王偉民，王小碧，徐人鶴，汪毛毛，施 睿，楊志勇，萬超輝，胡彬瑩，石 琳

（東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，武漢 430058）

近年來，隨著國內(nèi)外的純電動汽車產(chǎn)品越來越普及，各方面的技術(shù)逐漸成熟，消費(fèi)者逐漸接受了純電動汽車，銷量有了很大的提升，而且2019 年純電動乘用車銷量占當(dāng)年新能源乘用車銷量的80.5%[1]。但是，隨著用戶的增加，使用區(qū)域也逐漸遍布熱帶、溫帶、寒帶和極寒等地區(qū)，各種氣候環(huán)境導(dǎo)致的使用過程中的諸多問題也逐漸暴露出來，高低溫環(huán)境下續(xù)駛里程衰減嚴(yán)重和快充時(shí)間大大延長是當(dāng)前純電動汽車用戶諸多痛點(diǎn)中的兩大痛點(diǎn)[2]。

各大汽車公司和科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)充分認(rèn)識到了熱管理相關(guān)的兩大痛點(diǎn)的重要性，分別從不同環(huán)境溫度下純電動汽車?yán)m(xù)駛里程測評方法、夏冬季負(fù)荷特性、高低溫續(xù)駛里程改善、整車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制等方面開展了深入研究，逐步改善新能源汽車全氣候使用的痛點(diǎn)問題[3-5]。

隨著三電（電池、電機(jī)和電控）熱管理要求的不斷提高，純電動汽車熱管理系統(tǒng)逐漸從最初的三電熱管理（電池風(fēng)冷、電機(jī)和電控水冷）和乘員艙空調(diào)系統(tǒng)各自分離的整車熱管理系統(tǒng)，過渡到基于全水冷方式構(gòu)建的三電溫控系統(tǒng)和乘員艙空調(diào)系統(tǒng)緊耦合的整車熱管理系統(tǒng)，還添加了電機(jī)余熱回收功能，實(shí)現(xiàn)了三電熱管理和乘員艙空調(diào)的各種功能完整、保證三電熱安全、兼顧節(jié)能（電機(jī)和電控余熱再利用）的整車熱管理系統(tǒng)的構(gòu)建，成為了主流的非熱泵型整車熱管理技術(shù)方案[6-7]。但是，由于系統(tǒng)中低溫加熱熱源PTC 耗能較高，導(dǎo)致低溫環(huán)境下純電動汽車?yán)m(xù)駛里程衰減嚴(yán)重，所以各家主機(jī)廠逐漸導(dǎo)入熱泵作為低溫環(huán)境下的高效熱源，將電機(jī)/電控溫控、動力電池溫控、乘客艙空調(diào)進(jìn)行全面考慮，構(gòu)建更加高效節(jié)能的整車熱管理系統(tǒng)[8-9]。

本文針對某量產(chǎn)純電動汽車車型的整車熱管理系統(tǒng)，按照V 字型開發(fā)流程，著重對系統(tǒng)功能和性能定義、性能分解和匹配，系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)仿真，控制系統(tǒng)開發(fā)、標(biāo)定和試驗(yàn)驗(yàn)證等各個子領(lǐng)域中的重點(diǎn)開發(fā)技術(shù)進(jìn)行了綜合研究，提出了解決純電動汽車全氣候使用問題的解決方案。盡管各子領(lǐng)域的關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)還需進(jìn)一步改進(jìn)，但是建立比較完整的純電動汽車熱泵型整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)體系是十分必要的。

1 純電動汽車熱泵型整車熱管理系統(tǒng)概要

為了改善純電動汽車低溫續(xù)駛里程的衰減問題，非熱泵型和熱泵型兩種整車熱管理系統(tǒng)都已經(jīng)被廣泛采用，實(shí)際開發(fā)中可以根據(jù)純電動汽車的車型級別和性價(jià)比，選擇整車熱管理系統(tǒng)的類型。如圖1 所示的非熱泵型整車熱管理系統(tǒng)，低溫環(huán)境下的加熱功能主要為：采用PTC 對乘員艙進(jìn)行加熱，行車工況下把電驅(qū)動系統(tǒng)和電池、空調(diào)的水回路在低溫下聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)電機(jī)余熱回收并給電池包進(jìn)行加熱等功能，同時(shí)對乘員艙及電池溫度實(shí)施智能控制。該方案可將電池能量較好地轉(zhuǎn)化為用戶所要求實(shí)現(xiàn)的動力經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)，滿足用戶對三電系統(tǒng)及乘員艙的加熱和冷卻需求，同時(shí)保證三電系統(tǒng)在高溫條件下的熱安全，控制系統(tǒng)及熱管理回路相對簡單容易實(shí)現(xiàn)，總成本較低。

