搭配低温散热器的PHEV 电池冷却系统的节能效果

雍安姣，项 阳，付永宏，汪 爽，郭 廷，王 勇

（1.奇瑞汽车股份有限公司,芜湖市 241006，中国；2.安徽工程大学 机械工程学院,芜湖市 241000，中国；3.奇瑞新能源汽车股份有限公司,芜湖市 241006，中国）

插电式混合动力汽车(plug-in hybrid electric vehicle,PHEV)在传统燃油车的基础上增加了一套完整的电力驱动系统，并配备了较大容量的电池与充电装置[1]。在电量充足时，使用纯电模式，由电机单独驱动；在电量较低时，使用电量维持模式，发动机和电机共同提供动力。由于发动机可以工作在高效率区间，还可以回收制动能量，能降低高达30%的燃油消耗。PHEV 在电动汽车(electrical vehicle,EV)模式下零污染、安静、响应快，在混合动力电动汽车(hybrid electric vehicle,HEV)模式下节能、里程长、充能时间短，同时具备纯电动汽车与燃油车的优点，因此近年来在国内外发展极为迅速[2-5]。

PHEV 同时存在2 套动力系统[6]，对其冷却提出了更高的要求。为了同时满足发动机、电机、空调、中冷进气系统、传动系统、电控系统、电池的散热需求，PHEV 往往需要在前端摆放多达4～6 个散热器。一方面，对前端布置和安全性能提出了较高要求，另一方面，前端散热器过多，会降低风量，升高进风温度，影响发动机冷却性能与空调性能。

PHEV 相较EV，电池并联数小，相同电压平台时，同一放电功率下，电池发热量是EV 的数倍，此外PHEV 的电池包比EV 小，因此温升速度远高于EV。出于冷却能力以及成本的考虑，当前电池包冷却方式以液冷为主。而液冷方式的散热部件，主要有2 种：利用空调系统制冷、空气散热配合空调系统制冷。如荣威RX5、宋pro 等采用方式一，即仅通过冷水机(chiller)散热；如Golf VII GTE 205、A3 1.4l e-Tron 2016、XC90等采用方式二，即在配备冷水机的同时也配备了低温散热器(low temperature radiator,LTR)。

刘卫东[7]等针对方式一设计了整车加热即冷却控制策略，通过对水泵、电磁阀、风扇、压缩机等的控制实现不同工作模式下的不同部件的冷却以及加热；王伟民[8]等基于GT-SUITE 对电池包热模型进行标定，并基于此集成了整车热管理系统，进而预测了不同环境温度下的续驶里程，其电池包热管理架构同方式一；梁坤峰[9]等针对方式一的架构，对乘员舱和电池是串联还是并联进行了对比分析，结果表明：串联系统的性能系数和效率均明显高于并联系统；

李明敏[10]介绍了一种电池包双液冷系统，并与风冷系统进行定性对比，阐述了其优越性，其架构同方式二；肖峰[11]等就架构二在EV 车上的控制方法进行了研究，但并未从能耗方面进行阐述。上述文章对电池包的不同液冷架构均有研究和探讨，但均未就低温散热器的必要性从成本和节能率的角度进行权衡对比。

此外，YE Ben[12]等设计了一种含双冷却板的电池模组冷却系统，并通过优化冷却板的几何形状、电池间隙、通道数等，使电池温差减小了9.5%，压降减小了16.88%，从系统设计本身入手，降低能耗；马勒公司[13]提出一种电池包浸入式液冷系统，以应对快速充电带来的大功率快速冷却需求；来自帝国理工大学的 I.A.Hunt[14]等人提出极耳冷却，一方面可以带来更快速的冷却效果，同时也可最小化电芯温度梯度；易卜拉欣·丁塞尔[15]等人专门研究了更轻、更便宜和更高效的相变材料对电池进行冷却等，以上均从电池自身需求出发，通过设计更高效的冷却方式、更均匀的温度分布的冷却系统，来降低主动冷却的频次和工作时长，进而达到节能的目的。

