纯电动汽车冬季续航优化技术

2021-04-02黄炯陈瑶高少俊李鑫罗伟熊建辉

时代汽车 2021年4期

黄炯　陈瑶　高少俊　李鑫　罗伟　熊建辉

摘要：冬季续航低是纯电动车型最受关注的痛点问题。采用四通阀集成式热管理技术，高效热泵空调节能技术，可有效提升纯电动车型冬季续航表现，增强纯电动车型市场竞争力。本文介绍了某款纯电动车型四通阀及热泵空调布置结构、控制策略、中国乘用车行驶工况China light-duty vehicle test cycle for passenger car（CLTC-P）低温（-7℃）续航提升效果，具备技术领先性和推广价值。

关键词：纯电动汽车四通阀集成热管理高效热泵空调冬季续航衰减

Winter Battery Life Optimization Technology for Pure Electric Vehicles

Huang Jiong Chen Yao Gao Shaojun Li Xin Luo Wei Xiong Jianhui

Abstract：Low battery life in winter is the most concerned pain point of pure electric vehicles. The use of four-way valve integrated thermal management technology and high-efficiency heat pump air-conditioning energy-saving technology can effectively improve the winter endurance performance of pure electric vehicles and enhance the market competitiveness of pure electric vehicles. This article introduces the four-way valve and heat pump air-conditioning layout structure，control strategy， and driving conditions of a certain pure electric vehicle. China light-duty vehicle test cycle for passenger car （CLTC-P） low temperature （-7℃） endurance improvement effect，with technological leadership，is of promotion value.

Key words：pure electric vehicle， four-way valve integrated thermal management， high-efficiency heat pump air conditioning， winter battery life attenuation

1 前言

進入21世纪20年代，汽车市场进入存量时代，面对疫情的影响，抓住新能源电动化的发展机遇，是中国车企在“十四五”规划中兼顾生存与发展，实现产业升级和转型的必经之路。2019年底新发布的2020-2035年新能源汽车产业发展规划中言明至25年新能源汽车新车销量占总额25%左右，公共领域用车实现全面电动化，明确了电动汽车在产业整体发展目标中的主体地位[1]。

如何造出市场认可度高，让顾客接受的高品质纯电动车型？解决顾客“续航焦虑”，尤其是冬季续航衰减严重的痛点刻不容缓。纯电动车型冬季续航衰减主要来自于两点：一，电池包可用容量受低温直接影响;二、纯电动汽车冬季暖风空调热源来自电能而非发动机余热。不难发现，在当前动力电池技术没有重大提升的局面下，高度集成化的热管理和高效节能空调技术，是解决以上问题的关键路径。本文将从四通阀和高效热泵空调两方面，提供行之有效的解决方案。

2 电动车低温续航衰减评价方法

2.1 低温续航试验方法

本文的测试评价方法采用2019年的新版中汽研《EV-TEST（电动汽车测评）管理规则》[2]，用标准统一的测试规范评价中国工况（后文简写CLTC-P）冬季低温续航衰减情况，引入更多的中低速、怠速工况，更加贴合中国车主实际用车情况，有利于解决顾客对公告续航与实际续航符合度的疑问。

2.2 低温续航评价指标

在这里，我们使用低温续航衰减比例（相比常温续航）来衡量低温续航的水平，如下：

①

（1）c：低温续航衰减比例 %;

（2）L1：常温续航km，试验环境温度：（25±5）℃，续航工况：中国乘用车行驶工况CLTC-P;

（3）L2：低温续航km，试验环境温度：（-7±3）℃，续航工况：中国乘用车行驶工况CLTC-P;

3 四通阀集成式热管理技术介绍

3.1 工作原理

纯电动车型冬季低温行车或充电时，整车热管理的设计要点是管控三电系统运行下最佳温度区间。四通阀采用集成式热管理的设计理念，将电机水路和电池包水路连通，在电池包没有对应的热管理请求时，利用电机的余热以及电机系统的散热功能给电池包进行加热或冷却，提高能量利用率，降低电池包低温性能衰减，使顾客用更低的使用成本获得更优的续航和驾驶性体验。