圖1 帶電機(jī)余熱回收的非熱泵型整車熱管理系統(tǒng)

圖2 所示的熱泵型整車熱管理系統(tǒng)是在非熱泵型整車熱管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，把其核心部分變更成使用R134a 制冷劑的熱泵系統(tǒng)，給整車熱管理系統(tǒng)提供合適的冷源和高效的熱源。為了進(jìn)一步改善整車熱管理性能，還需要對三電系統(tǒng)提出電機(jī)和電池?zé)峁芾淼南嚓P(guān)改善措施。圖2 中制冷劑回路的控制閥組實(shí)現(xiàn)熱泵的制熱和制冷功能，正在申請專利，在此不便公開。

圖2 帶電機(jī)余熱回收的熱泵型整車熱管理系統(tǒng)

2 熱泵型整車熱管理系統(tǒng)的V 字形開發(fā)流程

目前整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)采用了如圖3 所示的V 字型開發(fā)流程，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)開發(fā)要有頂層設(shè)計(jì)理念，系統(tǒng)功能和性能定義要滿足整車要求，零部件匹配選型要有仿真在內(nèi)的科學(xué)計(jì)算工具?？刂葡到y(tǒng)功能性能的實(shí)現(xiàn)要與臺架和整車試驗(yàn)驗(yàn)證有機(jī)結(jié)合。

圖3 熱泵型整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)流程概要

3 功能和性能定義

系統(tǒng)功能方面，有別于傳統(tǒng)燃油車熱管理系統(tǒng)服務(wù)于發(fā)動機(jī)冷卻和冷暖空調(diào)系統(tǒng)的功能需求，純電動車的服務(wù)對象為電驅(qū)動、電池和乘員艙，其中電池的溫度適應(yīng)范圍更窄，對熱管理系統(tǒng)的功能要求更高。一般來說，一個完整的整車熱管理系統(tǒng)應(yīng)該具備表1 所示的9 種基本功能模式，可根據(jù)其他具體需求，組成滿足適用于不同環(huán)境溫度（極低溫、低溫、常溫、高溫）和不同的車輛行駛狀態(tài)（快充、有或無爬坡行駛、低速或高速行駛）的30 多種的組合功能模式，滿足車輛各種使用要求。

表1 熱管理系統(tǒng)的基本功能需求

由于整車驅(qū)動方式和補(bǔ)能方式的變化，整車熱管理的設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)工況也與傳統(tǒng)燃油車有較大區(qū)別，總體可以分為3 類：系統(tǒng)熱安全指標(biāo)、熱舒適性指標(biāo)、全氣候用戶使用便利性指標(biāo)（以EVTEST 為主），見表2。

表2 整車設(shè)計(jì)考核工況

表2 中全氣候使用利便性的4 個指標(biāo)體現(xiàn)了開發(fā)車型的競爭力，直接關(guān)系到用戶的體驗(yàn)評價(jià)，熱安全、熱舒適性兩類目標(biāo)是必達(dá)目標(biāo)。三類性能目標(biāo)要同時(shí)考慮，保證系統(tǒng)性能均衡協(xié)調(diào)。

4 性能分解和匹配

為保證全氣候使用便利性、整車熱安全和熱舒適性等性能目標(biāo)的達(dá)成，需要將整車性能向子系統(tǒng)和零部件進(jìn)行分解，影響性能達(dá)成的因素和分解過程如圖4 所示。

圖4 性能分解思路

對于低溫續(xù)駛里程衰減率，可先根據(jù)電池包定義的浸車終止溫度計(jì)算得到電池包的初步保溫要求；再根據(jù)電池包定義的續(xù)駛時(shí)平衡溫度和電驅(qū)動系統(tǒng)余熱可利用量，計(jì)算得到電驅(qū)動系統(tǒng)的保溫要求；隨后可根據(jù)電池包低溫放電性能和低溫續(xù)駛里程衰減率要求，分解計(jì)算得到壓縮機(jī)和低壓附件的能耗要求；最后依據(jù)低溫續(xù)駛工況時(shí)乘員艙的負(fù)荷，得到空調(diào)系統(tǒng)的低溫能效比要求。

對于高溫續(xù)駛里程衰減率，可根據(jù)電池包高溫放電性能和高溫續(xù)駛里程衰減率要求，分解計(jì)算得到壓縮機(jī)和低壓附件的能耗要求；然后依據(jù)高溫續(xù)駛工況時(shí)乘員艙的熱負(fù)荷，得到空調(diào)系統(tǒng)的高溫能效比要求。

對于低溫快充時(shí)間延長率，可先根據(jù)電池包的初步保溫要求，計(jì)算得到電池包浸車后的初始溫度；再根據(jù)整車充電策略和低溫快充時(shí)間增加率要求，計(jì)算得到快充時(shí)電池包的加熱功率要求。