上述文献均未就散热器(包含冷水机)构成形式，也即系统架构对能耗的影响进行分析。而电池包液冷是目前应用最为广泛的产品形式，主要有带或不带低温散热器的空调制冷2 种形式。如何评价量种架构的性价比对企业来说尤为重要。

低温散热器(LTR)冷却电池时无需启动压缩机，可降低能耗，但在中高温环境下散热能力很差甚至无法散热[16]。此外，PHEV 配备LTR 还可能带来成本、布置、性能上的问题。目前业内对PHEV 车型配备LTR 的必要性仍存在争议，同时因其节能效果受地域气候、驾驶工况、用户习惯、控制策略等因素影响，难以通过实验在同一边界下进行对比，也无法根据单一条件下的仿真结果进行评估。

本文基于全球统一轻型车辆测试循环(worldwide harmonized light vehicles test cycle,WLTC)提出通勤、差旅、郊游3 种用户实际行车工况，考虑中国大陆地域差异，通过仿真，量化LTR 系统年均节能情况，并对其节能效果做出了评价。

1 仿真模型及边界条件

1.1 PHEV 电池冷却仿真模型

本研究使用的整车数据来自某PHEV 车型，其中电池包电连接方式为1P96S，液冷，其整车主要相关参数如表1 所示。

该车型电池可分别由低温散热器(LTR)冷却或冷水机(chiller)冷却，在行驶过程中，根据环境温度、电池温度、行驶工况等条件切换冷却方式。其热管理架构图如图1 所示，图中省略了与电池冷却无关的部件。

根据图1，在一维热管理软件KULI 中搭建了水路模型与空调回路模型，模型中模式切换、阀门、压缩机、风扇、水泵等控制策略使用Simulink 编写，并在仿真时将控制模型与冷却模型进行强耦合计算。

图1 某PHEV 车型电池热管理架构图

1.2 电池产热模型搭建及验证

在电池冷却仿真模型中，合理的设置电池产热模型十分重要，本文采用1RC等效电路模型来预测电池产热[17-18]。1RC等效电路原理图如图2 所示，图中使用理想电压源E 表示电池开路电压；R表示电池Ohm内阻，体现输出电压的阶跃变化；R1与C1分别表示极化内阻与极化电容，体现输出电压的动态变化。

图2 1RC 电模型原理图

本文对该车型搭载的电芯进行脉冲放电测试，并根据参数辨识结果在Simulink 中搭建1RC电模型。为验证该模型的精度，将仿真结果与实验值进行比较，结果如图3 所示。从图3 可知：电压误差在0.3%以内，满足精度要求。

图3 电模型仿真结果与实验结果

将该模型得到的电池瞬时电压Ut代入简化的Bernardi 生热率模型，得到瞬时发热量[19-20]。Bernardi生热率为

1.3 PHEV 电池冷却控制逻辑

1) LTR+Chiller 系统冷却电池控制逻辑。

当环境温度低于30 ℃时，电池温度高于33 ℃时启动LTR 冷却系统，降低到31 ℃后关闭；若LTR能力不足，则电池温度继续升高至35 ℃时切换为Chiller 回路，降低到31 ℃后关闭Chiller。当环境温度高于30 ℃时，系统将强制关闭LTR 回路，电池温度高于33 ℃时启动Chiller 冷却，降低到31 ℃后关闭。

2) 单Chiller 系统冷却电池控制逻辑。

电池温度高于33 ℃时启动Chiller 冷却系统，降低到31 ℃后关闭。

1.4 用户行车工况

将用户日常实际行车工况简化成：城区行驶、城郊(高架)行驶、高速行驶3 类，分别对应为WLTC 的3个阶段，如图4 所示。

图4 WLTC 工况速度曲线及分段

根据用户需求，假设用车习惯如下：

1) 夜间停车时，会外接电源充电，次日用车前为满电状态；

2) 使用默认行车模式，即满电时使用EV 模式，电池SOC 降低到25%时自动启动发动机，切换为HEV 模式；

3) HEV 模式电池较少参与工作，功率很低，该阶段无需冷却。

通过走访调研PHEV 车主实际用车情况，设计了3 种常用工况，分别为通勤、差旅、郊游。该款PHEV纯电里程约60 km，可满足日常通勤全程使用EV 模式，但不能满足完整的差旅与郊游工况。因此差旅与郊游工况只针对出行前期阶段进行设计。

