純電動(dòng)車低溫續(xù)航里程提升方法

李 惠，張海軍，楊雪峰，余傳文，王海春

純電動(dòng)車低溫續(xù)航里程提升方法

李 惠，張海軍，楊雪峰，余傳文，王海春

（一汽奔騰轎車有限公司 奔騰開發(fā)院，吉林 長春 130012）

為了解決純電動(dòng)車的低溫續(xù)航里程急劇下降的問題，文章基于磷酸鐵鋰電池車型在EV-Test低溫續(xù)航測(cè)試中的能耗特點(diǎn)，從熱管理的維度提出了提升續(xù)航里程的方案。采用電池行車加熱和電機(jī)余熱回收，并使用KULI、Cruise軟件聯(lián)合仿真分析及實(shí)車試驗(yàn)對(duì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比分析，證實(shí)電機(jī)余熱回收方案效果更明顯，低溫續(xù)航實(shí)際提升47 km，低溫衰減率降低11%。該方案具有較好的普適性。

低溫續(xù)航里程；熱管理；電池行車加熱；電機(jī)余熱回收；低溫衰減率；純電動(dòng)車

2021年，國家出臺(tái)的“十四五”規(guī)劃明確聚焦新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，純電動(dòng)汽車的市場(chǎng)前景越來越廣闊。從市場(chǎng)反饋來看，續(xù)航里程仍是電動(dòng)車亟待解決的痛點(diǎn)。國內(nèi)電動(dòng)車主要使用三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，電池溫度過高或過低都會(huì)導(dǎo)致電池的放電能力下降。低溫環(huán)境下車輛采暖需求的能量來自于電池，并且空調(diào)系統(tǒng)能耗對(duì)低溫續(xù)航的影響占比更大。目前行業(yè)上低溫續(xù)航衰減率一般在35%～50%，因此，開展提升電動(dòng)車的低溫續(xù)航里程的研究迫在眉睫。比亞迪的王真分析了低溫續(xù)航的影響因素[1]，楊陽分析了不同溫度下鋰離子的充放電特性[2]，張子琦，周英杰等人基于正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient, PTC）及熱泵采暖方案對(duì)低溫續(xù)航的增益進(jìn)行分析[3-4]，北京卡達(dá)克的朱成研究了用戶習(xí)慣對(duì)低溫續(xù)航里程的變化影響[5]。公司某車型在進(jìn)行EV-Test低溫續(xù)航摸底試驗(yàn)時(shí)，實(shí)車低溫續(xù)航里程較常溫狀態(tài)下降54%，差于行業(yè)內(nèi)其他競(jìng)品車型的低溫衰減率（見圖1）。針對(duì)該問題，本文從提升電池放電能力的角度出發(fā)，研究了提升低溫續(xù)航的兩種方法。

1 評(píng)價(jià)方法

EV-Test是中國汽車技術(shù)研究中心有限公司結(jié)合國內(nèi)電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)電動(dòng)車?yán)m(xù)航、充電、安全、動(dòng)力等性能發(fā)布的一個(gè)測(cè)評(píng)規(guī)則，其中低溫續(xù)航作為續(xù)航與電耗性能部分的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

低溫續(xù)航測(cè)試的試驗(yàn)條件：在（?7±3）℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)前，車輛充滿電，在該低溫環(huán)境下浸置12～15小時(shí)，要求瞬時(shí)溫度不低于?13 ℃，不高于?1 ℃。試驗(yàn)時(shí)，車輛按照規(guī)定試驗(yàn)質(zhì)量加載，行駛阻力在常溫續(xù)航的阻力值A(chǔ)、B、C基礎(chǔ)上乘以1.1倍，封閉車內(nèi)中、后排空調(diào)出風(fēng)口，將空調(diào)模式設(shè)置到外循環(huán)吹腳模式，使車內(nèi)頭部平均溫度盡快達(dá)到25 ℃，試驗(yàn)期間盡量保證車內(nèi)頭部平均溫度在20 ℃～22 ℃范圍內(nèi)。試驗(yàn)工況在底盤測(cè)功機(jī)上采用循環(huán)乘用車行駛工況（China Light-duty Vehicle Test Cycle-Passenger Car, CLTC-P）進(jìn)行試驗(yàn)（見圖2）。CLTC-P循環(huán)工況包括低速、中速、高速3個(gè)速度區(qū)間，平均車速29 km/h，最大車速114 km/h，每個(gè)循環(huán)持續(xù)1 800 s，行駛里程14.5 km。試驗(yàn)過程中記錄車輛完成每個(gè)循環(huán)的實(shí)際里程數(shù)，初始及結(jié)束荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）。整個(gè)試驗(yàn)過程的總里程數(shù)則為車輛的低溫續(xù)航里程。