电机冷却水路主要零部件：电机及控制器、DCDC+OBC、低温散热器、副水箱、水泵、两位三通阀及其管路等;电池包加热及冷却水路主要零部件：电池包水套、副水箱、水泵、chiller换热器、电池包PTC等;四通阀：连接电机和电池包水路。

3.2 控制策略

四通阀集成热管理分为常规、预加热和预冷却三种工作模式，低温续航优化的重点在于预加热模式利用电机余热对电池包进行加热。通过环境温度、电机温度、电池包温度综合判断，默认状态下，四通阀处于关闭状态，电机水路和电池包水路相互独立，分别根据VCU/BMS控制指令的最高需求调控水泵和风扇的工作状态。当满足一定条件时，进入余热回收阶段，四通阀关闭，两位三通阀关闭，电机水路蓄热。当满足一定条件时，进入预加热阶段，四通阀开启，两位三通阀关闭，风扇关闭，两个水泵同时工作，电池包入口水温高于电芯温度，电池包温度上升。当条件不满足时，退回默认状态。

4 高效热泵空调节能技术介绍

4.1 热泵空调工作原理

相较于PTC（Positive Temperature Coefficient后文简写PTC）消耗电能制热，热泵空调制热原理为：热量从温度较低的车外向温度较高的车内传递。

熱泵空调关键零部件与传统车在空调较为相似：包括压缩机、冷凝器、蒸发器、水冷凝器、电池包换热器等。利用换向阀改变制冷剂流向，将蒸发器在反向循环中充当冷凝器进行放热，即实现了热量从相对低位（车外）运输到相对高位（车内）。当温度较低或者外换热器结霜的情况下，热泵空调无法继续制热，采用PTC制热作为补充热源，提高顾客的使用舒适度。

热泵空调能效比相比PTC大大提升，配置热泵空调的纯电动车型在冬季低温续航的表现上具有显著优势。

4.2 热泵空调能耗优化策略

4.2.1 风扇转速控制策略

在低温续航试验中，电子风扇占热泵空调系统能耗15%～40%。增加车速、环境温度、系统高压、热泵工作模式等控制边界优化电子风扇工作档位请求，空调控制器传输到VCU，根据整车控制指令的最高需求调控电子风扇工作状态，大幅降低风扇能耗，可有效降低冬季低温因开空调采暖造成的续航衰减。

4.2.2 内外循环控制策略

前文3.1热泵空调工作原理已经阐述了，为了保证热泵空调系统的稳定性和可靠性，采用PTC制热作为辅助热源，提升顾客体验。基于当前的技术方案，优化空调模块软件策略，以环境温度、车内温度、车外温度、蒸发器表面温度为边界输入，空调控制器调控内外循环风门开度，通过不同环境温度下的转鼓试验空调标定验证，在确保行车过程中前挡风玻璃不起雾的前提下，最大限度降低PTC能耗。

5 冬季低温续航优化效果

5.1 四通阀集成式热管理效果验证

如图4四通阀对电池包温升及放电容量的优化效果对比，电池包温升速率明显提升，平均温度提高约2℃，电池包总放电量提升约2.5%。对冬季续航和驾驶性能优化明显。

5.2 高效热泵空调节能效果验证

如图5，冬季低温续航试验中，优化后的高效热泵空调系统，带PTC辅助热源，系统平均能耗相比传统PTC下降超过40%。

5.3 低温续航提升效果

表1对比了不同方案低温续航（-7℃）相比常温续航衰减比例：[3]

6 结论

四通阀集成式热管理技术和高效热泵空调，是优化电动车冬季低温续航行之有效的解决方案。

（1）四通阀集成式热管理技术，在低温续航（-7℃）CLTC-P试验中，电池包平均温度提高约2℃，电池包总放电量提升约2.5%;

（2）高效热泵空调通过优化电子风扇档位控制和内外循环风门开度控制策略，相比传统PTC加热采暖，系统节能超过40%;

（3）低温（-7℃）CLTC-P续航试验中，相比传统PTC空调采暖方式，低温续航衰减比例下降约10%。