水路模型與空調回路模型，模型中模式切換、閥門、壓縮機、風扇、水泵等控制策略使用Simulink 編寫，并在仿真時將控制模型與冷卻模型進行強耦合計算。

圖1 某PHEV 車型電池熱管理架構圖

1.2 電池產熱模型搭建及驗證

在電池冷卻仿真模型中，合理的設置電池產熱模型十分重要，本文采用1RC等效電路模型來預測電池產熱[17-18]。1RC等效電路原理圖如圖2 所示，圖中使用理想電壓源E 表示電池開路電壓；R表示電池Ohm內阻，體現輸出電壓的階躍變化；R1與C1分別表示極化內阻與極化電容，體現輸出電壓的動態變化。

圖2 1RC 電模型原理圖

本文對該車型搭載的電芯進行脈沖放電測試，并根據參數辨識結果在Simulink 中搭建1RC電模型。為驗證該模型的精度，將仿真結果與實驗值進行比較，結果如圖3 所示。從圖3 可知：電壓誤差在0.3%以內，滿足精度要求。

圖3 電模型仿真結果與實驗結果

將該模型得到的電池瞬時電壓Ut代入簡化的Bernardi 生熱率模型，得到瞬時發熱量[19-20]。Bernardi生熱率為

1.3 PHEV 電池冷卻控制邏輯

1) LTR+Chiller 系統冷卻電池控制邏輯。

當環境溫度低于30 ℃時，電池溫度高于33 ℃時啟動LTR 冷卻系統，降低到31 ℃后關閉；若LTR能力不足，則電池溫度繼續升高至35 ℃時切換為Chiller 回路，降低到31 ℃后關閉Chiller。當環境溫度高于30 ℃時，系統將強制關閉LTR 回路，電池溫度高于33 ℃時啟動Chiller 冷卻，降低到31 ℃后關閉。

2) 單Chiller 系統冷卻電池控制邏輯。

電池溫度高于33 ℃時啟動Chiller 冷卻系統，降低到31 ℃后關閉。

1.4 用戶行車工況

將用戶日常實際行車工況簡化成：城區行駛、城郊(高架)行駛、高速行駛3 類，分別對應為WLTC 的3個階段，如圖4 所示。

圖4 WLTC 工況速度曲線及分段

根據用戶需求，假設用車習慣如下：

1) 夜間停車時，會外接電源充電，次日用車前為滿電狀態；

2) 使用默認行車模式，即滿電時使用EV 模式，電池SOC 降低到25%時自動啟動發動機，切換為HEV 模式；

3) HEV 模式電池較少參與工作，功率很低，該階段無需冷卻。

通過走訪調研PHEV 車主實際用車情況，設計了3 種常用工況，分別為通勤、差旅、郊游。該款PHEV純電里程約60 km，可滿足日常通勤全程使用EV 模式，但不能滿足完整的差旅與郊游工況。因此差旅與郊游工況只針對出行前期階段進行設計。

通勤工況包括10 min 市區+20 min 高架+10 min 市區道路，共40 min，26.7 km，每日行駛2 次，全程EV 模式。

差旅工況包括15 min 市區+25 min 以上的高速道路+20 min 市區道路。EV 模式只能維持前約40 min行駛，每日1 次，EV 里程48.6 km。

郊游工況包括15 min 市區+15 min 環城高速+30 min 及以上的城郊道路。EV 模式只能維持前約60 min行駛，每日一次，EV 里程59.3 km。

圖5 3 種常用工況早間出行道路情況

1.5 環境溫度與電池初始溫度

環境溫度的考察范圍按實際情況確定。由1.3 節可知，環境溫度高于30 ℃時，LTR 強制關閉，因此考察上限為30 ℃；當環境溫度很低時，出行時電池的初始溫度低，冷卻系統無需工作，此環境溫度就是本研究的考察下限。由于PHEV 充電功率小，電池發熱量極低，因此考察下限僅與電池保溫性能有關。

該PHEV 電池包位于車身底部，下底面覆蓋有一層聚氨酯隔熱材料。通過以下簡化假設，可推算各環境溫度時電池包的降溫曲線[21]：

1) 電池包視為集總熱容系統，溫度均勻分布；

2) 鋁制殼體導熱性極強，忽略；

3) 隔熱層較薄，忽略其熱容；

4) 電池包下表面通過隔熱層與空氣接觸進行對流換熱，其他面絕熱。

簡化后的模型示意圖如圖6 所示。

圖6 PHEV 電池包保溫性能簡化模型示意圖

根據傳熱學基本公式，可得：

解常微分方程(2)、(3)，并代入初始條件(4)，可得：

式中：k為隔熱材料導熱系數；A為隔熱材料表面積；d為隔熱材料厚度；θ為電池包溫度；θsurf為隔熱材料下表面溫度；h為對流換熱系數；θamb為環境溫度；cp為電池包定壓比熱容；m為電池包質量；θ0為電池包初始溫度；t為放置時間。

由于冷卻系統需要維持電池溫度在32 ℃左右，假設電池在停車前溫度均為32 ℃，將各物性材料參數代入式(5)，可得各環境溫度下，PHEV 靜置時電池包的降溫曲線，如圖7 所示。根據圖7 可得次日出行時電池溫度(θ)與環境溫度(θamb)的關系曲線，如圖8 所示。