對于高溫快充時(shí)間延長率，可先根據(jù)電池包的初步保溫要求，計(jì)算得到電池包浸車后的初始溫度；再根據(jù)整車充電策略和高溫快充時(shí)間增加率要求，計(jì)算得到快充時(shí)電池包的冷卻功率要求。

對于熱平衡考核工況和空調(diào)性能考核工況，先計(jì)算得到各工況下電池包、電驅(qū)動系統(tǒng)、乘員艙的冷熱負(fù)荷，即可確定幾個關(guān)鍵換熱器的散熱量和制冷劑閥選型要求；然后根據(jù)制冷劑的狀態(tài)計(jì)算得到壓縮機(jī)的選型要求；隨后根據(jù)進(jìn)風(fēng)量和水流量等要求，確定各換熱器的散熱能力選型要求；最后根據(jù)進(jìn)風(fēng)量要求和前端模塊進(jìn)風(fēng)量三維仿真確認(rèn)風(fēng)扇和前端換熱器的風(fēng)阻選型要求，根據(jù)水流量要求和流阻仿真確認(rèn)水泵性能和各換熱器的水阻選型要求。同理，可計(jì)算定義空調(diào)箱內(nèi)蒸發(fā)器、暖風(fēng)芯體和鼓風(fēng)機(jī)的選型要求。

5 仿真預(yù)測

根據(jù)熱管理系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)度，系統(tǒng)仿真預(yù)測在不同階段有不同的仿真目的，相應(yīng)的模型復(fù)雜度也在不斷演進(jìn)，仿真精度不斷提升，如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)開發(fā)與仿真目的

在概念設(shè)計(jì)階段結(jié)合零部件匹配選型進(jìn)行子系統(tǒng)的性能仿真校核，因篇幅所限不在此詳述。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，需要對整車性能進(jìn)行可達(dá)成性驗(yàn)證，有別于燃油車熱管理系統(tǒng)的獨(dú)立性，純電動車熱管理系統(tǒng)高度耦合，需要將各系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合建模，并加入一定控制策略，如圖6 所示。

圖6 整車熱管理系統(tǒng)仿真模型

對整車的熱安全、熱舒適性和高低溫續(xù)駛里程等關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求進(jìn)行預(yù)測，在實(shí)車試驗(yàn)前期進(jìn)行性能的可達(dá)成性判斷。如圖7 所示的部分仿真結(jié)果表明，低溫（-7°C）EV-TEST 試驗(yàn)過程中，壓縮機(jī)功耗與非熱泵型整車熱管理系統(tǒng)相比大大降低，有助于提升低溫下的續(xù)駛里程。

圖7 低溫續(xù)駛工況下的電池SOC 和壓縮機(jī)功耗

如需進(jìn)一步對控制參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，需要將物理模型與Matlab-Simulink 控制模型進(jìn)行耦合仿真。

6 控制系統(tǒng)

6.1 控制系統(tǒng)硬件

根據(jù)整車功能規(guī)范編寫的熱管理控制軟件集成在動力域控制器中，乘員艙自動空調(diào)的控制軟件集成在車身域控制器中，不再使用獨(dú)立的整車熱管理和自動空調(diào)的控制器硬件。

圖8 整車熱管理控制系統(tǒng)的硬件配置

6.2 控制系統(tǒng)軟件概要

熱管理系統(tǒng)控制軟件需要根據(jù)整車熱管理控制功能規(guī)范的要求，控制電池?zé)峁芾砘芈?、電?qū)動（電機(jī)和電控）熱管理回路和乘客艙空調(diào)回路的運(yùn)行，熱管理功能模式要根據(jù)三者的需求綜合判定。整車熱管理系統(tǒng)運(yùn)行過程中，首先接收BMS 發(fā)出的電池?zé)峁芾碚埱?、AC 發(fā)出的乘客艙需求，以及電驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出的熱管理請求，再通過判斷車輛充電狀態(tài)、車速信息、環(huán)境溫度等輔助信號，綜合判斷確定當(dāng)前的熱管理功能模式狀態(tài)，把控制信號發(fā)送給熱管理系統(tǒng)的各個受控零部件，零部件執(zhí)行相應(yīng)的控制策略實(shí)現(xiàn)所需的熱管理功能模式。

圖9 整車熱管理系統(tǒng)軟件的內(nèi)部分

控制軟件分成4 層，第1 層為熱管理軟件主體，第2層分為信號處理、模式狀態(tài)控制、兩個子系統(tǒng)（水系統(tǒng)和制冷劑系統(tǒng)）的控制和診斷的軟件模塊，第3 層是第2 層的細(xì)節(jié)策略，第4 層是傳感器和執(zhí)行器診斷軟件模塊下的各執(zhí)行器零部件的診斷程序。