通勤工况包括10 min 市区+20 min 高架+10 min 市区道路，共40 min，26.7 km，每日行驶2 次，全程EV 模式。

差旅工况包括15 min 市区+25 min 以上的高速道路+20 min 市区道路。EV 模式只能维持前约40 min行驶，每日1 次，EV 里程48.6 km。

郊游工况包括15 min 市区+15 min 环城高速+30 min 及以上的城郊道路。EV 模式只能维持前约60 min行驶，每日一次，EV 里程59.3 km。

图5 3 种常用工况早间出行道路情况

1.5 环境温度与电池初始温度

环境温度的考察范围按实际情况确定。由1.3 节可知，环境温度高于30 ℃时，LTR 强制关闭，因此考察上限为30 ℃；当环境温度很低时，出行时电池的初始温度低，冷却系统无需工作，此环境温度就是本研究的考察下限。由于PHEV 充电功率小，电池发热量极低，因此考察下限仅与电池保温性能有关。

该PHEV 电池包位于车身底部，下底面覆盖有一层聚氨酯隔热材料。通过以下简化假设，可推算各环境温度时电池包的降温曲线[21]：

1) 电池包视为集总热容系统，温度均匀分布；

2) 铝制壳体导热性极强，忽略；

3) 隔热层较薄，忽略其热容；

4) 电池包下表面通过隔热层与空气接触进行对流换热，其他面绝热。

简化后的模型示意图如图6 所示。

图6 PHEV 电池包保温性能简化模型示意图

根据传热学基本公式，可得：

解常微分方程(2)、(3)，并代入初始条件(4)，可得：

式中：k为隔热材料导热系数；A为隔热材料表面积；d为隔热材料厚度；θ为电池包温度；θsurf为隔热材料下表面温度；h为对流换热系数；θamb为环境温度；cp为电池包定压比热容；m为电池包质量；θ0为电池包初始温度；t为放置时间。

由于冷却系统需要维持电池温度在32 ℃左右，假设电池在停车前温度均为32 ℃，将各物性材料参数代入式(5)，可得各环境温度下，PHEV 静置时电池包的降温曲线，如图7 所示。根据图7 可得次日出行时电池温度(θ)与环境温度(θamb)的关系曲线，如图8 所示。

图7 PHEV 在各环境温度下电池包降温曲线

由图8 中可知：当环境温度为11 ℃时，次日车辆启动时电池温度约为19.7 ℃，经过单质量点估算，1.4 节所述的3 个用户工况中，差旅工况的温升最为剧烈，无冷却措施将使电池温度升高至33 ℃，为启动冷却系统的临界点。因此，将环境温度的考察范围确定为12～30℃，对考察范围内所有温度点(间隔3 ℃)进行仿真计算。

图8 PHEV 在各环境温度下的初始温度

2 单一行车工况电池降温能耗分析

开展了单一用户行车工况能耗仿真工作，分析了通勤、差旅和郊游3 种工况下，采用单Chiller 冷却或LTR+Chiller 冷却电池系统的总能耗与能效比，结果如图9 所示。

图9 PHEV 2 种电池冷却配置的耗能与能效比

从图9 中可知：随着环境温度升高，无论是否配备LTR，冷却系统耗能均有增加。通勤工况电池的冷却需求最低，在环境温度24 ℃以下时，无需冷却系统参与工作。LTR 在低温环境下降温能力强，工作时间短，耗能低，因此能效比极高，在12 ℃时，可达7.6，但随着环境温度上升急剧下降，在30 ℃时，仅有0.9～2.5。环境温度从12 ℃变化到30 ℃，单Chiller 冷却的能效比从3.3下降到2.6，受环境温度影响较小。

