本文主要對增程式電動汽車熱管理系統(tǒng)熱安全性能進行了一維仿真模型搭建及仿真分析,預測了四種熱安全工況下冷卻液溫升情況，并將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行了對比，發(fā)現(xiàn)熱管理系統(tǒng)冷卻液溫升趨勢基本一致，溫升幅度基本相同。此外，還通過一維仿真探究了動力電池不同初始 SOC對熱管理系統(tǒng)冷卻液溫度的影響。

關(guān)鍵詞：增程式電動汽車；熱管理系統(tǒng)；熱安全；一維仿真；試驗驗證

作者：胡彬瑩，王小碧，施睿，王偉民，強健偉，徐人鶴

東風汽車集團有限公司技術(shù)中心，湖北省武漢市

汽車工業(yè)是支持我國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要支柱[1]。全球變暖、化石能源日益減少以及環(huán)境污染等問題日益突出，傳統(tǒng)燃油汽車作為主要的石油資源消耗者，發(fā)展大大受限，尋找新型綠色能源交通工具迫在眉睫，新能源汽車應運而生。在工信部編制的《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃中》提到，到2025年新能源汽車銷量占汽車總銷量的20%以上。

我國鼓勵發(fā)展的新能源汽車車型主要包括純電動汽車、混合動力汽車及燃料電池汽車。其中純電動汽車雖然具有無污染、能源消耗低等優(yōu)點，但現(xiàn)階段動力電池成本較高，能量及功率密度低等技術(shù)難點制約了純電動汽車的發(fā)展；燃料電池汽車受燃料電池安全性及使用材料等方面的因素，現(xiàn)階段發(fā)展也受到很大制約。增程式電動汽車具有排放少、無需復雜的機械傳動裝置及可增加續(xù)駛里程等優(yōu)點，在動力電池技術(shù)發(fā)展瓶頸之際，是向純電動汽車過渡的最佳技術(shù)方案之一。增程式電動汽車熱管理系統(tǒng)的保護對象多，包括增程器（專門用于發(fā)電的發(fā)動機）、電驅(qū)動（電機、發(fā)電機、電機控制器等）和電池等動力總成核心部件，系統(tǒng)十分復雜，如何保證整車熱管理系統(tǒng)的熱安全，是個很有挑戰(zhàn)性的新課題。

01增程式電動汽車熱管理系統(tǒng)的組成

增程式電動汽車動力系統(tǒng)構(gòu)成

增程式電動汽車是一種在純電動汽車基礎(chǔ)上增加一臺輔助動力單元（Auxiliary Power Unit, APU） 的電動汽車，輔助單元通常為發(fā)動機與發(fā)電機組合而成的系統(tǒng)[2]。增程式電動汽車動力系統(tǒng)如圖 1 所示，主要由驅(qū)動電機、增程器（包括發(fā)動機與發(fā)電機）、動力電池及其他相關(guān)功率部件組成。在車 輛行駛過程中，車輛完全由驅(qū)動電機進行驅(qū)動，動力電池作為主要動力源優(yōu)先使用，小排量的發(fā)動 機作為輔助動力源。當車輛收到大功率請求或動力電池電量較低時，增程器啟動發(fā)電。

增程式電動汽車熱管理系統(tǒng)構(gòu)成

增程式電動汽車動力艙是一個相對復雜的熱交換環(huán)境，不但有發(fā)動機冷卻系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)，還有動力電池熱管理系統(tǒng)及電驅(qū)動電氣系統(tǒng)，它們之間的熱交互使熱管理系統(tǒng)前端模塊的設計具有復 雜的相關(guān)性。 

增程式電動汽車動力艙的散熱裝置主要有發(fā)動機散熱器、空調(diào)冷凝器、電池冷卻器、電驅(qū)動系 統(tǒng)散熱器、潤滑油冷卻器及中冷器等等，可作為獨立模塊或串接組合散熱。由于動力艙空間限制， 本文提到的增程式電動汽車熱管理系統(tǒng)前端模塊設計如圖 2 所示。

