于遠(yuǎn)彬,李新用,閔海濤,張曉偉,馮達(dá).增程式電動(dòng)車動(dòng)力電池組低溫行車預(yù)熱策略[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2018,31(09):209-219.

摘要：

為了提高動(dòng)力電池組低溫環(huán)境下的放電效率，針對(duì)增程式電動(dòng)車低溫行車條件，考慮電池組預(yù)熱過程中單體溫度的不一致及單體排布等因素的影響，進(jìn)行增程式電動(dòng)車動(dòng)力電池組低溫行車預(yù)熱策略研究。采用Ｃｈｒｏｍ＿１７０１１充放電測(cè)試機(jī)及高低溫恒溫箱對(duì)２６６５０磷酸鐵鋰電池單體進(jìn)行低溫試驗(yàn)與ＡＭＥＳｉｍ模型仿真對(duì)比的方法驗(yàn)證預(yù)熱模型的精度，分析發(fā)動(dòng)機(jī)怠速為電池組進(jìn)行預(yù)熱時(shí)，水泵轉(zhuǎn)速、串行通風(fēng)鼓風(fēng)量、串行通道單體數(shù)量及單體與單體之間的間隙對(duì)電池包內(nèi)入、出口單體溫差的影響。通過整車仿真，分析行車預(yù)熱策略與傳統(tǒng)ＣＤＣＳ策略在不同環(huán)境溫度下對(duì)等價(jià)燃油消耗量的影響。研究結(jié)果表明：在單體排布間距固定和水泵轉(zhuǎn)速為８００ｒ·ｍｉｎ－１的條件下，電池包串行通風(fēng)風(fēng)量越大，串行通道入、出口單體溫差越小，單體預(yù)熱時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，且在串行通風(fēng)風(fēng)量不小于３ｇ·ｓ－１的條件下，能滿足電池包串行通道最大溫差小于５℃的要求；環(huán)境溫度在－２０℃時(shí)，行車預(yù)熱策略比ＣＤＣＳ策略等價(jià)燃油消耗率降低１６．２５％，純電動(dòng)續(xù)駛里程增加９．９５ｋｍ；其影響等價(jià)燃油消耗率的因素有制動(dòng)能量回收量和內(nèi)阻消耗量，內(nèi)阻消耗量是影響等價(jià)燃油消耗率升高的主要因素。

０ 引　言

由于鋰離子動(dòng)力電池在低溫條件下，電池組開路電壓減小，內(nèi)阻升高，電池組放電功率和能量都大大減少，且低溫充電存在析鋰現(xiàn)象，會(huì)存在安全問題，因此，對(duì)增程式電動(dòng)車動(dòng)力電池組進(jìn)行預(yù)熱變得非常重要。

楊鵬通過低溫條件下對(duì)２種電池單體進(jìn)行試驗(yàn)，選擇低溫性能良好的電池單體進(jìn)行成組，通過成組后的模組進(jìn)行串聯(lián)構(gòu)成輔助供電電池組，通過電池組低溫預(yù)熱試驗(yàn)，驗(yàn)證低溫條件下輔助供電電池組放電滿足了主動(dòng)力電池組預(yù)熱需求，為行車預(yù)熱提供了一種方法。在停車狀態(tài)下利用充電樁的能量，對(duì)電池組進(jìn)行空氣預(yù)熱。通過匹配車載燃油加熱器，實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)水進(jìn)行加熱，加熱后的循環(huán)水流入暖風(fēng)換熱器中，經(jīng)過換熱器風(fēng)扇，將預(yù)熱的空氣送入電池包中，在行車過程中實(shí)現(xiàn)電池組預(yù)熱。提出了利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣給電池組預(yù)熱的思想，通過改變?cè)信艢庀到y(tǒng)，給排氣管道接一個(gè)管道，與收集空氣的管道相連，在分支口處接雙向節(jié)氣閥，與溫度監(jiān)測(cè)裝置的中央控制系統(tǒng)連接，排氣管道與收集空氣管道處安裝一個(gè)空氣濾清器，實(shí)現(xiàn)行車過程中給電池組預(yù)熱。利用電加熱膜布置在電池單體底部的方式加熱電池組，采用輔助電池組給加熱膜供電為動(dòng)力電池組加熱。通過不同的加熱功率和不同的環(huán)境溫度的試驗(yàn)，得到采用電熱膜預(yù)熱方式可以較快地使主電池組溫度上升２０℃以上，并且預(yù)熱效果較為均勻，最大溫差在５．５℃以內(nèi)。利用外部電源，為電加熱膜與變壓器油耦合加熱方式提供加熱能量，試驗(yàn)得到電池箱體內(nèi)部溫度從－３０℃加熱到０℃以上大約需要３５ｍｉｎ，溫差為４℃左右，均勻性良好，且靜置和油液循環(huán)對(duì)溫度均勻性有一定的改善。