常溫續(xù)航測(cè)試的環(huán)境溫度為（25±5）℃，試驗(yàn)時(shí)不開空調(diào)，整個(gè)試驗(yàn)過程的總里程數(shù)為常溫續(xù)航里程。

圖2 CLTC-P工況

車輛的低溫續(xù)航衰減率定義為

式中，為低溫續(xù)航衰減率；N為常溫續(xù)航里程，km；L為低溫續(xù)航里程，km。

2 機(jī)理分析

圖3為該車型的能量流示意圖，其中動(dòng)力電池作為動(dòng)力源，由高壓配電盒分配至電機(jī)系統(tǒng)用于車輛驅(qū)動(dòng)，另一端分配至直流轉(zhuǎn)直流電源（Dir- ect Current/Direct Current, DC/DC）、PTC、壓縮機(jī)，其中DC/DC輸出給低壓負(fù)載（水泵、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)或其他低壓用電器），PTC及壓縮機(jī)作為高壓負(fù)載。車輛具備制動(dòng)能量回收功能，減速時(shí)可回收一部分能量流入電池。圖4為該車型熱管理原理圖，由電機(jī)冷卻支路、電池冷卻支路、空調(diào)制冷回路、PTC加熱回路四部分組成，其中，PTC加熱回路與空調(diào)制冷回路分別通過一個(gè)熱交換器與電池冷卻回路實(shí)現(xiàn)熱量交互，對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行加熱或冷卻。該熱管理原理兼顧電機(jī)冷卻、電池冷卻、電池加熱、乘員艙制冷、乘員艙采暖、除霜功能，其中電池加熱、乘員艙采暖或除霜功能使用水暖PTC實(shí)現(xiàn)。

圖3 能量流示意圖

圖4 整車熱管理原理圖

試驗(yàn)過程中測(cè)取控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線上電池輸出電流電壓、DC/DC的輸入輸出電流電壓、電機(jī)扭矩及轉(zhuǎn)速、PTC需求功率、電池芯體及電機(jī)控制器、DC/DC工作溫度等參數(shù)。利用數(shù)據(jù)采集器測(cè)取的熱管理原理圖中相關(guān)的溫度、壓力。

電機(jī)瞬時(shí)功率按式（2）計(jì)算

式中，m為電機(jī)瞬時(shí)功率，kW；為扭矩，N·m；為轉(zhuǎn)速，r/min；

電池DC/DC輸出功率按式（3）計(jì)算

式中，為功率，kW；為電壓，V；為電流，A。

驅(qū)動(dòng)做功按式（4）計(jì)算

式中，m為整個(gè)試驗(yàn)過程中驅(qū)動(dòng)做功，kWh。

電池及DC/DC電量按式（5）計(jì)算

式中，為整個(gè)試驗(yàn)過程中電池、DC/DC對(duì)應(yīng)的電量，kWh。

由以上公式計(jì)算出：

（1）整車能耗組成（基于常溫動(dòng)力電池放電量），見圖5：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)51.9%，PTC消耗22.5%，動(dòng)力電池放電容量減少21.9%，整車低壓消耗3.6%。

（2）低溫衰減率54%能耗部分組成，包括四部分：PTC消耗22.5%，動(dòng)力電池放電容量減少21.9%，低溫阻力增加9.5%，低壓負(fù)載3.6%，屬于熱管理范疇可控的有PTC消耗，低壓負(fù)載（冷卻水泵/鼓風(fēng)機(jī)等），動(dòng)力電池放電容量減少三部分。

（3）針對(duì)PTC能耗，前期開發(fā)中已根據(jù)低溫續(xù)航工況下乘員艙最低采暖需求，設(shè)置Eco+模式并限定該模式下PTC最大功率1.5 kW。分析車輛在穩(wěn)定階段的PTC功率略低于某競(jìng)品車型，由此可見，在保證熱管理原理不變的前提下，優(yōu)化PTC功率的空間較小。

