基于電機余熱回收的電動汽車熱管理性能分析

朱 波，趙媛媛，姚明堯*，袁若陽

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué) 智能制造技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；3.拉夫堡大學(xué)，英格蘭 萊斯特郡 LE11 3TU)

0 引言

為應(yīng)對環(huán)境污染等全球問題，發(fā)展純電動汽車成為我國汽車產(chǎn)業(yè)的重要戰(zhàn)略[1-3].而低溫環(huán)境對純電動汽車的續(xù)駛里程和充放電等性能是一個非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[4].在低溫環(huán)境中，動力電池可用能量和可輸出功率衰減嚴(yán)重，且長期在低溫工作會加速電池老化、縮短使用壽命[5-8].因此，電動汽車熱管理技術(shù)成為緩解里程焦慮，保證電池、電機工作性能的關(guān)鍵技術(shù)之一[9-12].

目前，在低溫環(huán)境下行車過程中，應(yīng)用較多的電池加熱方式主要有通過PTC(正溫度系數(shù)熱敏電阻)為電池加熱和通過換熱器利用電機余熱為電池加熱.PTC材料是一種對溫度敏感的半導(dǎo)體電阻材料，當(dāng)PTC溫度超過設(shè)定的溫度閾值時，其電阻會顯著增加，可將加熱器的溫度維持在一定水平[13-15].PTC加熱器(后文簡稱為PTC)給鋰電池加熱會大幅消耗鋰電池能量[16]，加劇里程焦慮.通過換熱器利用電機余熱為電池加熱是比較新型的電池加熱方式[17,18]，可以縮短PTC開啟時間，減少電池能耗.但由于換熱器換熱利用率不高，難以充分利用電機余熱.

為了進(jìn)一步提高行車過程中的電池加熱效率，有部分學(xué)者嘗試將電機熱管理系統(tǒng)與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)串聯(lián)，采用比例閥與四通閥將電機冷卻液進(jìn)行分流，通過控制進(jìn)入電機散熱器的流量，改變進(jìn)入電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)冷卻液溫度[19].考慮到分流后進(jìn)入電池回路的熱量只是電機余熱的一部分、并未充分利用電機余熱，本文提出了一種新型集成熱管理系統(tǒng)(后文簡稱集成熱管理系統(tǒng))采用電磁開關(guān)閥直接實現(xiàn)電機熱管理系統(tǒng)與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的串并聯(lián)，制定低溫環(huán)境下集成熱管理系統(tǒng)控制策略，并在不同低溫環(huán)境下進(jìn)行了仿真分析.結(jié)果表明，集成熱管理系統(tǒng)在電池溫度維持及電池能耗方面均優(yōu)于傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，有效緩解里程焦慮.

1 基于電機余熱回收的電動汽車集成熱管理

1.1 集成熱管理系統(tǒng)構(gòu)型

本文提出的集成熱管理系統(tǒng)如圖1所示.電機熱管理系統(tǒng)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)通過閥1、閥3等實現(xiàn)流通換熱，空調(diào)和電池通過閥6、閥7等實現(xiàn)熱交換.其中電機外部包有保溫材料，以充分利用電機余熱.

圖1 電動汽車集成熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)閥的不同狀態(tài)，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)可以分為4種工作模式，如表1所示.閥狀態(tài)由8位2進(jìn)制數(shù)組成，從左到右第1～7位分別表示閥1～7，其中第8位為PTC開啟信號.其中閥1和閥3斷開即為傳統(tǒng)并聯(lián)構(gòu)型模式.

表1 工作模式

模式1表示電機與電池流通循環(huán)，利用電機余熱為電池加熱.PTC開啟給電池加熱;模式2電機與電池流通循環(huán)，利用電機余熱為電池加熱，PTC關(guān)閉;模式3表示電池小循環(huán)運行，此時電機及PTC均不為電池加熱;模式4表示電池大循環(huán)運行，電池的熱量通過散熱器散掉.

1.2 電池?zé)峁芾砟Ｐ?/h3>

目前動力電池主要采用的是鋰離子電池，其熱交換模型為：

(1)

式(1)中：Qa-w為環(huán)境溫度與冷卻液的對流換熱功率；Qx-w為電機、散熱器、PTC對冷卻液的換熱功率；Qb-w為電池包對冷卻液的換熱功率；Cw為冷卻液比熱容；mw為冷卻液質(zhì)量；Tw為冷卻液溫度.

Qm-w+f(qcell,h2,Tb,Tw)

(2)

式(2)中：h1為環(huán)境溫度與冷卻液的換熱系數(shù)；h2為冷卻液與電池包的換熱系數(shù)；Tb為動力電池溫度；Ta為環(huán)境溫度；QP,R-w為電池散熱器或PTC對冷卻液的換熱功率；qcell為鋰離子電池的生熱速率；Qm-w為電機對冷卻液的換熱功率.

