0  引言

目前，針對極低溫環(huán)境的集成乘客艙采暖和電池加熱的常規(guī)熱管理系統(tǒng)架構(gòu)研究較少，本文將圍繞適應(yīng)低溫環(huán)境以及優(yōu)化空調(diào)耗電量的純電動車熱管理系統(tǒng)，設(shè)計了一種基于燃油加熱器的純電動車多熱源加熱系統(tǒng)，并根據(jù)該系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計了多熱源協(xié)同控制策略。通過多熱源協(xié)同控制策略精確地控制各個加熱器在最佳的時間介入與退出工作，既可以權(quán)衡乘客艙空調(diào)舒適性和電池加熱需求，又能減少整車消耗電量，適當(dāng)增加續(xù)航里程。

1  純電動車多熱源加熱系統(tǒng)架構(gòu)

為解決冬季純電動車空調(diào)采暖耗電量高的問題，以及極低溫環(huán)境純電動車因電池?zé)o法充放電或能力減弱而導(dǎo)致行駛地域受環(huán)境溫度限制的問題，本文設(shè)計了一種基于燃油加熱器的純電動車多熱源加熱系統(tǒng)架構(gòu)，主要包含空調(diào)高壓加熱器（簡稱空調(diào)PTC）、電池高壓加熱器（簡稱電池PTC）、燃油加熱器（簡稱FH）、三通閥1（簡稱ECV1）、三通閥2（簡稱ECV2）、空調(diào)水泵、電池水泵等零部件，如圖1所示。其中，通過雙芯體Chiller的制熱芯體和三通閥2切換實(shí)現(xiàn)燃油加熱器同時提供熱量至乘客艙和電池。



因燃油加熱器工作只需要低壓蓄電池供電，且無需使用高壓電池包電量，則可以在極低溫環(huán)境等因素導(dǎo)致電池包無法充放電的場景下使用燃油加熱器給乘客艙或電池加熱。而在純電動車正常使用工況下，本文設(shè)計的多熱源加熱系統(tǒng)架構(gòu)可以采用燃油加熱器同時給乘客艙與電池進(jìn)行加熱，即空調(diào)采暖與電池加熱可以共用FH熱源，此設(shè)計為冬季空調(diào)采暖節(jié)省大部分電池包電量，一定程度上可以大幅度提高續(xù)航里程，緩解純電動車用戶的冬季里程焦慮。

該純電動車多熱源加熱系統(tǒng)的主要零部件參數(shù)見表1。




2  多熱源加熱系統(tǒng)控制策略

根據(jù)上述設(shè)計的多熱源加熱系統(tǒng)，以空調(diào)與電池是否需要加熱為工作模式劃分基準(zhǔn)，將多熱源加熱系統(tǒng)的工作模式劃分為三個工作模式，依次為非充電單獨(dú)電池加熱模式、充電電池（空調(diào)）加熱模式、和空調(diào)與電池聯(lián)合制熱模式。而每個工作模式以環(huán)境溫度和電芯最低溫度為參照變量劃分不同的工作區(qū)間，以此來協(xié)同控制不同熱源工作。

2.1  非充電單獨(dú)電池加熱模式

該工作模式下電池加熱閾值較低，控制策略為優(yōu)先使用FH將電池溫度加熱至目標(biāo)溫度，如圖2所示。此時需要將三通閥1位置度調(diào)節(jié)為3%，即全部切換至FH回路（2-1連通），三通閥2位置度調(diào)節(jié)為3%，即全部連通電池側(cè)回路（2-1連通）。



2.2  充電電池（空調(diào)）加熱模式

該工作模式下為充電工況，此時無論空調(diào)采暖還是電池加熱，控制策略均優(yōu)先使用空調(diào)PTC或者電池PTC給相應(yīng)部件加熱，除非極低溫、或高壓電直流功率不允許使用等因素導(dǎo)致無法使用高壓電而采用FH加熱，如圖3所示。而針對電池包而言，根據(jù)快充和慢充分別將電池溫度加熱至不同的目標(biāo)閾值，快充工況的電池加熱目標(biāo)閾值高于慢充工況，以增大快充電流，提升快充速率。從圖3中可以看出PTC工作區(qū)間A對應(yīng)慢充工況，PTC工作區(qū)間B對應(yīng)快充工況，且工作區(qū)間B的電池溫度范圍包括工作區(qū)間A。



2.3  空調(diào)與電池聯(lián)合制熱模式

該工作模式主要依據(jù)電池溫度與空調(diào)采暖需求等條件綜合判斷來協(xié)調(diào)控制多熱源進(jìn)行加熱，如圖4所示。從圖4劃分的工作區(qū)間可以看出，F(xiàn)H+PTC工作區(qū)間A、FH+PTC工作區(qū)間B、以及FH+PTC工作區(qū)間C為該工作模式的多熱源協(xié)同控制區(qū)間，本文也將重點(diǎn)設(shè)計此三個工作區(qū)間的控制策略。