由此可見，上述加熱方法存在一些缺陷：①用輔助供電電池組為動(dòng)力電池組加熱，增加了預(yù)熱系統(tǒng)的成本和整車的質(zhì)量；②停車預(yù)熱影響使用性，且受充電樁的位置影響；③匹配車載燃油加熱器影響整車動(dòng)力系統(tǒng)的布置，且增加了整車成本；④發(fā)動(dòng)機(jī)排氣預(yù)熱會(huì)增加發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣阻力，此預(yù)熱方法只是停留在理論研究階段。因此，本文利用發(fā)動(dòng)機(jī)作為熱源，引用一定量的發(fā)動(dòng)機(jī)散熱暖風(fēng)機(jī)芯空氣為電池組預(yù)熱，這樣既可以節(jié)約預(yù)熱系統(tǒng)成本，又能在不增加整車質(zhì)量的同時(shí)，達(dá)到預(yù)熱電池組的目的?；诖祟A(yù)熱系統(tǒng)，本文主要對(duì)增程式電動(dòng)車電池組預(yù)熱策略進(jìn)行研究，通過匹配鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)在較短時(shí)間內(nèi)預(yù)熱電池組的目的，并搭建預(yù)熱系統(tǒng)臺(tái)架，驗(yàn)證電池預(yù)熱模型的精度。通過對(duì)行車預(yù)熱策略的研究，實(shí)現(xiàn)電池組預(yù)熱，滿足低溫純電動(dòng)續(xù)駛里程的要求，使整車能量利用率得到大幅度改善；并分析低溫條件下影響能量利用率低的因素。

１ 整車動(dòng)力系統(tǒng)及預(yù)熱系統(tǒng)

１．１ 整車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

本文研究的增程式電動(dòng)車結(jié)構(gòu)如圖１所示，分為３種工作模式：驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)整車；驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)為電池組進(jìn)行充電；制動(dòng)能量回收模式下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為電池組充電。

１．２ 電池包預(yù)熱系統(tǒng)組成及預(yù)熱過程分析

本文通過設(shè)計(jì)相應(yīng)預(yù)熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在低溫環(huán)境下將發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻過程的余熱引入電池組，實(shí)現(xiàn)預(yù)熱電池組的目的。本文選用車載鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，通過控制鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，保證電池包內(nèi)單體最大溫差小于５℃，同時(shí)滿足預(yù)熱時(shí)間的要求。具體結(jié)構(gòu)為：７節(jié)串聯(lián)的電池模組組成１個(gè)電池包，１５個(gè)電池包串聯(lián)成１個(gè)電池組。

暖風(fēng)散熱器選用汽車改裝美式機(jī)油格冷卻降溫油冷散熱器（油管接頭１３排套件），具體尺寸為３００ｍｍ×１８０ｍｍ×５０ｍｍ。暖風(fēng)散熱器散熱量Ｑ 由式（１）、（２）確定

由式（１）、（２）可知，通過控制水泵的轉(zhuǎn)速及鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)溫度。參數(shù)ｍｗ由水泵的轉(zhuǎn)速與流量對(duì)應(yīng)關(guān)系查表得到，參數(shù)ｍＡ由第３．１節(jié)匹配后確定。圖２為增程式電動(dòng)車的預(yù)熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖３為預(yù)熱流程。

２ 熱力學(xué)計(jì)算

２．１ 液氣交互計(jì)算

液氣交互模型是通過將散熱器大循環(huán)中的冷卻劑引入暖風(fēng)散熱器，冷卻劑將熱量傳給散熱器壁面，通過鼓風(fēng)機(jī)吸入大氣中的氣體，吹過暖風(fēng)散熱器壁面，使氣體溫度升高，來實(shí)現(xiàn)預(yù)熱電池組的目標(biāo)。液氣交互通過下式計(jì)算