1.3 低溫環(huán)境下集成熱管理系統(tǒng)控制策略

根據(jù)能量守恒，電池溫度變化取決于外部加熱、自身制熱總功率、電池?zé)彷椛?、熱對流等散熱總功率的變化；具體地，電池溫度、冷卻液溫度、環(huán)境溫度以及電磁閥信號等相關(guān)關(guān)系式為：

x1QP,R-w+x2Qm-w+h1(Tw-Ta)+

(3)

其中：

(4)

當(dāng)某一工作模式信號為0時，此時此工作模式下所有電磁閥均為0信號，相關(guān)循環(huán)回路冷卻液對電池包的有效冷卻(加熱)功率為0，表明此循環(huán)回路對電池包的溫度沒有影響，電池包溫度取決于其他工作模式信號為1的循環(huán)回路.

集成熱管理系統(tǒng)需根據(jù)環(huán)境溫度、各運行部件循環(huán)回路冷卻液溫度等狀態(tài)進(jìn)行模式切換，將動力電池的溫度控制在25 ℃附近.因此，本文提出了如圖2所示的集成熱管理系統(tǒng)邏輯控制策略.圖中Tbat為電池溫度.處于低溫環(huán)境時，電池進(jìn)入工作模式1；當(dāng)Tbat≥15 ℃時，進(jìn)入工作模式2；此時PTC關(guān)閉，由于電池的熱輻射以及熱對流散熱，電池溫度可能降低，若Tbat<13 ℃，則又返回到工作模式1；當(dāng)Tbat≥26 ℃時，進(jìn)入工作模式3；此時PTC及電機余熱均不為電池加熱，電池溫度可能降低，若Tbat<25 ℃，則又返回到工作模式2；若Tbat≥30 ℃，進(jìn)入工作模式4.需要注意的是，上述策略中13 ℃、15 ℃、25 ℃、26 ℃以及30 ℃等溫度閾值可根據(jù)實際需要進(jìn)行調(diào)整，本文僅依據(jù)經(jīng)驗選取未作優(yōu)化.

圖2 集成熱管理系統(tǒng)控制邏輯

2 仿真分析

2.1 仿真設(shè)定

為驗證該集成熱管理系統(tǒng)的性能、全面反映該結(jié)構(gòu)對環(huán)境的適應(yīng)性，本文在AMESim中建立電動汽車集成熱管理系統(tǒng)仿真模型，將集成熱管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行對比仿真.傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)控制策略與圖2集成熱管理系統(tǒng)控制策略相似，不同之處為只有圖2中的電池工作模式1、3、4，電池工作模式1中只有PTC加熱，當(dāng)Tbat≥15 ℃時，進(jìn)入工作模式3；此時PTC關(guān)閉，電池溫度可能降低，若Tbat<13 ℃，則又返回到工作模式2；當(dāng)Tbat≥30 ℃時，進(jìn)入工作模式4，電池進(jìn)行散熱.

整車集成熱管理系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表2所示.仿真環(huán)境溫度分別設(shè)置為-10 ℃、-5 ℃、0 ℃.仿真工況為10個CLTC(中國循環(huán)工況).

表2 整車相關(guān)參數(shù)

2.2 結(jié)果分析

電池溫度如圖3、圖4所示.顯然，圖中均有兩個階段，一個階段電池溫度快速上升，另一階段電池溫度緩慢上升且最終維持在某一溫度處.為方便描述，圖中構(gòu)型A為集成熱管理系統(tǒng)，構(gòu)型B為傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng).

圖3 集成熱管理系統(tǒng)電池溫度

圖4 傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)電池溫度

在圖3、圖4中，電池溫度由環(huán)境溫度第一次加熱到15 ℃，此階段定義為電池加熱階段.加熱階段結(jié)束后直到電池溫度大于30 ℃，此階段定義為電池保溫階段.加熱階段電池溫度圖及PTC開關(guān)信號，如圖5～7所示，其中加熱起點分別為環(huán)境溫度，加熱終點為15 ℃(即策略中PTC開關(guān)信號首次關(guān)閉點)，實線代表集成熱管理系統(tǒng)，虛線代表傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，黑色為電池溫度，紅色為PTC開關(guān)信號.

圖5 -10 ℃加熱階段電池溫度及PTC開關(guān)

圖6 -5 ℃加熱階段電池溫度及PTC開關(guān)

圖7 0 ℃加熱階段電池溫度及PTC開關(guān)

由加熱階段電池溫度曲線可以看出，細(xì)實線代表的A構(gòu)型電池溫度始終在細(xì)虛線表示的B構(gòu)型電池溫度的上方，即集成熱管理系統(tǒng)電池溫度上升曲線斜率高于傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng).由PTC開關(guān)信號線可以看出，集成熱管理系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，PTC提前關(guān)閉(即電池溫度更快到達(dá)15 ℃).不同低溫環(huán)境下(-10 ℃～0 ℃)，集成熱管理系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，加熱階段所需時間分別縮短了343 s、250 s、111 s.加熱階段所需時間如表3所示.保溫階段的平均溫度統(tǒng)計如表4所示.