增程式電動汽車熱管理系統(tǒng)主要增程器（專門用于發(fā)電的發(fā)動機）、電驅(qū)動（電機、發(fā)電機、電機控制器等）和電池等冷卻加熱系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等。一般采用非熱泵系統(tǒng)提供高溫下的冷源和低溫下的熱源。

基于前面對動力艙內(nèi)熱交互過程分析，在滿足各散熱部件要求前提下，綜合考慮熱量的利用交換及動力艙內(nèi)空間問題，提出了一套系統(tǒng)互相耦合的熱管理系統(tǒng)方案，原理圖如圖3所示。采用高溫散熱器（HTRAD）對發(fā)動機系統(tǒng)進行冷卻；采用水冷中冷器（WCAC）對增壓空氣進行冷卻，換熱后的水利用機艙內(nèi)獨立的中冷器用低溫散熱器（LTRADFORCAC）進行冷卻；采用低溫散熱器（LTRAD）對電驅(qū)動系統(tǒng)進行冷卻。

由于動力電池與乘員艙的適宜溫度范圍存在交集，高溫工況下利用制冷劑回路給動力電池及乘員艙降溫，低溫純電工況下利用PTC給動力電池及乘員艙加熱。

增程式電動汽車在純電動汽車的基礎(chǔ)上增加了增程器，為乘員艙的采暖增加了一個可利用的熱源，根據(jù)車輛不同使用場景利用PTC或發(fā)動機廢熱對動力電池或乘員艙加熱。

02增程式電動汽車熱管理系統(tǒng)的建模

本文選擇一維仿真軟件 GT-SUITE 軟件作為仿真分析工具，GT-SUITE 軟件是由美國 Gamma Technologies 公司開發(fā)的多物理場仿真分析系列套裝軟件，主要應用于車輛行駛系統(tǒng)分析、熱管理系統(tǒng)分析、空調(diào)系統(tǒng)分析、鋰電池/燃料電池電化學分析、發(fā)動機仿真分析等領(lǐng)域。

整車系統(tǒng)模型構(gòu)建

依據(jù)本文所描述增程式電動汽車動力系統(tǒng)構(gòu)型，利用 GT-SUITE 軟件中發(fā)動機模型庫、電機模型庫、動力電池模型庫、發(fā)動機模型庫等部件建立整車行駛模型，構(gòu)建模型如圖 4 所示。

在車輛行駛過程中，優(yōu)先使用動力電池給驅(qū)動電機供電，驅(qū)動車輛行駛，這個過程為純電動模式；當電池電量下降到一定限值，增程器啟動發(fā)電機給驅(qū)動電機供電，同時為動力電池充電。

整車熱管理系統(tǒng)模型構(gòu)建

本文中整車熱管理系統(tǒng)一維模型主要根據(jù)圖 3 熱管理系統(tǒng)原理圖搭建而成，一維模型如圖 5 所 示。

整車熱管理系統(tǒng)模型主要包括七個部分，分別為整車行駛模型（圖 4 所示）、發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、 電驅(qū)動冷卻系統(tǒng)、制冷劑系統(tǒng)、暖風回路、動力電池熱管理系統(tǒng)及中冷器冷卻系統(tǒng)。

 圖 6 為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型，通過搭建發(fā)動機大小循環(huán)回路模擬發(fā)動機冷卻與廢熱利用過程。主回路連接高溫散熱器，用于發(fā)動機冷卻；旁通回路通過節(jié)溫器連接暖風回路，實現(xiàn)發(fā)動機廢熱回 收利用。

圖 7 為電驅(qū)動系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)模型，此處將發(fā)電機、驅(qū)動電機及電機控制器簡化為質(zhì)量塊來模擬與環(huán)境及水套之間熱交換。