０．３６３?。叮恚?，為液體的換熱面積；Ｔｌ為冷卻劑溫度；Ｔｗ為散熱器壁的溫度；ＴＡ０為空氣的溫度；φｅ為氣體的換熱量；Ｎｕ 為努塞爾特?cái)?shù)；λ 為空氣熱導(dǎo)率；ｄ１＝１．２ｍｍ，為特征長(zhǎng)度；Ｓｇ＝３．９６ｍ２，為氣體的換熱面積；Ｒｅ為雷諾數(shù)；Ｐｒ?yàn)槠绽侍財(cái)?shù)。

２．２ 電池組預(yù)熱計(jì)算

根據(jù)能量守恒定律，電池在預(yù)熱過程中滿足式（６），電池的發(fā)熱功率滿足式（７）［４］，式（８）［１２］、（９）［１３］分別為熱輻射和牛頓冷卻的換熱量，式（１０）～（１７）分別為對(duì)流換熱系數(shù)及影響因素，具可表示為

式中：ｍｃ為電池單體的質(zhì)量；Ｃｐｃ ＝ ９１０．８Ｊ·（ｋｇ·Ｋ）－１，為電池單體的比熱容；Ｔｃ為電池的溫度；ｔ為時(shí)間；Ｑｗ為熱輻射交換的功率；Ｑｃ為熱對(duì)流交換的功率；ｑｃ為單體電池的熱損失功率；Ｉ為電池充、放電電流，根據(jù)工況需求確定；Ｒ 為電池單體的內(nèi)阻值；Ｅ／Ｔｃ＝０．０００?。玻玻帧ぃ耍保瑸殪刈兞?；ε＝１，為黑體熱輻射率；σ＝５．６７×１０－８Ｗ·ｍ－２·Ｋ－４，為波爾茲曼常數(shù)；ｅｐ＝０．０５，為形狀系數(shù)；Ａｃ＝２?。叮担矗叮矗叮恚恚?，為對(duì)流交換區(qū)的面積；ＴＡ為預(yù)熱空氣的溫度；ｈｃ為對(duì)流換熱系數(shù)；ｄｃ＝２６ｍｍ，為熱交換區(qū)的特征長(zhǎng)度；Ｎｕ１為自由對(duì)流努塞爾特?cái)?shù)；Ｎｕ２為強(qiáng)制對(duì)流努塞爾特?cái)?shù)；Ｇｒ?yàn)楦窭瓡苑驍?shù)；ｇ＝９．８Ｎ·ｋｇ－１，為重力加速度；ρ為空氣的密度；α為體積膨脹系數(shù)；μ 為絕對(duì)黏度；ｄｍｕ為空氣的質(zhì)量流率；Ａａ＝９１０ｍｍ２，為橫截面積；ｄｍ１，ｄｍ３分別為模型入口與出口空氣的質(zhì)量流率。

３ 預(yù)熱系統(tǒng)建模仿真及模型精度驗(yàn)證

３．１ 預(yù)熱系統(tǒng)建模仿真與鼓風(fēng)機(jī)的匹配

因?yàn)殡姵匕c電池包間進(jìn)行并行通風(fēng)，假設(shè)每個(gè)電池包并行通風(fēng)的風(fēng)量相同，且電池包內(nèi)每個(gè)風(fēng)道的風(fēng)量相同。由于１５個(gè)電池包結(jié)構(gòu)相同，因此下面只針對(duì)其中的１個(gè)電池包進(jìn)行研究，電池包按照１１×７進(jìn)行排列，２節(jié)單體橫、縱間距為３２ｍｍ 和３４ｍｍ，氣流沿２６６５０單體軸向進(jìn)入電池包，電池單體安裝在支架中，各個(gè)單體通過整體鎳片進(jìn)行并聯(lián)，模組、模組之間通過銅牌進(jìn)行壓接串聯(lián)，銅牌、鎳片連接處有通風(fēng)孔，進(jìn)行不同模組之間的換熱，局部排列如圖４所示。