3 LTR 年均节能量分析

用户行车工况下LTR 年均节能量分析中，考虑了季节及地域气候差异，来建立用户工况的年度分布模型。

3.1 用户工况的年度分布模型

在全年不同时间，用户用车过程中，通勤、差旅和郊游工况的用车频率是不同的。本研究根据2019 年假日办公布的法定假日分布数据，合理假设：

1) 用户每月在工作日出差2 天，出差日出现1 次差旅工况；

2) 用户其他工作日正常上下班，每日出现2 次通勤工况；

3) 用户假期一半时间(向下取整)外出郊游，郊游日出现1 次郊游工况；

4) 用户假期其他时间休息，无用车需求。

综上，得到用户工况的年度分布情况，如表2 所示。

表2 2019 年法定假日分布与用户工况分布

3.2 地域气候特征

中国疆域跨越热带、亚热带与温带3 大气候带。位于不同气候带的城市，年平均温度与温差也不同，从而对LTR 的年节能效果产生影响；因此，本研究选择了中国大陆的部分典型城市，要求城市分布尽量广泛，尽量选择人口密集城市，或具备典型气候特征的城市。最终，选择的典型城市从北到南为：哈尔滨、乌鲁木齐、呼和浩特、沈阳、北京、青岛、西安、合肥、上海、武汉、成都、杭州、昆明、广州、三亚。

从美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)网站得到以上典型城市从2009-01-01 到2018-12-30 的10 年间的日平均温度[22]，通过与用户工况的年度分布进行交叉计算，得到各城市在考察的环境温度下行驶工况的期望次数，进一步计算即可得到配备LTR 的年均节能量。

3.3 LTR 年均节能量计算结果

最终计算得到所选中国大陆典型城市的LTR 年均节能量结果，按年均节能量从高到低排列，如图10所示；按年均节能率从高到低排列，如图11 所示。

图10 典型城市配备LTR 的年均节能量

图11 典型城市配备LTR 的年均节能率

从图10、11 可知：配备LTR 可以节约电池冷却系统耗能，年均节能量2～5 kWh 不等；南方城市电池冷却需求高，节能量大，可达4 kWh 以上，但年均节能率低，约40%～50%；北方城市恰好相反，分别为2 kWh，50%～60%。三亚市气温位于LTR 高收益区间(24～27 ℃)的年平均天数为320 d，因此同时具备较高的节能量与节能率，是所有典型城市中最适宜配备LTR 的。昆明气温位于高收益区间的年平均天数为106 d，整体气温9～21℃较低，冷却需求弱，配备LTR 节能量小。但高达73.9%的年均节能率表明，若用户使用中高负荷工况的频率高(如山区)，在昆明地区配备LTR 的年度收益将迅速上升。

在所讨论的用车频率下，统计城市中三亚市的年节能量最高，为5.04 kWh，按93%的充电效率与0.58元/kWh 电价计算，年省电费为3.14 元。假设配备LTR 需要增加物料成本100 元，需32 年后才可回收。因此，配备LTR 的成本与收益并不匹配。

4 结论

本研究从用户角度，考虑了不同季节、地域条件下插电式混合动力车(PHEV)配备搭配电池低温散热器(LTR)的节能效果。对单一用户行车工况下的冷却系统耗能进行了计算，分析得出LTR 高收益的温度区间；选择了中国大陆部分典型城市，通过查询其长期的历史气候数据，计算得到各城市的年均LTR 节能情况；在所选典型城市间进行横向比较，分析配备LTR 的价值。结论为：

1) LTR 能取得较高收益的条件为12～27 ℃环境温度，且非通勤等低负荷工况。通勤等低负荷工况下LTR 的工作区间很窄(24～27 ℃)，收益小。

2) 中国大陆大部分城市配备LTR 的PHEV 车年均节能量2～5 kWh，从南到北有降低的趋势。节能率40%～70%，从南到北有升高的趋势。

3) 在所讨论的用车频率下，电池冷却系统配LTR的年收益低于3.14 元，与其成本投入不匹配。笔者建议取消PHEV上电池冷却系统的LTR。