2021年，國家出臺的“十四五”規(guī)劃明確聚焦新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，純電動汽車的市場前景越來越廣闊。從市場反饋來看，續(xù)航里程仍是電動車亟待解決的痛點。國內(nèi)電動車主要使用三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，電池溫度過高或過低都會導致電池的放電能力下降。低溫環(huán)境下車輛采暖需求的能量來自于電池，并且空調(diào)系統(tǒng)能耗對低溫續(xù)航的影響占比更大。
目前行業(yè)上低溫續(xù)航衰減率一般在35%～50%，因此，開展提升電動車的低溫續(xù)航里程的研究迫在眉睫。比亞迪的王真分析了低溫續(xù)航的影響因素，楊陽分析了不同溫度下鋰離子的充放電特性[2]，張子琦，周英杰等人基于正溫度系數(shù)（PositiveTemperatureCoefficient,PTC）及熱泵采暖方案對低溫續(xù)航的增益進行分析，北京卡達克的朱成研究了用戶習慣對低溫續(xù)航里程的變化影響[5]。公司某車型在進行EV-Test低溫續(xù)航摸底試驗時，實車低溫續(xù)航里程較常溫狀態(tài)下降54%，差于行業(yè)內(nèi)其他競品車型的低溫衰減率（見圖1）。針對該問題，本文從提升電池放電能力的角度出發(fā)，研究了提升低溫續(xù)航的兩種方法。

1評價方法
EV-Test是中國汽車技術研究中心有限公司結(jié)合國內(nèi)電動汽車標準，針對電動車續(xù)航、充電、安全、動力等性能發(fā)布的一個測評規(guī)則，其中低溫續(xù)航作為續(xù)航與電耗性能部分的一項重要指標。
低溫續(xù)航測試的試驗條件：在（?7±3）℃的環(huán)境溫度下進行試驗。試驗前，車輛充滿電，在該低溫環(huán)境下浸置12～15小時，要求瞬時溫度不低于?13℃，不高于?1℃。試驗時，車輛按照規(guī)定試驗質(zhì)量加載，行駛阻力在常溫續(xù)航的阻力值A、B、C基礎上乘以1.1倍，封閉車內(nèi)中、后排空調(diào)出風口，將空調(diào)模式設置到外循環(huán)吹腳模式，使車內(nèi)頭部平均溫度盡快達到25℃，試驗期間盡量保證車內(nèi)頭部平均溫度在20℃～22℃范圍內(nèi)。試驗工況在底盤測功機上采用循環(huán)乘用車行駛工況（ChinaLight-dutyVehicleTestCycle-PassengerCar,CLTC-P）進行試驗（見圖2）。CLTC-P循環(huán)工況包括低速、中速、高速3個速度區(qū)間，平均車速29km/h，最大車速114km/h，每個循環(huán)持續(xù)1800s，行駛里程14.5km。試驗過程中記錄車輛完成每個循環(huán)的實際里程數(shù)，初始及結(jié)束荷電狀態(tài)（StateofCharge,SOC）。整個試驗過程的總里程數(shù)則為車輛的低溫續(xù)航里程。常溫續(xù)航測試的環(huán)境溫度為（25±5）℃，試驗時不開空調(diào)，整個試驗過程的總里程數(shù)為常溫續(xù)航里程。