基于熱力學(xué)計(jì)算，在ＡＭＥＳｉｍ?。遥澹觯保耻浖脚_(tái)上建立的電池模組預(yù)熱系統(tǒng)如圖５所示。由于電池包入口溫度取決于鼓風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)量和水泵的轉(zhuǎn)速，假設(shè)水泵的轉(zhuǎn)速ｎ＝８００ｒ·ｍｉｎ－１，且預(yù)熱空氣經(jīng)暖風(fēng)散熱器預(yù)熱后，溫度與電池包入口溫度一致。此時(shí)，電池包入口空氣的預(yù)熱溫度和壓力與鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)量相關(guān)，為保證電池包內(nèi)單體最大溫差小于５℃，設(shè)置電池包出口處壓力為１．０１３×１０５?。校幔跏茧姵匕鼫囟葹椋玻啊?，此時(shí)電池單體不進(jìn)行充放電，只進(jìn)行預(yù)熱。根據(jù)預(yù)熱系統(tǒng)模型得到不同鼓風(fēng)量電池包的最大溫差仿真結(jié)果如圖６所示。由圖６可知，鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)量越大，電池包內(nèi)溫差越小。

圖７為不同鼓風(fēng)量電池包出口處單體溫度。由圖７可知，隨著鼓風(fēng)量的增加，電池包出口處單體溫度逐漸降低，其原因?yàn)樵谒棉D(zhuǎn)速一定時(shí)，送入散熱器的熱量一定，鼓風(fēng)量越大，使預(yù)熱的空氣溫度越低，導(dǎo)致電池包出口處單體預(yù)熱溫度降低。當(dāng)電池包內(nèi)單個(gè)風(fēng)道的風(fēng)量在２～３．５ｇ·ｓ－１時(shí)，預(yù)熱到０℃，預(yù)熱時(shí)間相差２２ｓ。且鼓風(fēng)量越大，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的功率要求越高，電池包入口的壓力越大。因此，在滿足電池包內(nèi)最大溫差小于５℃的條件下，鼓風(fēng)量越小，預(yù)熱時(shí)間越短。因此，本文選擇３ｇ·ｓ－１的鼓風(fēng)量為電池組預(yù)熱。

考慮鼓風(fēng)機(jī)的全壓，滿足最大溫差小于５℃的條件下，單個(gè)風(fēng)道鼓風(fēng)量為３ｇ·ｓ－１時(shí)，電池包入口處風(fēng)壓達(dá)到１．０１６×１０５　Ｐａ，全壓為３００Ｐａ，計(jì)算得到電池組預(yù)熱需求空氣總流量為１　５０７ｍ３·ｈ－１。因此，選擇河北盛通玻璃鋼有限公司生產(chǎn)的Ｔ３５－１１型玻璃鋼軸流風(fēng)機(jī)，具體參數(shù)如表２所示。

３．２ 電池單體模型

電池單體模型選用的是內(nèi)阻模型，其計(jì)算公式為

３．３ 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

本文選擇九州風(fēng)神Ｄｅｅｐｃｏｏｌ型（大霜塔至尊）風(fēng)扇為電池包提供熱風(fēng)，將２６６５０磷酸鐵鋰單體電池固定在電池支架上，電池表面貼上溫度傳感器采集電池表面的溫度，利用Ｃｈｒｏｍａ充放電設(shè)備模擬行車預(yù)熱的工況，采集電池單體表面的溫度，恒溫箱模擬低溫環(huán)境。利用ＰＴＣ加熱片為冷卻液加熱，ＡＣ／ＤＣ電源為ＰＴＣ加熱片供電，控制器通過熱敏電阻阻值變化計(jì)算得到冷卻液溫度，控制繼電器的開閉，實(shí)現(xiàn)控制ＰＴＣ加熱片的目的，從而保證了冷卻液的溫度與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度的一致性。水泵將預(yù)熱后的冷卻液送入散熱器中，同時(shí)風(fēng)扇吹過散熱器后，空氣溫度升高，預(yù)熱后的空氣對(duì)電池進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱時(shí)，控制風(fēng)扇的鼓風(fēng)量為１００．５ｍ３·ｈ－１，風(fēng)道的鼓風(fēng)量使用ＫＬＨ５００Ｃ型空氣流量測(cè)量?jī)x進(jìn)行讀取，搭建的加熱試驗(yàn)平臺(tái)如圖８所示。