2.3.1  工作區(qū)間A控制策略

工作區(qū)間A為電池極低溫工況下空調(diào)與電池聯(lián)合制熱模式，以FH工作為主，空調(diào)PTC工作為輔，且電池加熱需求優(yōu)先級高于乘客艙采暖需求。

由于低溫工況環(huán)境下電池與乘客艙同時具有制熱需求，為了保證電池溫度達(dá)到較佳的工作溫度區(qū)間，提高電池活性，提升整車動力性，因此燃油加熱器需優(yōu)先滿足電池側(cè)加熱需求；同時，為了兼顧乘客艙側(cè)采暖的舒適性要求，需要開啟空調(diào)PTC進(jìn)行熱量補(bǔ)償，防止電池加熱需求對乘客艙溫度的沖擊影響。

該工況下，用戶主動開啟空調(diào)，且乘客艙側(cè)有制熱需求，則開啟空調(diào)水泵；同時，由于電池溫度較低，需開啟電池水泵，將三通閥1切換至FH回路（2-1連通），三通閥2切換至電池側(cè)通道（2-1連通）。其中，三通閥2的位置度需根據(jù)電池包入口水溫與電池包目標(biāo)水溫差值的變化情況進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，當(dāng)電池包入口水溫＜設(shè)定閥值，則三通閥2的位置度一直維持于3%（2-1連通），以優(yōu)先滿足電池側(cè)加熱需求，同時將熱量帶到電池側(cè)和乘客艙側(cè)；當(dāng)電池包入口水溫≥設(shè)定閥值，則逐漸調(diào)節(jié)三通閥2的位置度導(dǎo)向乘客艙側(cè)回路，直到電池包入口水溫達(dá)到目標(biāo)設(shè)計值，則三通閥2位置度調(diào)整為97%，即全部切換至乘客艙側(cè)回路（2-3連通）。

該工況下燃油加熱器的具體控制方法為：根據(jù)采集到的燃油加熱器出口水溫與計算目標(biāo)數(shù)值差值來判斷是否開啟燃油加熱器，若檢測到燃油加熱器出口水溫＜目標(biāo)水溫，則開啟燃油加熱器，直到燃油加熱器出口水溫≥目標(biāo)水溫+系數(shù)，才關(guān)閉燃油加熱器。

與此同時，根據(jù)采集到的空調(diào)高壓電加熱器出口水溫與計算目標(biāo)水溫的差值來判斷是否需要開啟空調(diào)PTC補(bǔ)償熱量，以保證乘客艙舒適性。若計算目標(biāo)水溫與實(shí)際水溫的差值≥設(shè)定退出閾值，則開啟空調(diào)PTC進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)償乘客艙側(cè)熱量，隨著外界環(huán)境溫度的升高，設(shè)定退出閾值將隨著增大（詳見表2），該策略可以最大程度減少高壓電加熱器耗電量，延長整車?yán)m(xù)航里程。



2.3.2  工作區(qū)間B控制策略

工作區(qū)間B為電池相對低溫工況下空調(diào)與電池聯(lián)合制熱模式，以FH工作為主，空調(diào)PTC工作為輔，且乘客艙采暖需求優(yōu)先級高于電池加熱需求。

由于該工況下電池溫度相對不是很低，可以保證電池活性和整車動力性，當(dāng)乘客艙與電池同時具有制熱需求時，則燃油加熱器應(yīng)優(yōu)先滿足乘客艙側(cè)加熱需求，保證乘客艙成員的舒適性，提升用戶體驗(yàn)品質(zhì)，同時，兼顧電池活性，利用多余的熱量供給至電池側(cè)加熱。

該工況下，用戶主動開啟空調(diào)，且乘客艙側(cè)有制熱需求，則開啟空調(diào)水泵；為了利用多余的熱量加熱電池，還需開啟電池水泵，將三通閥1通道全部切換至FH通道（2-1連通），三通閥2全部切換至乘客艙側(cè)回路（2-3連通）。其中，三通閥2的位置度需根據(jù)空調(diào)PTC出口水溫與計算目標(biāo)水溫的差值變化情況進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，當(dāng)差值≥第一設(shè)定閥值，則三通閥2位置度一直維持于97%，即乘客艙側(cè)回路（2-3連通），不供給電池側(cè)熱量；隨著空調(diào)PTC出口水溫與目標(biāo)水溫的差值越來越小，三通閥2逐漸調(diào)節(jié)部分比例切至電池側(cè)回路，提供部分熱量給到電池加熱，以進(jìn)一步提高電池活性，三通閥2的位置度和差值設(shè)定閥可查表3，尤其是空調(diào)PTC出口水溫已經(jīng)超過目標(biāo)水溫很多的情況下，三通閥2位置度應(yīng)該調(diào)整為3%，即全部切至電池側(cè)回路（2-1連通），此時可以同時提供熱量至電池加熱和空調(diào)采暖。



