摘要
针对纯电动汽车低温续航里程焦虑问题,文章基于某款纯电动车型,对整车热管理系统进行了优化,采用一体式热管理方案,利用电机余热、电机主动制热、电池储热和压缩机创热等技术,通过精细化的控制策略,将整车的热量进行充分地利用与合理地调配,实现整车能耗的优化,通过实车试验对比验证发现,一体式热管理在能够满足整车热管理性能目标的同时,还能够提升低温续航39 km,同比增加11.7%,百公里耗电量降低3.79 kW·h/100 km,同比降低14%。
关键词
主要内容
汽车热管理是从系统和整车的角度出发，统 筹调控整车热量与环境热量，保持各部件工作在 最佳温度范围。传统汽车热管理主要有发动机、 变速器的冷却以及空调系统热管理，而新能源汽 车热管理有电机电控系统热管理、电池系统热管 理及乘员舱空调热管理，如图1-图3所示。在低温 环境下，传统燃油车可以利用发动机的余热对乘客 舱进行采暖，热管理对冬季的续航里程影响不大， 但是电动汽车没有发动机的余热给乘客舱加热，传 统方案是依靠PTC制热，这种制热方式需要消耗电 池包的电量，从而降低冬季的续航里程，于是针对 电动汽车采用的“一体式热管理”方案应运而生。
电动汽车的一体式热管理是从系统集成和整 车能量出发，综合评估空调系统、电机及电机控制 器冷却系统和动力电池冷却、加热系统之间的热 量传递的关系，通过能量的梯级利用以及整体的 集成控制，实现整车热量及能量的充分利用以及 合理调配，最终实现整车的乘客舱舒适性、能耗、 成本、空间和重量达到系统最优，如图 4 和图 5所示。
近几年新能源汽车市场迅猛发展，截止 2023年5月，新能源汽车的市场渗透率达到了32%，并 还在持续增长中，市场竞争异常激烈，低温续航作 为电动车的核心竞争力参数之一备受关注，如何 解决顾客的续航里程焦虑，尤其是低温下的里程 焦虑，是各整车企业面临的巨大挑战之一。李惠 等分析了影响低温续航的 3 个主要因素：（1）动 力电池在低温环境下容量衰减约22%；（2）低温环 境下汽车的行驶阻力会增大9. 5%；（3）低温环境下 空调系统PTC消耗的电能约占总能耗的22. 5%。不 难发现，热管理对整车低温续航的影响很大，在低温 环境下，热管理能耗约占整车能耗1/3，有着很大的 优化空间。目前，特斯拉 Model Y 采用一体式热 管理系统（见图 6），利用电机主动制热、电池储 热、压缩机创热等技术，籍由精细化的控制策略将 低温热管理能耗做到行业领先水平（见图7）。
黄炯等采用集成热管理技术，优化控制策 略，低温续航衰减比例下降约10%，目前比亚迪、吉 利、长安、小鹏等各大整车企业均开始采用一体式 热管理方案，提升系统集成度和低温续航。
本文对传统独立式的热管理方案按照一体式 热管理的理念进行了改进，通过改变管路的走向 以及合理的控制策略，将乘客舱空调系统、电池热 管理系统、电机冷却系统进行了耦合，在系统设计 时充分考虑热源的综合利用，根据热量的品质进 行合理调配，在达到整车的性能要求的同时，最大 限度地降低整车能耗，提升低温续航里程。
在低温环境下，需要被加热的对象有乘客舱 和电池。一体式热管理的热源有空气源热泵、电 机余热、电机低效制热、电机堵转制热、电池余热、 电池储热、压缩机创热，独立式热管理的热源有：热泵和 PTC。其中，空气源热泵是指在低温环境 下，制冷剂通过室外冷凝器吸收空气的热量，从而 达到对乘客舱加热的目的；电机/电池余热是指对 车辆在行驶过程中驱动电机/电池产生的废热进行 利用；电机低效制热是指在行车过程中主动降低 电机的驱动效率，将更多的电能转化为热量；电机 堵转制热是指在怠速过程中，将驱动电机所有的 输入功率转化为热功率；电池储热是指在电池温 度较高时，利用冷却液将电池的热量传递给乘客 舱；压缩机创热是指通过热气旁通的方式增加低 温环境下压缩机的制热量。
热源的经济性一般采用 COP 来描述，COP 可 表示为
热泵是利用压缩机将空气或水的热量搬运到 乘客舱内，热泵COP可表示为
很明显热泵的COP永远大于1，相比PTC和压 缩机创热这2种电转热的热源模式经济性更优。
对独立式热管理和一体式热管理的乘客舱加 热热源进行了对比，如表1所示。