３．４ 低溫電池試驗(yàn)

由于本文中所用比克公司生產(chǎn)的３．３Ａ·ｈ容量２６　６５０磷酸鐵鋰電池，通過圖８（ａ）中的設(shè)備測(cè)試的電池單體數(shù)據(jù)如圖９，１０所示，用于電池預(yù)熱模型進(jìn)行仿真計(jì)算。圖１０中的內(nèi)阻值是通過Ｃｈｒｏｍａ充放電測(cè)試設(shè)備自帶的ＤＣＩＲ１進(jìn)行測(cè)試。

３．５ 電池預(yù)熱模型精度驗(yàn)證

本文中分析了電池單體入口處空氣流量、預(yù)熱空氣溫度、電池單體最高溫度、單體最低溫度的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，如圖１１，１２所示。設(shè)定電池模組外部環(huán)境溫度和內(nèi)部溫度均保持在－２０ ℃，啟動(dòng)ＰＴＣ加熱片為冷卻液進(jìn)行加熱，通過控制器控制冷卻液的溫度基本維持在８５℃，保證冷卻液溫度與仿真時(shí)盡量一致。

由圖１１可見：１７０ｓ后，流道內(nèi)空氣流速仿真與試驗(yàn)誤差小于１％，且不同流道內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果相差小于１％，流道內(nèi)的空氣流量一致性較好；由于其流道對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇位置不同，在２個(gè)風(fēng)扇交界處的流道流量較小，但不同流道內(nèi)最大流量與最小流量差異小于２％。因此，當(dāng)空氣流量達(dá)到平衡后，不同流道內(nèi)的空氣流量，可以滿足模型精度要求。

由圖１２可見：電池單體最高溫度仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的溫差在１℃之內(nèi)，且仿真溫度高于試驗(yàn)溫度，這是由于試驗(yàn)過程中電池包與風(fēng)扇和散熱器的交互過程中，密封性不好，使試驗(yàn)過程的預(yù)熱空氣溫度略低于仿真溫度，且流道內(nèi)預(yù)熱空氣的流量低于仿真時(shí)空氣的流量，導(dǎo)致單體電池的預(yù)熱溫升略低于仿真結(jié)果，但試驗(yàn)與仿真誤差不大于５％，由此驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。其模組間電池的最大溫差小于５℃，其最大溫差小于仿真溫差，原因?yàn)樵囼?yàn)過程中受電池支座的影響，其２ 個(gè)單體間的間隙為４３ｍｍ，大于仿真間隙，使預(yù)熱空氣速率降低，單體間預(yù)熱更加均勻，溫差減小。

圖１３為冷卻劑溫度曲線。由圖１３可見，冷卻劑溫度仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在１５０ｓ之后達(dá)到平衡，且兩者之間溫差小于１℃。在１５０ｓ前，冷卻劑的仿真與試驗(yàn)溫差相差大于１℃，但由于冷卻劑１５０ｓ后的預(yù)熱效果取決定性作用，因此預(yù)熱模型可以滿足模型精度的要求。

圖１４為不同溫度下，電池單體放電容量與端電壓的仿真與試驗(yàn)結(jié)果。由圖１４可知：其電池單體在２５℃時(shí)，電池ＳＯＣ值大于１５％時(shí)，端電壓試驗(yàn)與仿真誤差小于１％，由于本文中控制ＳＯＣ值在３０％～９０％，因此電池模型滿足精度要求。在相同放電容量條件下，試驗(yàn)比仿真端電壓高，其原因?yàn)樵囼?yàn)采集的溫度為電池表面溫度，其電池內(nèi)部溫度高于表面溫度，導(dǎo)致其在相同放電容量條件下，電池單體端電壓試驗(yàn)值高于仿真值，且溫度越高，放電容量和端電壓也越高。這為下文的仿真分析奠定了基礎(chǔ)由此可知，預(yù)熱模型與電池模型滿足仿真的精度要求。