圖5 整車能耗組成

（4）低壓負(fù)載由于耗電量較小，優(yōu)化的空間較小。

（5）針對(duì)電池的放電容量減少，該車型匹配的電池為磷酸鐵鋰電池，受限于電池本身的電化學(xué)特性，其低溫衰減率較三元鋰電池更高。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)電池芯體溫度上升較慢，電池一直處于低溫狀態(tài)，初始溫度為?2 ℃，至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)電芯溫度上升至4 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電芯的最佳工作溫度。另外，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)車輛行駛在工況的高速區(qū)間，瞬時(shí)車速為43 km/h，因車速無法跟隨試驗(yàn)工況所要求的車速，試驗(yàn)終止。終止時(shí)電池溫度為4 ℃，SOC為10.9%，超過10 kWh電量未正常放出使用。

（6）綜合電動(dòng)車高低溫續(xù)航開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，大部分車型EV-Test續(xù)航試驗(yàn)均在CLTC-P工況高速區(qū)間終止，原因并不是此時(shí)電池放不出電，而是由于電池工作溫度過高或過低，導(dǎo)致輸出功率滿足不了工況所需求功率。因此，低溫環(huán)境下提升電池的工作溫度能夠增加電池內(nèi)部的化學(xué)活性，從而提升電池的輸出功率。

3 方案優(yōu)化

如上所述，優(yōu)化PTC及低壓負(fù)載功率的空間較小，因此，僅從提升電池放電量的途徑進(jìn)行優(yōu)化。

提升電池溫度的優(yōu)化方案較多，包括電池包保溫、電池自加熱、電池行車加熱，電機(jī)余熱回收等方案。其中，電池包保溫技術(shù)已在本車型上實(shí)施應(yīng)用；電池自加熱技術(shù)需要重新開發(fā)電池包，開發(fā)周期較長，該方案暫不做考慮；因此僅考慮后兩個(gè)優(yōu)化方案的可行性。

使用熱管理仿真軟件KULI、動(dòng)力性經(jīng)濟(jì)性仿真軟件Cruise搭建熱管理簡化模型及整車能耗模型，聯(lián)合計(jì)算不同電池加熱方案對(duì)續(xù)航里程的改善效果。

3.1 電池行車加熱方案

控制熱管理原理圖的PTC加熱回路里的電子三通閥開度，使得整車采暖功能及電池加熱工作同步實(shí)施，此時(shí)PTC能耗有采暖及電池加熱兩部分組成。由于EV-Test低溫續(xù)航試驗(yàn)要求車內(nèi)頭部平均溫度需維持至20 ℃～22 ℃范圍內(nèi)，為保證車內(nèi)采暖性能，仿真模型中設(shè)定暖風(fēng)支路加熱功率目標(biāo)值1.5kW。同時(shí)為節(jié)省PTC能耗，電池加熱策略初步設(shè)定在≤40%SOC開啟，目標(biāo)加熱電芯溫度10℃。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，電池放電量增加4.9 kWh，續(xù)航里程升高至198 km（見圖6），較原狀態(tài)增加10 km。

圖6 行車加熱方案續(xù)航里程計(jì)算結(jié)果

實(shí)車在環(huán)境倉測(cè)試該方案的改善效果，見表1，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，放電深度由原有10.9%提升至2.1%，電芯溫度提升至10 ℃，電池放電量增加6.9 kWh，放電量提升15%，實(shí)車?yán)m(xù)航里程提升15 km。電池芯體溫度較原狀態(tài)上升較快，芯體最高溫度較原狀態(tài)提升6 ℃（見圖7）。續(xù)航里程提升效果仿真及試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

表1 行車加熱方案改善效果

性能參數(shù)原狀態(tài)行車加熱方案 結(jié)束時(shí)車速/(km/h)結(jié)束時(shí)SOC /%4310.9832.1 結(jié)束時(shí)電芯溫度/℃電池放電量/kWh續(xù)航里程/km4401881046.9203

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)（見表2），在40%～10.9% SOC區(qū)間，行車加熱方案相對(duì)原方案電池多放出2.5 kWh電量，而PTC多消耗2.3 kWh，用于續(xù)航提升的電量為為兩者差值0.2 kWh。在10.9%～2.1% SOC區(qū)間（見表3），行車加熱方案通過給電池加熱，電池多放出4.3 kWh電量，同時(shí)PTC多消耗1.1 kWh，用于續(xù)航提升的電量為兩者之差3.2 kWh，可推出行車加熱方案續(xù)航里程的增益主要體現(xiàn)在后10.9% SOC段，在用戶實(shí)際使用可感知的前80% SOC段，續(xù)航里程增益較低。