車輛的低溫續(xù)航衰減率定義為

式中，R為低溫續(xù)航衰減率；DN為常溫續(xù)航里程，km；DL為低溫續(xù)航里程，km。
2機理分析
圖3為該車型的能量流示意圖，其中動力電池作為動力源，由高壓配電盒分配至電機系統(tǒng)用于車輛驅(qū)動，另一端分配至直流轉(zhuǎn)直流電源（Dir-ectCurrent/DirectCurrent,DC/DC）、PTC、壓縮機，其中DC/DC輸出給低壓負載（水泵、風扇、鼓風機或其他低壓用電器），PTC及壓縮機作為高壓負載。車輛具備制動能量回收功能，減速時可回收一部分能量流入電池。圖4為該車型熱管理原理圖，由電機冷卻支路、電池冷卻支路、空調(diào)制冷回路、PTC加熱回路四部分組成，其中，PTC加熱回路與空調(diào)制冷回路分別通過一個熱交換器與電池冷卻回路實現(xiàn)熱量交互，對動力電池進行加熱或冷卻。該熱管理原理兼顧電機冷卻、電池冷卻、電池加熱、乘員艙制冷、乘員艙采暖、除霜功能，其中電池加熱、乘員艙采暖或除霜功能使用水暖PTC實現(xiàn)。

試驗過程中測取控制器局域網(wǎng)絡（ControllerAreaNetwork,CAN）總線上電池輸出電流電壓、DC/DC的輸入輸出電流電壓、電機扭矩及轉(zhuǎn)速、PTC需求功率、電池芯體及電機控制器、DC/DC工作溫度等參數(shù)。利用數(shù)據(jù)采集器測取的熱管理原理圖中相關的溫度、壓力。
電機瞬時功率按式（2）計算

式中，Pm為電機瞬時功率，kW；T為扭矩，N·m；n為轉(zhuǎn)速，r/min；
電池DC/DC輸出功率按式（3）計算

 
式中，P為功率，kW；U為電壓，V；I為電流，A。
驅(qū)動做功按式（4）計算

式中，Em為整個試驗過程中驅(qū)動做功，kWh。電池及DC/DC電量按式（5）計算

式中，E為整個試驗過程中電池、DC/DC對應的電量，kWh。
由以上公式計算出：
（1）整車能耗組成（基于常溫動力電池放電量），見圖5：驅(qū)動系統(tǒng)51.9%，PTC消耗22.5%，動力電池放電容量減少21.9%，整車低壓消耗3.6%。
（2）低溫衰減率54%能耗部分組成，包括四部分：PTC消耗22.5%，動力電池放電容量減少21.9%，低溫阻力增加9.5%，低壓負載3.6%，屬于熱管理范疇可控的有PTC消耗，低壓負載（冷卻水泵/鼓風機等），動力電池放電容量減少三部分。
（3）針對PTC能耗，前期開發(fā)中已根據(jù)低溫續(xù)航工況下乘員艙最低采暖需求，設置Eco+模式并限定該模式下PTC最大功率1.5kW。分析車輛在穩(wěn)定階段的PTC功率略低于某競品車型，由此可見，在保證熱管理原理不變的前提下，優(yōu)化PTC功率的空間較小。