圖 8 為制冷劑系統(tǒng)模型，模擬乘員艙與動力電池降溫。

圖 9 為暖風回路模型，主要模擬乘員艙及動力電池的加熱。通過三通閥連接發(fā)動機旁通回路， 實現(xiàn)發(fā)動機廢熱利用。

圖 10 為電池熱管理系統(tǒng)模型，通過 chiller 與暖風回路及制冷劑回路聯(lián)接實現(xiàn)升降溫。

增程式電動汽車熱管理系統(tǒng)控制策略

本文主要通過一維仿真方法預測增程式電動汽車熱管理系統(tǒng)熱安全風險，故本節(jié)主要描述熱安 全考核工況下的控制策略，此時整車行駛模式為增程模式。

增程器控制策略

考慮 NVH 性能要求以及發(fā)動機運行負荷情況，設定增程器與動力電池按需求功率的不同占比提 供輸出功率。圖 11 為動力電池在不同 SOC 情況下功率輸出占比。

考慮 NVH 性能指標及發(fā)動機本身工作情況，本文使用增程器的發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速范圍為 1600rpm 到 4500rpm 之間。根據(jù)發(fā)動機輸出功率不同，發(fā)動機工作點分為五檔，不同檔位對應一個發(fā)動機工 作轉(zhuǎn)速，劃分原則如表 1 所示。

為避免發(fā)動機轉(zhuǎn)速由于輸出功率的變化出現(xiàn)頻繁跳動，需對發(fā)動機功率臨界點設定一個止回值。

熱管理系統(tǒng)控制策略

在熱管理系統(tǒng)工作過程中，控制器針對傳感器采集的信號進行分析與響應，控制系統(tǒng)根據(jù)請求信號，對壓縮機、電磁閥、電子膨脹閥、水泵、風門及電子風扇等部件進行控制，以滿足熱管理系統(tǒng)要求。

本文主要對增程式電動汽車熱管理系統(tǒng)熱安全考核工況進行仿真研究，表 2 為此工況下熱管理 系統(tǒng)主要控制部件控制策略。

03增程式電動汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析

仿真初始條件

本文主要研究增程式電動汽車熱管理系統(tǒng)熱安全工況，根據(jù)企業(yè)標準制定表 3 所示熱安全工況 邊界條件。圖 4 為熱安全工況工作模式。

仿真結(jié)果分析

在環(huán)境溫度較高時，熱管理系統(tǒng)需要保證行車安全。在車型項目開發(fā)前期，需要采用仿真手段 識別風險。因此，本節(jié)主要對不同工況下各動力部件負荷較高時的溫度變化進行仿真分析。

熱安全工況仿真結(jié)果分析

圖 12 為四種熱安全工況下動力電池 SOC 變化曲線。工況 1 為駐車發(fā)電工況，電池 SOC 隨時間 的增長一致在增加。工況 2 到 4 為行車工況，動力電池初始 SOC 為 90%。隨著整車行駛時間的增加，電池 SOC 一直在降低。

圖 13（a）與（b）分別為四種熱安全工況下發(fā)動機轉(zhuǎn)速與輸出功率曲線。發(fā)動機轉(zhuǎn)速根據(jù)發(fā)動 機輸出功率不同對應不同轉(zhuǎn)速。駐車工況下，發(fā)動機以恒定功率給電池充電。在工況 2 到 4 情況下， 由于電池 SOC 一直在下降，發(fā)動機輸出功率一直增加。

圖 14 為四種熱安全工況下發(fā)動機出口水溫變化曲線。從圖上可以看出，在工況 3 與工況 4 情況 下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速突然增大導致系統(tǒng)流量突然增大，發(fā)動機出口水溫出現(xiàn)了短暫降低。由于發(fā)動機輸 出功率一直在上升，發(fā)動機出口水溫也一直在升高。行車 20min 后，四種工況下的發(fā)動機出口水溫 均未超過發(fā)動機許可水溫。

圖 15 為四種熱安全工況下發(fā)電機進口水溫變化曲線。隨著行車時間增加，工況 2 到 4 發(fā)電機進 口水溫在持續(xù)增加。

駐車發(fā)電工況下驅(qū)動電機不工作，圖 16（a）與（b）為熱安全工況 2 到 4 前后電驅(qū)動系統(tǒng)進口 口水溫變化曲線。行車 20min 后工況 4 電驅(qū)動系統(tǒng)進口水溫略微超出電驅(qū)動系統(tǒng)許可溫度，有微弱 熱安全風險。