圖7 行車加熱方案實(shí)車電池溫度對(duì)比

表2 40%～10.9%SOC區(qū)間電池放電量及PTC耗電量對(duì)比

性能參數(shù)原狀態(tài)行車加熱方案差值 電池放電量/kWhPTC耗電量/kWh12.92.915.45.22.52.3

表3 10.9%～2.1%SOC區(qū)間電池放電量及PTC耗電量對(duì)比

性能參數(shù)原狀態(tài)行車加熱方案差值 電池放電量/kWhPTC耗電量/kWh004.31.14.31.1

3.2 電機(jī)余熱回收方案

目前國內(nèi)外均對(duì)電機(jī)余熱回收技術(shù)在汽車上應(yīng)用進(jìn)行了一系列研究，如TIAN Z，AHN J H，錢程等人研究了余熱回收用于空調(diào)系統(tǒng)對(duì)續(xù)航的影響[6-12]。GAO Y研究了余熱回收在混動(dòng)車上的節(jié)能表現(xiàn)[13-14]。Tesla Modle3通過超級(jí)水壺實(shí)現(xiàn)電機(jī)產(chǎn)熱給電池加熱。

3.2.1原理設(shè)計(jì)

在原有的熱管理系統(tǒng)原理上保證空調(diào)系統(tǒng)原理不動(dòng)，調(diào)整電機(jī)冷卻及電池冷卻系統(tǒng)原理，通過使用一個(gè)電子四通閥及一個(gè)電子三通閥實(shí)現(xiàn)電機(jī)余熱回收方案，如圖8所示。電子四通閥按使用需求轉(zhuǎn)換通道實(shí)現(xiàn)電機(jī)冷卻回路及電池冷卻回路的獨(dú)立或熱量交互。三通閥在余熱回收方式下將散熱器短路，其他模式下根據(jù)電池或電機(jī)的不同冷卻需求連通散熱器與外部空氣進(jìn)行換熱。電池加熱的方式由原來的PTC加熱方式變更為電機(jī)余熱回收方式。該模式下，PTC能耗僅為空調(diào)采暖部分應(yīng)用。

圖8 余熱回收熱管理原理圖

3.2.2方案效果評(píng)估

根據(jù)行車加熱實(shí)車驗(yàn)證結(jié)果，PTC共消耗 2.8 kWh電量用于加熱電池，并將電芯溫度由2 ℃加熱至10 ℃。分析摸底試驗(yàn)數(shù)據(jù)電機(jī)母線端電能及電機(jī)做功，整個(gè)試驗(yàn)過程中電機(jī)產(chǎn)熱4.4 kWh，其中一部分傳遞給冷卻系統(tǒng)導(dǎo)致冷卻液溫升，一部分通過電機(jī)本體與外界的對(duì)流換熱散失。

一定時(shí)間內(nèi)傳遞至冷卻液的熱量為

式中，為吸熱量，kWh；p為定壓比熱容，J/(kg·K)；為系統(tǒng)內(nèi)冷卻液質(zhì)量，kg；Δ為加熱前后溫差，K；d為時(shí)間，s。

根據(jù)前期摸底試驗(yàn)過程中散熱器出口水溫變化數(shù)據(jù)，得知第一個(gè)循環(huán)內(nèi)水溫由?6 ℃升高至 20 ℃，由式（6）計(jì)算整個(gè)試驗(yàn)過程由于電機(jī)發(fā)熱傳遞至冷卻系統(tǒng)的熱量約3.5 kWh左右。因此，判定電機(jī)余熱3.5 kWh能滿足電池的加熱功率需求。

調(diào)整熱管理簡化模型及整車能耗仿真模型，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，續(xù)航里程升高至243 km（見圖9），較原狀態(tài)188 km提升55 km。