（4）低壓負載由于耗電量較小，優(yōu)化的空間較小。
（5）針對電池的放電容量減少，該車型匹配的電池為磷酸鐵鋰電池，受限于電池本身的電化學特性，其低溫衰減率較三元鋰電池更高。分析試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)電池芯體溫度上升較慢，電池一直處于低溫狀態(tài)，初始溫度為?2℃，至試驗結(jié)束時電芯溫度上升至4℃，遠遠低于電芯的最佳工作溫度。另外，試驗結(jié)束時車輛行駛在工況的高速區(qū)間，瞬時車速為43km/h，因車速無法跟隨試驗工況所要求的車速，試驗終止。終止時電池溫度為4℃，SOC為10.9%，超過10kWh電量未正常放出使用。
（6）綜合電動車高低溫續(xù)航開發(fā)經(jīng)驗，大部分車型EV-Test續(xù)航試驗均在CLTC-P工況高速區(qū)間終止，原因并不是此時電池放不出電，而是由于電池工作溫度過高或過低，導致輸出功率滿足不了工況所需求功率。因此，低溫環(huán)境下提升電池的工作溫度能夠增加電池內(nèi)部的化學活性，從而提升電池的輸出功率。
3方案優(yōu)化
如上所述，優(yōu)化PTC及低壓負載功率的空間較小，因此，僅從提升電池放電量的途徑進行優(yōu)化。
提升電池溫度的優(yōu)化方案較多，包括電池包保溫、電池自加熱、電池行車加熱，電機余熱回收等方案。其中，電池包保溫技術已在本車型上實施應用；電池自加熱技術需要重新開發(fā)電池包，開發(fā)周期較長，該方案暫不做考慮；因此僅考慮后兩個優(yōu)化方案的可行性。
使用熱管理仿真軟件KULI、動力性經(jīng)濟性仿真軟件Cruise搭建熱管理簡化模型及整車能耗模型，聯(lián)合計算不同電池加熱方案對續(xù)航里程的改善效果。
3.1電池行車加熱方案
控制熱管理原理圖的PTC加熱回路里的電子三通閥開度，使得整車采暖功能及電池加熱工作同步實施，此時PTC能耗有采暖及電池加熱兩部分組成。由于EV-Test低溫續(xù)航試驗要求車內(nèi)頭部平均溫度需維持至20℃～22℃范圍內(nèi)，為保證車內(nèi)采暖性能，仿真模型中設定暖風支路加熱功率目標值1.5kW。同時為節(jié)省PTC能耗，電池加熱策略初步設定在≤40%SOC開啟，目標加熱電芯溫度10℃。通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，電池放電量增加4.9kWh，續(xù)航里程升高至198km（見圖6），較原狀態(tài)增加10km。

實車在環(huán)境倉測試該方案的改善效果，見表1，試驗結(jié)束時，放電深度由原有10.9%提升至2.1%，電芯溫度提升至10℃，電池放電量增加6.9kWh，放電量提升15%，實車續(xù)航里程提升15km。電池芯體溫度較原狀態(tài)上升較快，芯體最高溫度較原狀態(tài)提升6℃（見圖7）。續(xù)航里程提升效果仿真及試驗結(jié)果基本吻合。

進一步分析發(fā)現(xiàn)（見表2），在40%～10.9%SOC區(qū)間，行車加熱方案相對原方案電池多放出2.5kWh電量，而PTC多消耗2.3kWh，用于續(xù)航提升的電量為為兩者差值0.2kWh。在10.9%～2.1%SOC區(qū)間（見表3），行車加熱方案通過給電池加熱，電池多放出4.3kWh電量，同時PTC多消耗1.1kWh，用于續(xù)航提升的電量為兩者之差3.2kWh，可推出行車加熱方案續(xù)航里程的增益主要體現(xiàn)在后10.9%SOC段，在用戶實際使用可感知的前80%SOC段，續(xù)航里程增益較低。

3.2電機余熱回收方案
目前國內(nèi)外均對電機余熱回收技術在汽車上應用進行了一系列研究，如TIANZ，AHNJH，錢程等人研究了余熱回收用于空調(diào)系統(tǒng)對續(xù)航的影響。GAOY研究了余熱回收在混動車上的節(jié)能表現(xiàn)。TeslaModle3通過超級水壺實現(xiàn)電機產(chǎn)熱給電池加熱。
3.2.1原理設計
在原有的熱管理系統(tǒng)原理上保證空調(diào)系統(tǒng)原理不動，調(diào)整電機冷卻及電池冷卻系統(tǒng)原理，通過使用一個電子四通閥及一個電子三通閥實現(xiàn)電機余熱回收方案，如圖8所示。電子四通閥按使用需求轉(zhuǎn)換通道實現(xiàn)電機冷卻回路及電池冷卻回路的獨立或熱量交互。三通閥在余熱回收方式下將散熱器短路，其他模式下根據(jù)電池或電機的不同冷卻需求連通散熱器與外部空氣進行換熱。電池加熱的方式由原來的PTC加熱方式變更為電機余熱回收方式。該模式下，PTC能耗僅為空調(diào)采暖部分應用。

