純電動汽車熱管理系統及控制方法研究

摘要：隨著新能源技術的發展，新能源汽車得到了大力的發展和應用。熱管理對于新能源汽車的三電系統及整車的安全和高效運行起著至關重要的作用。為了保證汽車在安全運行的同時兼顧節能，因此基于傳統的整車熱管理系統優化下，連通電機冷卻回路與PTC加熱回路，使電機余熱參與車輛的熱管理系統。通過實驗測試，該系統在能耗方面得到了一定的提升，有效地改善了車輛的續航里程。研究方法對純電動汽車后期的熱管理研究提供了一定的參考。

關鍵詞：純電動汽車；PTC；電機；熱管理；控制方法

中圖分類號：U461" 收稿日期：2024-12-16

DOI：1019999/jcnki1004-0226202503010

1 前言

新能源汽車的熱管理和傳統汽車的熱管理存在很大的差異，傳統汽車熱管理主要是發動機的熱管理和乘客艙的制冷、制熱。純電動汽車除了滿足驅動電機和空調的熱管理需求之外，還需要滿足動力電池系統的熱管理。低溫環境對動力電池的性能影響很大，會使電池放電容量下降、內阻增大、充放電效率低等[1]。

純電動汽車是現階段新能源汽車的主要發展對象，純電動汽車的熱管理系統包括電池熱管理、乘客艙熱管理、電驅系統冷卻[2]，系統原理如圖1所示。

電池熱管理系統需要根據動力電池系統所處的環境和工況進行加熱或冷卻，以確保動力電池工作在最佳的溫度環境中，避免動力電池出現熱失控或放電不充分的問題[3-5]；動力系統在車輛運行過程中會產生大量的熱，熱管理系統可以使電機控制器和驅動電機的溫度在安全高效溫度區間來保證車輛的動力輸出[6]。

目前純電動汽車的加熱方式主要以傳統的PTC空調來進行制熱，還有一些主機廠采用雙源熱泵來進行制熱。這兩種方式各有利弊，采用PTC方式制熱，降低了車輛成本，制熱速度快，對環境無特殊要求，但耗電量較大，嚴重影響電動汽車的續航里程；采用熱泵方式制熱相比PTC制熱較為節能，但增加了車輛成本，在環境溫度較低的情況下，制熱效果不好且不能達到節能的效果。

目前，乘客艙、電池系統主要通過PTC加熱器對電池包進行加熱或保溫。長時間的使用PTC進行制熱會消耗大量的電能，減少續航里程?；谏鲜鰡栴}本文提出了通過利用部分驅動電機的余熱，參與整車熱管理的一種熱管理系統，通過對回路中三通閥的控制完成回路的切換來適應不同的工況場景。

2 整車熱管理系統方案設計

本文提出的整車熱管理系統主要包含驅動回路子系統、動力電池回路子系統、乘客艙回路子系統（圖2），各個回路的控制均由整車控制器（VCU）根據整車需求進行調控和控制。

驅動回路子系統、動力電池回路子系統、乘客艙回路子系統三個回路通過兩個三通閥進行系統連接。驅動回路子系統由三通閥、低溫散熱風散、電子水泵3、驅動電機amp;MCUamp;減速器amp;OBCamp;DC/DCamp;PDU電驅六合一、膨脹水壺、節流閥組成。動力電池回路子系統包含電子水泵2、換熱器、水溫傳感器4、水溫傳感器5、單向閥、膨脹水壺；乘客艙系統包含制冷回路和制熱回路；制冷回路包含電動壓縮機、冷凝器、三態壓力開關、截止閥、熱力膨脹閥、電子膨脹閥、蒸發器、鼓風機；制熱回路包含鼓風機、暖風芯體、三通閥、換熱器、電子水泵1、PTC加熱器（正溫度系數電阻絲）。

21 熱管理系統的回路連接

驅動回路子系統：膨脹水壺→低溫散熱器→電子水泵3→水溫傳感器1→電驅六合一→水溫傳感器2→三通閥1→膨脹水壺。

動力電池回路子系統冷卻循環：膨脹水壺→熱交換器（熱量能量交換：熱交換器→電動壓縮機→冷凝器→三態壓力開關→電子膨脹閥→熱交換器）→電子水泵2→水溫傳感器4（進水口）→動力電池包→水溫傳感器5（出水口）→膨脹水壺。

動力電池回路子系統加熱循環（小循環）：熱交換器（熱量能量交換：熱交換器→電子水泵1→水暖PTC→三通閥2→熱交換器）→電子水泵2→水溫傳感器4（進水口）→動力電池包→水溫傳感器5（出水口）→熱交換器。

動力電池回路子系統加熱循環（大循環）：熱交換器（熱量能量交換：熱交換器→單向閥3→電子水泵3→水溫傳感器1→電驅六合一→水溫傳感器2→三通閥1→三通閥2→熱交換器）→電子水泵2→水溫傳感器4（進水口）→動力電池包→水溫傳感器5（出水口）→熱交換器。