圖9 余熱回收方案續(xù)航里程計(jì)算結(jié)果

3.2.3實(shí)車效果評(píng)估

實(shí)車在環(huán)境艙測(cè)試余熱回收方案改善效果，如表4所示，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)SOC為1.2%，較原狀態(tài)10.9%及行車加熱方案2.1%SOC，整體效果得到明顯改善。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)電池芯體最高溫度11 ℃，較原狀態(tài)電池芯體溫度提升7 ℃，電池多放電10.2 kWh，接近電池額定放電量51 kWh，續(xù)航里程提升47 km，低溫衰減率由原有54%下降至43%。電池溫度變化如圖10所示，余熱回收方案下電池芯體溫度上升明顯。對(duì)比續(xù)航里程提升仿真及試驗(yàn)結(jié)果，兩者基本吻合。

表4 余熱回收方案改善效果

性能參數(shù)原狀態(tài)余熱回收方案 結(jié)束時(shí)車速/(km/h)結(jié)束時(shí)SOC/ %4310.9321.2 結(jié)束時(shí)電芯溫度/℃電池放電量/kWh續(xù)航里程/km衰減率/%440188541150.223543

圖10 余熱回收方案實(shí)車電池溫度改善效果

3.3 方案改善效果對(duì)比

對(duì)比電池行車加熱及電機(jī)余熱回收方案的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，電機(jī)余熱回收方案電池放電量高于行車加熱方案，多放出3.3 kWh電量，如圖11所示。

圖11 電池放電量對(duì)比

對(duì)比續(xù)航的改善效果，如表5所示，電機(jī)余熱回收方案比行車加熱方案續(xù)航提升明顯，較原狀態(tài)續(xù)航提升47 km，較行車加熱方案續(xù)航提升32 km。低溫衰減率改善方面，余熱回收方案較原狀態(tài)衰減率下降3%，較行車加熱方案下降8%。

表5 續(xù)航提升效果對(duì)比

性能參數(shù)原狀態(tài)行車加熱余熱回收 實(shí)測(cè)續(xù)航/kWh續(xù)航衰減率/%18854%20351%23543%

由于磷酸鐵鋰的低溫衰減較三元鋰電池嚴(yán)重，對(duì)比同一車型上匹配額定電量相同的磷酸鐵鋰及三元鋰電池，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池低溫衰減率為21.7%，而三元鋰電池則為12.2%。因此，通過電池加熱技術(shù)，磷酸鐵鋰電池可提升放電量的空間更大，續(xù)航提升的效果更為顯著。

4 結(jié)論

通過仿真及實(shí)車驗(yàn)證，采用電池行車加熱及電機(jī)余熱回收方案均對(duì)電動(dòng)車低溫續(xù)航里程有一定程度的提升。對(duì)比兩個(gè)方案的CAE及實(shí)車?yán)m(xù)航里程提升效果，余熱回收方案比電池行車加熱方案更優(yōu)。通過電池加熱技術(shù)，低溫環(huán)境下電量相同的磷酸鐵鋰電池較三元鋰電池的續(xù)航提升效果更明顯。另外，雖然采用余熱回收技術(shù)后，電池的放電量接近額定放電量，但是空調(diào)系統(tǒng)采暖能耗仍占電池放電量的20%左右，因此，如何優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)能耗是仍一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

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Low Temperature Range Improvement Method of Pure Electric Vehicles

LI Hui, ZHANG Haijun, YANG Xuefeng, YU Chuanwen, WANG Haichun

( Bestune Vehicle Development Section, FAW Car Company Limited, Changchun 130012, China )

In order to solve the problem of the sharp decline in the low temperature cruising range of pure electric vehicles, this paper proposes a solution to increase the cruising range from the perspective of thermal management based on the energy consumption characteristics of lithium iron phosphate battery models in the low temperature endurance test of the EV-Test. Using battery driving heating and motor waste heat recovery, and using KULI and Cruise software joint simulation analysis and real vehicle test to compare and analyze the two schemes, it is confirmed that the effect of the motor waste heat recovery scheme is more obvious, the low temperature endurance is actually increased by 47 km, and the low temperature attenuation rate is reduced by 11%. The scheme of motor waste heat recovery has good universal applicability.

Low temperature range; Thermal management; Battery driving heating; Motor waste heat recovery;Low temperature attenuation rate;Pure electric vehicle

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.003

U462.2; U462.3+1; U467.1+3

A

1671-7988(2022)21-12-07

U462.2；U462.3+1；U467.1+3

A

1671-7988(2022)21-12-07

李惠（1984—），女，工程師，研究方向?yàn)檎嚐峁芾黹_發(fā)，E-mail:lihui@fawcar.com.cn。