表3 加熱階段所需時間

表4 保溫階段電池平均溫度

由圖2本文策略可知，理論上集成熱管理系統(tǒng)可以將電池溫度維持在25 ℃左右；由傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)策略可知，傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)只能將電池溫度維持在14 ℃左右.然而，由于工況和環(huán)境溫度的影響，實際上集成熱管理系統(tǒng)的電池保溫階段平均溫度并未達(dá)到25 ℃，但相對于傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的14 ℃，集成熱管理系統(tǒng)更接近電池適溫區(qū).

保溫階段集成熱管理系統(tǒng)實現(xiàn)電池溫度維持的方式有兩種：①電機余熱;②電機余熱+PTC.而傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)是僅通過不斷啟停PTC維持電池溫度.集成熱管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在仿真過程中的PTC開閉信號如圖8所示.

從圖8可知，集成熱管理系統(tǒng)的PTC在-10 ℃～0 ℃時只開關(guān)一次，而傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的PTC需頻繁開關(guān).PTC頻繁開關(guān)引起放電倍率頻繁變化，且PTC開啟會增大放電倍率，從而會加速電池容量的衰減[20].另一方面，電池的適溫區(qū)是25 ℃～40 ℃[21]，相較于傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)將電池溫度維持在14 ℃左右，集成熱管理系統(tǒng)可將電池溫度保持在20 ℃附近、更有利于提升電池使用壽命.

(a)A構(gòu)型PTC開關(guān)信號

不同環(huán)境溫度下集成熱管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的PTC能耗變化如圖9所示.顯然，加熱階段后，集成熱管理系統(tǒng)PTC能耗不再上升，而傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的PTC能耗則呈持續(xù)上升趨勢.因此，集成熱管理系統(tǒng)PTC能耗更低.

圖9 PTC能耗

低溫環(huán)境下電池溫度和PTC開啟時間會直接影響到電池SOC變化，進(jìn)而影響電動汽車?yán)m(xù)駛里程.為了分析集成熱管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在低溫環(huán)境下能耗差異，以及不同環(huán)境溫度對電動汽車?yán)m(xù)駛里程的影響，本文將低溫環(huán)境(-10 ℃～0 ℃)以及常溫環(huán)境(25 ℃)下不同構(gòu)型在既定工況仿真終止SOC統(tǒng)計如圖10所示，不同低溫環(huán)境下與常溫環(huán)境下終止SOC差值統(tǒng)計如表5所示.

圖10 電池終止SOC

表5 低溫與25 ℃電池終止SOC差值

從圖10可知，在不同低溫環(huán)境下集成熱管理系統(tǒng)較傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在綜合能耗上均有不同幅度的降低，-10 ℃、-5 ℃、0 ℃環(huán)境下分別可提高7.70%、6.12%、4.39%的經(jīng)濟(jì)性.由表5可知，傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)在不同低溫環(huán)境下的終止SOC較常溫環(huán)境下最大降低9.77%，而受益于電機余熱的充分利用，集成熱管理系統(tǒng)在不同低溫環(huán)境下的終止SOC較常溫環(huán)境降低不超過2.07%.由此可知，集成熱管理系統(tǒng)大幅削弱了環(huán)境溫度對于續(xù)駛里程的影響，可以有效緩解里程焦慮.

3 結(jié)論

為提高續(xù)航里程、改善電動汽車"里程焦慮"的問題，本文提出了一種基于電機余熱回收的電動汽車集成熱管理系統(tǒng)，在低溫環(huán)境下利用電機與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的串并聯(lián)切換，滿足電池加熱與保溫的需求.

不同低溫環(huán)境下(-10 ℃～0 ℃)的仿真結(jié)果表明，集成熱管理系統(tǒng)在加熱階段較傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的加熱時間可縮短111～343 s，可更快到達(dá)目標(biāo)溫度；在保溫階段，集成熱管理系統(tǒng)可通過電機余熱將電池溫度保持在20 ℃附近，不僅更接近電池適溫區(qū)，而且避免了頻繁啟動PTC加熱器，有利于延長電池壽命、降低車輛總體使用成本.

集成熱管理系統(tǒng)通過電機余熱實現(xiàn)對電池溫度及PTC加熱器開啟時間的改善，在不同環(huán)境溫度下(-10 ℃～0 ℃)可降低了4.39%～7.70%的綜合能耗；另一方面，集成熱管理系統(tǒng)將環(huán)境溫度對綜合消耗的影響從傳統(tǒng)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的9.77%降低到了2.07%，顯著緩解了環(huán)境溫度造成的里程焦慮問題.