不难发现，一体式热管理方案在低温环境下， 乘客舱采用电机/电池余热以及电池储热等热源， 这部分的热量属于电池和电机在车辆行驶过程中 的自产热，不消耗额外的电能，相比于COP 为0. 9的 PTC 电加热，在达到相同的乘客舱舒适性的前 提下，消耗的电量更少。从能量品质的角度看，电 机/电池余热属于低品位热量，而PTC 产热属于高 品位热量，符合能量梯级利用的理念。根据实测 数据，低温CLTC工况下的电机余热约为2. 5 kW， 热泵能够吸收空气的热量约为2 kW，压缩机创热 最大制热量约为5 kW，而SUV车型乘客舱的负荷 一般在5. 5 kW左右，所以在低温情况下，乘客舱的 热源充足，采用一体式热管理方案能够满足乘客 舱的加热需求，同时能够增加整车的低温续航里 程。图8是该车型的能量流示意图。
采用一体式热管理对低温续航的影响主要体 现在热管理耗能部件的能耗上。首先，一体式热 管理取消了PTC，不仅降低了成本，更重要的是减 少了主要的高压耗电部件，根据经验，在低温续航 测试中PTC消耗的电量约2. 5 kW·h左右，若将该 电量转换成续航，则低温续航里程会增加10 km左 右；其次还优化了相关控制策略，例如AGS和热源 选择逻辑等，通过合理地控制 AGS 的开度和热源 的选择，将整车能耗降到最低状态，从而增加整车 的低温续航。
原车独立式热管理原理图如图9所示。
其中乘客舱利用压缩机制冷、风PTC加热，电 池利用电池冷却器冷却、水PTC加热，电机采用风 扇冷却，乘客舱、电池、电机相互独立，热量没有实 现充分调配，根据一体式热管理的理念，对原车热 管理系统进行了改进，新设计的热管理架构如图10所示。
对于新的一体式热管理，乘客舱可以利用压 缩机制冷、电机产热、电池余热和压缩机创热等热 源进行加热，电池通过电池冷却器或者风扇冷却， 电机堵转加热，电机利用风扇冷却，实现了乘客 舱、电池、电机的相互耦合。同时根据热源的梯级 化利用和能量最优的理念，对热管理系统的控制 策略进行了设计和优化，逻辑控制框图如图 11所示。
整车热管理系统设计首先需要满足整车热管 理性能目标（见表2），主要是高低温下热管理的能 力及性能表现。
对某款中大型纯电动车型按照一体式热管理 架构进行改制，其中包括管路、阀门、水壶等硬件 改制，以及底层、应用层的软件改制，整车参数信 息如表3所示。
在对热管理系统的软件进行了环模标定后， 针对整车热管理性能目标进行试验，试验结果如 表4所示。
不难发现采用一体式热管理方案之后，系统 的最大制冷性能、最大制热性能以及除霜国标均 能够满足整车热管理性能目标。
一体式热管理方案在满足整车热管理性能目 标之后，分别对原车和改制车进行了低温续航测 试。低温续航里程的评价方法采用行业内普遍使 用的EV-Test测试规范，该规范是2019年由中汽研 针对电动车发布的一款测试规则，试验测试条件 为−7 ℃的 CLTC 循环，浸车 12 h，空调设置为外循 环吹脚模式，AUTO 22 ℃，结果如表5所示。
从表 5 不难发现：采用一体式热管理方案之 后，低温续航提升了11. 7%，百公里耗电量降低了14%，续航达成率提升了5. 5%。图12对两种热管 理方案进行了能量流分析，其中热管理能耗包括 压缩机、PTC、风扇、水泵、鼓风机等热管理系统所 有的耗能部件，一体式热管理方案的能耗占比从16%降低至10%，进一步论证了一体式热管理在低温续航中的重要性，也是纯电动汽车热管理的必 然发展方向。
经过理论分析以及试验验证，一体式热管理 不仅能够节约系统成本，还能够提升低温续航里 程，是未来纯电动汽车热管理的必然趋势。
（1）采用一体式热管理方案依然能够很好地 满足整车的热管理性能目标；
（2）相比独立式热管理系统，一体式热管理系 统能够增加低温续航 39 km，同比增加 11. 7%；低 温百公里耗电量同比降低了14%，低温续航达成率同比提升了5. 5%；
（3）相比独立式热管理系统，一体式热管理能 够节省成本约700元。
本次试验由于时间的原因，对热管理软件及 控制策略的标定未达到最优状态，后续可以对热 管理软件及控制策略进一步标定优化，实现真正 的精细化控制，提升更多的低温续航。