圖7 PHEV 在各環境溫度下電池包降溫曲線

由圖8 中可知：當環境溫度為11 ℃時，次日車輛啟動時電池溫度約為19.7 ℃，經過單質量點估算，1.4 節所述的3 個用戶工況中，差旅工況的溫升最為劇烈，無冷卻措施將使電池溫度升高至33 ℃，為啟動冷卻系統的臨界點。因此，將環境溫度的考察范圍確定為12～30℃，對考察范圍內所有溫度點(間隔3 ℃)進行仿真計算。

圖8 PHEV 在各環境溫度下的初始溫度

2 單一行車工況電池降溫能耗分析

開展了單一用戶行車工況能耗仿真工作，分析了通勤、差旅和郊游3 種工況下，采用單Chiller 冷卻或LTR+Chiller 冷卻電池系統的總能耗與能效比，結果如圖9 所示。

圖9 PHEV 2 種電池冷卻配置的耗能與能效比

從圖9 中可知：隨著環境溫度升高，無論是否配備LTR，冷卻系統耗能均有增加。通勤工況電池的冷卻需求最低，在環境溫度24 ℃以下時，無需冷卻系統參與工作。LTR 在低溫環境下降溫能力強，工作時間短，耗能低，因此能效比極高，在12 ℃時，可達7.6，但隨著環境溫度上升急劇下降，在30 ℃時，僅有0.9～2.5。環境溫度從12 ℃變化到30 ℃，單Chiller 冷卻的能效比從3.3下降到2.6，受環境溫度影響較小。

3 LTR 年均節能量分析

用戶行車工況下LTR 年均節能量分析中，考慮了季節及地域氣候差異，來建立用戶工況的年度分布模型。

3.1 用戶工況的年度分布模型

在全年不同時間，用戶用車過程中，通勤、差旅和郊游工況的用車頻率是不同的。本研究根據2019 年假日辦公布的法定假日分布數據，合理假設：

1) 用戶每月在工作日出差2 天，出差日出現1 次差旅工況；

2) 用戶其他工作日正常上下班，每日出現2 次通勤工況；

3) 用戶假期一半時間(向下取整)外出郊游，郊游日出現1 次郊游工況；

4) 用戶假期其他時間休息，無用車需求。

綜上，得到用戶工況的年度分布情況，如表2 所示。

表2 2019 年法定假日分布與用戶工況分布

3.2 地域氣候特征

中國疆域跨越熱帶、亞熱帶與溫帶3 大氣候帶。位于不同氣候帶的城市，年平均溫度與溫差也不同，從而對LTR 的年節能效果產生影響；因此，本研究選擇了中國大陸的部分典型城市，要求城市分布盡量廣泛，盡量選擇人口密集城市，或具備典型氣候特征的城市。最終，選擇的典型城市從北到南為：哈爾濱、烏魯木齊、呼和浩特、沈陽、北京、青島、西安、合肥、上海、武漢、成都、杭州、昆明、廣州、三亞。

從美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)網站得到以上典型城市從2009-01-01 到2018-12-30 的10 年間的日平均溫度[22]，通過與用戶工況的年度分布進行交叉計算，得到各城市在考察的環境溫度下行駛工況的期望次數，進一步計算即可得到配備LTR 的年均節能量。

3.3 LTR 年均節能量計算結果

最終計算得到所選中國大陸典型城市的LTR 年均節能量結果，按年均節能量從高到低排列，如圖10所示；按年均節能率從高到低排列，如圖11 所示。

圖10 典型城市配備LTR 的年均節能量

圖11 典型城市配備LTR 的年均節能率

從圖10、11 可知：配備LTR 可以節約電池冷卻系統耗能，年均節能量2～5 kWh 不等；南方城市電池冷卻需求高，節能量大，可達4 kWh 以上，但年均節能率低，約40%～50%；北方城市恰好相反，分別為2 kWh，50%～60%。三亞市氣溫位于LTR 高收益區間(24～27 ℃)的年平均天數為320 d，因此同時具備較高的節能量與節能率，是所有典型城市中最適宜配備LTR 的。昆明氣溫位于高收益區間的年平均天數為106 d，整體氣溫9～21℃較低，冷卻需求弱，配備LTR 節能量小。但高達73.9%的年均節能率表明，若用戶使用中高負荷工況的頻率高(如山區)，在昆明地區配備LTR 的年度收益將迅速上升。

在所討論的用車頻率下，統計城市中三亞市的年節能量最高，為5.04 kWh，按93%的充電效率與0.58元/kWh 電價計算，年省電費為3.14 元。假設配備LTR 需要增加物料成本100 元，需32 年后才可回收。因此，配備LTR 的成本與收益并不匹配。

4 結論

本研究從用戶角度，考慮了不同季節、地域條件下插電式混合動力車(PHEV)配備搭配電池低溫散熱器(LTR)的節能效果。對單一用戶行車工況下的冷卻系統耗能進行了計算，分析得出LTR 高收益的溫度區間；選擇了中國大陸部分典型城市，通過查詢其長期的歷史氣候數據，計算得到各城市的年均LTR 節能情況；在所選典型城市間進行橫向比較，分析配備LTR 的價值。結論為：

1) LTR 能取得較高收益的條件為12～27 ℃環境溫度，且非通勤等低負荷工況。通勤等低負荷工況下LTR 的工作區間很窄(24～27 ℃)，收益小。

2) 中國大陸大部分城市配備LTR 的PHEV 車年均節能量2～5 kWh，從南到北有降低的趨勢。節能率40%～70%，從南到北有升高的趨勢。

3) 在所討論的用車頻率下，電池冷卻系統配LTR的年收益低于3.14 元，與其成本投入不匹配。筆者建議取消PHEV上電池冷卻系統的LTR。