乘客艙回路子系統制冷循環：電動壓縮機→冷凝器→三態壓力開關→截止閥→蒸發器→電動壓縮機。

乘客艙回路子系統制熱循環（內循環）：電子水泵1→水暖PTC→三通閥→暖風芯體→電子水泵1。

乘客艙回路子系統制熱循環（外循環）：電子水泵3→電驅六合一→三通閥2→三通閥1→暖風芯體→單向閥→電子水泵3。

22 熱管理系統的控制策略

221 乘客艙回路子系統制熱控制

乘客艙制熱回路如圖3所示。

乘客艙有制熱回路子系統中設有溫度傳感器、三通閥、電子水泵。當乘客艙有制熱需求時，通過水溫傳感器2、水溫傳感器3、水溫傳感器6的溫度比較來確定是否開啟三通閥1和PTC以及電子水泵的轉速。具體控制策略如下：

當乘客艙有加熱請求時，比較水溫傳感器2、水溫傳感器3、水溫傳感器6的溫度，來判斷是否開通三通閥1乘客艙回路。水溫傳感器2的溫度大于溫度傳感器3、水溫傳感器6的溫度，開通三通閥1到乘客艙的回路利用電機余熱參與乘客艙的加熱，通過調節三通閥1的開度和電子水泵1轉速來滿足乘客艙的需求，如果電驅余熱無法滿足則開啟PTC，控制PTC的功率共同為乘客艙提供熱量。在滿足乘客艙加熱的同時考慮電驅六合一的冷卻效果，通過調節三通閥1的開度進行控制。如果通過調節三通閥1的開度及電子水泵2不能滿足驅動回路的冷卻需求，則關閉三通閥1的乘客艙回路，調節電子水泵2的轉速及電子風扇的轉速，以滿足電驅回路的冷卻，此時乘客艙加熱由PTC獨自完成。

222 動力電池回路子系統加熱控制

動力電池加熱回路如圖4所示。動力電池回路子系統加熱和乘客艙加熱控制策略基本一致，在此不再贅述。

223 乘客艙及動力電池系統加熱控制

乘客艙回路和動力電池回路同時有加熱需求管路，如圖5所示。

當乘客艙回路子系統和動力電池回路子系統都需要加熱時，通過調控三通閥的開度來滿足均衡乘客艙和動力電池的加熱需求，優先保障電池回路子系統的需求。具體控制策略如下：

當乘客艙和動力電池同時有加熱請求時，通過比較水溫傳感器2、水溫傳感器3、水溫傳感器6的溫度，來判斷是否開通三通閥1乘客艙回路。水溫傳感器2的溫度大于溫度傳感器3、水溫傳感器6的溫度，開通三通閥1到乘客艙的回路利用電機余熱參與乘客艙和動力電池的加熱，通過調節三通閥1的開度和電子水泵1轉速來滿足乘客艙和動力電池加熱的熱量需求，通過調控三通閥2的開度和電子水泵2的轉速來協調乘客艙動力電池回路加熱。

如果電驅余熱無法滿足加熱需求，VUC控制開啟PTC，PTC與驅動余熱共同為乘客艙和驅動電池回路提供熱能。在滿足加熱的同時考慮電驅六合一的冷卻效果，通過調節三通閥1的開度進行控制。

如果通過調節三通閥1的開度及電子水泵2不能滿足驅動回路的冷卻需求，則關閉三通閥1的乘客艙回路，調節電子水泵2的轉速及電子風扇的轉速，以滿足電驅回路的冷卻，此時乘客艙與動力電池回路加熱由PTC完成，如果PTC無法滿足則關閉三通閥2乘客艙回路，優先滿足動力電池回路的加熱請求。

3 仿真分析

根據本文的熱管理設計方案和控制策略，在環境艙進行實驗測試：環境溫度分別為-10 ℃、0 ℃、10 ℃；車速分別為20 km/h、50 km/h、80 km/h。在不同的環境、車速運行1 h測試，分析傳統的熱管理（圖1）和本文熱管理方案（圖2）能量消耗變化，如圖6、圖7所示。

從圖6可以看出在相同的環境中，車速越高，傳統熱管理系統與本文熱管理系統方案消耗的能量差異越大；從圖7可以得出，隨著環境溫度的升高，熱管理能量消耗的差異逐漸縮小。因此得出，能量差EngerDiffer與環境溫度成反比、與車速成正比。

4 結語

本文介紹了純電動汽車的熱管理系統的工作原理，該系統通過實時反饋熱管理狀態進行實時調節的閉環控制系統。本文熱管理方案通過加入電驅部件的余熱參與熱管理，在環境溫度較低的環境下，車速越高，節能表現越好。雖然該管理系統通過復雜的控制三通閥、電子水泵、電子風扇、PTC功率能適應不同的場景，但是控制算法較為復雜。驅動電機的余熱回收是改善新能源汽車熱管理系統的技術，有效地利用了高溫熱源的熱量，減少了電池包電量的消耗，改善了新能源汽車續駛里程的焦慮。

參考文獻：

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[3]何賢，鄧冬，蘇健，等8 kW車載動力電池直冷系統實驗研究[J]制冷學報，2019，40（2）：20-27

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[7]黃瑞，薛松，陳俊玄，等新能源車輛熱管理實驗教學平臺開發和應用[J]儀器設備研制，2020（12）：102-107

作者簡介：

劉洪民，男，1988年生，工程師，研究方向為新能源汽車能量管理、熱管理控制策略開發。