3.2.2方案效果評估
根據(jù)行車加熱實車驗證結(jié)果，PTC共消耗2.8kWh電量用于加熱電池，并將電芯溫度由2℃加熱至10℃。分析摸底試驗數(shù)據(jù)電機母線端電能及電機做功，整個試驗過程中電機產(chǎn)熱4.4kWh，其中一部分傳遞給冷卻系統(tǒng)導致冷卻液溫升，一部分通過電機本體與外界的對流換熱散失。
一定時間內(nèi)傳遞至冷卻液的熱量為

式中，Q為吸熱量，kWh；Cp為定壓比熱容，J/(kg·K)；m為系統(tǒng)內(nèi)冷卻液質(zhì)量，kg；ΔT為加熱前后溫差，K；dt為時間，s。
根據(jù)前期摸底試驗過程中散熱器出口水溫變化數(shù)據(jù)，得知第一個循環(huán)內(nèi)水溫由?6℃升高至20℃，由式（6）計算整個試驗過程由于電機發(fā)熱傳遞至冷卻系統(tǒng)的熱量約3.5kWh左右。因此，判定電機余熱3.5kWh能滿足電池的加熱功率需求。
調(diào)整熱管理簡化模型及整車能耗仿真模型，計算發(fā)現(xiàn)，續(xù)航里程升高至243km（見圖9），較原狀態(tài)188km提升55km。

3.2.3實車效果評估
實車在環(huán)境艙測試余熱回收方案改善效果，如表4所示，試驗結(jié)束時SOC為1.2%，較原狀態(tài)10.9%及行車加熱方案2.1%SOC，整體效果得到明顯改善。試驗結(jié)束時電池芯體最高溫度11℃，較原狀態(tài)電池芯體溫度提升7℃，電池多放電10.2kWh，接近電池額定放電量51kWh，續(xù)航里程提升47km，低溫衰減率由原有54%下降至43%。電池溫度變化如圖10所示，余熱回收方案下電池芯體溫度上升明顯。對比續(xù)航里程提升仿真及試驗結(jié)果，兩者基本吻合。

3.3方案改善效果對比
對比電池行車加熱及電機余熱回收方案的試驗數(shù)據(jù)，電機余熱回收方案電池放電量高于行車加熱方案，多放出3.3kWh電量，如圖11所示。

對比續(xù)航的改善效果，如表5所示，電機余熱回收方案比行車加熱方案續(xù)航提升明顯，較原狀態(tài)續(xù)航提升47km，較行車加熱方案續(xù)航提升32km。低溫衰減率改善方面，余熱回收方案較原狀態(tài)衰減率下降3%，較行車加熱方案下降8%。

由于磷酸鐵鋰的低溫衰減較三元鋰電池嚴重，對比同一車型上匹配額定電量相同的磷酸鐵鋰及三元鋰電池，發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰電池低溫衰減率為21.7%，而三元鋰電池則為12.2%。因此，通過電池加熱技術，磷酸鐵鋰電池可提升放電量的空間更大，續(xù)航提升的效果更為顯著。
4結(jié)論
通過仿真及實車驗證，采用電池行車加熱及電機余熱回收方案均對電動車低溫續(xù)航里程有一定程度的提升。對比兩個方案的CAE及實車續(xù)航里程提升效果，余熱回收方案比電池行車加熱方案更優(yōu)。通過電池加熱技術，低溫環(huán)境下電量相同的磷酸鐵鋰電池較三元鋰電池的續(xù)航提升效果更明顯。另外，雖然采用余熱回收技術后，電池的放電量接近額定放電量，但是空調(diào)系統(tǒng)采暖能耗仍占電池放電量的20%左右，因此，如何優(yōu)化空調(diào)系統(tǒng)能耗是仍一項挑戰(zhàn)。

轉(zhuǎn)載來源：電動學堂，文章來源：一汽奔騰轎車有限公司，作者：李惠、張海軍、雪峰、余傳文、王海春