7 試驗(yàn)驗(yàn)證

7.1 臺架標(biāo)定和試驗(yàn)驗(yàn)證

純電動汽車熱泵型整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)過程中，需要先進(jìn)行熱泵性能臺架驗(yàn)證，然后再進(jìn)行整車熱管理系統(tǒng)環(huán)模標(biāo)定和道路標(biāo)定，最后進(jìn)行整車高低溫性能驗(yàn)收，考核整車熱管理性能是否達(dá)標(biāo)。

熱泵型整車熱管理系統(tǒng)性能臺架標(biāo)定重點(diǎn)需要對制冷劑系統(tǒng)的制冷和制熱性能進(jìn)行標(biāo)定測試，確保系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。為了進(jìn)一步驗(yàn)證整車熱管理系統(tǒng)，可以增加部分水回路，驗(yàn)證部分整車熱管理系統(tǒng)功能，如圖10 所示。

圖10 熱泵型整車熱管理系統(tǒng)臺架示意

通過熱泵性能臺架，快速驗(yàn)證系統(tǒng)性能，并對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速、膨脹閥開度、閥前過冷度等物理量進(jìn)行初步標(biāo)定。表3 是針對某乘用車熱管理系統(tǒng)性能臺架標(biāo)定的初步結(jié)果。熱泵模式下整車熱管理系統(tǒng)的制熱COP 及制熱量滿足設(shè)計(jì)要求。

表3 熱泵性能臺架部分工況標(biāo)定

7.2 環(huán)模和試驗(yàn)驗(yàn)證

完成臺架標(biāo)定后，需進(jìn)一步在實(shí)車上驗(yàn)證整車熱管理系統(tǒng)性能。驗(yàn)證前需對整車熱管理系統(tǒng)零部件狀態(tài)和整車氣密性進(jìn)行檢查，確保整車狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求。在進(jìn)行整車熱管理系統(tǒng)環(huán)模標(biāo)定時(shí)，通常包括最大降溫、最大升溫、各個重要標(biāo)定量的線性掃描標(biāo)定以及整車使用工況下熱管理系統(tǒng)能耗等，見表4。對乘員艙升降溫策略、電池包加熱冷卻策略、除霜除霧策略、電池乘員艙同時(shí)加熱或制冷策略進(jìn)行詳細(xì)標(biāo)定和驗(yàn)證。

表4 整車環(huán)模標(biāo)定部分工況[11]

7.3 路試標(biāo)定和試驗(yàn)驗(yàn)證

經(jīng)過充分的環(huán)模驗(yàn)證后，還需要進(jìn)行寒區(qū)、熱區(qū)及春、秋季的道路適應(yīng)性標(biāo)定，以此確保整車熱管理系統(tǒng)滿足用戶使用要求。對于國內(nèi)汽車企業(yè)來說，熱區(qū)試驗(yàn)基本在夏季（7 月、8 月和9 月）的吐魯番進(jìn)行，寒區(qū)試驗(yàn)基本在冬季（12 月、1 月和2 月）的黑河、漠河等地進(jìn)行，春秋季標(biāo)定則各有不同。

8 結(jié)論

本文結(jié)合純電動汽車的整車熱管理系統(tǒng)實(shí)際開發(fā)過程，深入研究了整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)的各項(xiàng)開發(fā)技術(shù)，通過對實(shí)際車型的整車熱管理功能和性能的試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）純電動汽車整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)的成功需要基于V 字形開發(fā)流程的一系列開發(fā)技術(shù)，已經(jīng)通過實(shí)際車型的整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)實(shí)踐逐步完善了各項(xiàng)開發(fā)技術(shù)。

（2）整車熱管理性能指標(biāo)的達(dá)成，除了熱泵型整車熱管理系統(tǒng)本身的性能目標(biāo)達(dá)成以外，還需要三電系統(tǒng)的核心零部件，特別是電池和電機(jī)的熱管理性能改善措施的進(jìn)一步支撐。

以往整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)，常常是主機(jī)廠和系統(tǒng)供應(yīng)商的合作開發(fā)，但系統(tǒng)供應(yīng)商起到了系統(tǒng)集成的關(guān)鍵作用。隨著整車熱管理系統(tǒng)的高度耦合化、集成化和智能化，今后建議以主機(jī)廠為主進(jìn)行系統(tǒng)集成、供應(yīng)商協(xié)作的合作方式，主機(jī)廠統(tǒng)籌整車熱管理系統(tǒng)高性價(jià)比目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，供應(yīng)商主要在提供高性能的核心零部件方面起到關(guān)鍵作用。主機(jī)廠深入研究V 開發(fā)流程中的系統(tǒng)集成各項(xiàng)關(guān)鍵開發(fā)技術(shù)，對研究開發(fā)高效可靠的純電動汽車整車熱管理系統(tǒng)具有重要意義。