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不同加热方案下EV冬季续航衰减对比

2021-03-02 11:28:22·  来源：电动学堂  作者：黄炯等  
　
文章来源：江铃汽车股份有限公司 1前言 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
文章来源：江铃汽车股份有限公司

1前言

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》，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）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。
热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：

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%。 
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