工作區(qū)間B的燃油加熱器控制策略與工作區(qū)間A一致。與此同時，根據(jù)用戶設(shè)置的乘客艙溫度來判斷空調(diào)PTC目標(biāo)占空比，以此來開啟空調(diào)PTC加熱，則可快速提供熱量至乘客艙。當(dāng)判斷到燃油加熱器已經(jīng)進(jìn)入正常運(yùn)行工作模式之后，則關(guān)閉空調(diào)PTC，繼續(xù)使用燃油加熱器為乘客艙提供熱量進(jìn)行采暖。此控制策略是在保證滿足乘客艙采暖舒適性的前提下盡量減少耗電，而用燃油加熱器為乘客艙提供熱量，以延長續(xù)航里程。

2.3.3  工作區(qū)間C控制策略

工作區(qū)間C為電池常溫工況下空調(diào)與電池聯(lián)合制熱模式，以FH工作為主，空調(diào)PTC工作為輔。

該工作區(qū)間的電池溫度相對工作區(qū)間A與B都較高，此時無需對電池進(jìn)行加熱，則空調(diào)與電池聯(lián)合制熱模式實(shí)際變?yōu)閱为?dú)空調(diào)制熱模式，僅有乘客艙采暖需求而無電池加熱需求。

針對乘客艙有制熱需求，則需要開啟空調(diào)水泵，但關(guān)閉電池水泵，將三通閥1全部切換至FH回路（2-1連通），三通閥2一直維持為97%，即乘客艙回路（2-3連通），開啟燃油加熱器全部用于滿足乘客艙側(cè)采暖需求，保證乘客艙舒適性。

工作區(qū)間C的燃油加熱器與空調(diào)PTC的控制策略與工作區(qū)間B一致。

3  試驗(yàn)驗(yàn)證

基于設(shè)計的純電動車多熱源加熱系統(tǒng)架構(gòu)改制的試驗(yàn)樣車進(jìn)行試驗(yàn)測試，驗(yàn)證多熱源協(xié)同控制策略的正確性和可靠性。試驗(yàn)工況為環(huán)境溫度1℃，空調(diào)雙區(qū)設(shè)定目標(biāo)溫度為23℃，采用上述章節(jié)設(shè)計的多熱源協(xié)同加熱控制策略進(jìn)行空調(diào)采暖和電池加熱。試驗(yàn)結(jié)果分別如圖5~圖7所示。



圖5是前/后排頭部平均溫度變化趨勢，從圖中可以看出，前排頭部平均溫度約12min達(dá)到20℃，約30min達(dá)到目標(biāo)溫度的合理波動區(qū)間之內(nèi)，且后續(xù)溫度波動基本維持±1.5℃以內(nèi)，而整體上后排頭部平均溫度約比前排頭部平均溫度低1℃，這主要是由于后排空調(diào)的出風(fēng)量相較于前排相對較少。從圖5可以看出雖然空調(diào)PTC出口水溫波動范圍比較大，但無論前排還是后排頭部平均溫度均控制的比較穩(wěn)定，滿足設(shè)計要求。



圖6為試驗(yàn)過程記錄的FH/PTC等部件水溫變化情況，空調(diào)PTC出口水溫波動范圍較大，主要是由于FH控制策略的回差設(shè)計和水路系統(tǒng)的回路熱損失所致。試驗(yàn)起步階段，PTC出口水溫高于后期穩(wěn)定試驗(yàn)工況的溫度，主要是由于試驗(yàn)開始車輛乘客艙冷啟動階段的需求熱量較高，需要開啟空調(diào)PTC進(jìn)行補(bǔ)償熱量，后續(xù)穩(wěn)定階段只依靠FH維持乘客艙溫度。從圖6中也可以看出，電池包入口水溫一直維持相對較高的值，電芯最低溫度逐漸升高，這是由于試驗(yàn)工況外溫和電芯最低溫度均很低，且乘客艙有制熱需求，所以會一直將電池溫度加熱至較高的設(shè)計閥值20℃，即空調(diào)與電池聯(lián)合制熱模式中的工作區(qū)間A會跳轉(zhuǎn)至工作區(qū)間B，而后進(jìn)入工作區(qū)間C。



圖7展示了三通閥等部件的工作狀態(tài)，從圖7中明顯看出，三通閥1、三通閥2、FH、以及PTC均按照設(shè)計的多熱源協(xié)同加熱控制策略進(jìn)行工作，符合設(shè)計要求。

4  結(jié)束語

本文基于燃油加熱器設(shè)計的純電動車多熱源加熱系統(tǒng)架構(gòu)可以滿足純電動車低溫環(huán)境的行駛需求，一定程度上可以降低冬季空調(diào)耗電量和延長車輛的續(xù)航里程，同時可以提升低溫環(huán)境純電動車電池的充放電能力。依據(jù)該多熱源加熱系統(tǒng)架構(gòu)的特點(diǎn)，設(shè)計了多熱源協(xié)同加熱控制策略，并通過改制樣車試驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的正確性，為后續(xù)多熱源系統(tǒng)控制策略及能耗的優(yōu)化設(shè)計奠定基礎(chǔ)。