４ 預(yù)熱策略制定及整車仿真模型搭建

４．１ 預(yù)熱條件下增程式電動(dòng)車預(yù)熱策略制定

本文針對(duì)低溫條件下，動(dòng)力電池組能量效率低的問題，提出了２種預(yù)熱策略：發(fā)動(dòng)機(jī)怠速為動(dòng)力電池組預(yù)熱；整車工作在ＣＳ模式時(shí)，引入一部分散熱器熱量為電池組預(yù)熱。根據(jù)增程式電動(dòng)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一套電池組低溫預(yù)熱系統(tǒng)，制定了基于整車運(yùn)行的電池組預(yù)熱控制策略。預(yù)熱整車控制策略流程如圖１５ 所示。該策略包括４ 種預(yù)熱模式：傳統(tǒng)ＣＤＣＳ模式、停車預(yù)熱模式、制動(dòng)能量回收模式和預(yù)熱增程模式。傳統(tǒng)ＣＤＣＳ模式是指電量消耗模式和電量維持模式，即ＣＤ模式和ＣＳ模式。停車預(yù)熱模式是針對(duì)電池組電量不足以進(jìn)行行車時(shí)，先將電池組預(yù)熱到目標(biāo)溫度，再進(jìn)入傳統(tǒng)ＣＤＣＳ模式進(jìn)行行車或充電。制動(dòng)能量回收模式是防止環(huán)境溫度低于０℃時(shí)，電池組進(jìn)行制動(dòng)能量回收，保護(hù)電池。

針對(duì)低溫環(huán)境行車條件，在增程式電動(dòng)車整車控制策略中設(shè)計(jì)了預(yù)熱增程ＣＳ模式。該模式下發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工作點(diǎn)（轉(zhuǎn)速為８００ｒ·ｍｉｎ－１）的水泵流量為０．２５６ ｋｇ·ｓ－１ （冷卻劑流量為０．２５６ｋｇ·ｓ－１）。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度高于８５ ℃，將暖風(fēng)散熱器電磁閥打開，讓發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液進(jìn)入到暖風(fēng)散熱器中預(yù)熱空氣。通過控制水泵的轉(zhuǎn)速，鼓風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)量，保證預(yù)熱過程中，電池包內(nèi)單體的最大溫差小于５℃。當(dāng)電池包內(nèi)單體最低溫度達(dá)到０ ℃時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作。當(dāng)整車進(jìn)入ＣＳ模式時(shí)，如果此時(shí)電池包內(nèi)單體最高溫度低于２０℃，降低水泵的轉(zhuǎn)速，在保證電池包內(nèi)單體最大溫差小于５℃的條件下，對(duì)電池組進(jìn)行預(yù)熱。當(dāng)電池組最大溫差高于５℃時(shí)，通過增加鼓風(fēng)機(jī)控制器兩端的占空比，提高鼓風(fēng)機(jī)兩端的電壓，實(shí)現(xiàn)增大鼓風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)量，控制電池組的溫差小于５℃。

４．２ 整車仿真模型搭建

本文研究選擇ＡＭＥＳｉｍ 軟件作為仿真分析工具。該軟件被廣泛用在汽車領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期開發(fā)工作中，搭建的系統(tǒng)模型如圖１６所示。

５ 整車性能仿真分析與對(duì)比

５．１ 電池組預(yù)熱條件下整車仿真分析

利用ＡＭＥＳｉｍ 整車仿真模型及預(yù)熱控制策略，對(duì)項(xiàng)目車型進(jìn)行仿真分析，仿真工況為８?jìng)€(gè)ＮＥＤＣ工況，初始ＳＯＣ值均為９０％，該工況總里程為８８ｋｍ，仿真時(shí)間９?。叮埃埃螅茫幽Ｊ桨l(fā)動(dòng)機(jī)工作為電池組充電，其輸出功率為５．２ｋＷ，轉(zhuǎn)速為１?。玻埃埃颉ぃ恚椋睿?。

圖１７為預(yù)熱增程ＣＳ模式下的仿真結(jié)果（ＴＬ為散熱器冷卻液速度）。由圖１７（ａ）可知，電池組預(yù)熱開始階段發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液大約需要２ｍｉｎ達(dá)到鼓風(fēng)機(jī)開啟溫度。由圖１７（ｂ）可知：控制器通過控制水泵轉(zhuǎn)速（８００ｒ·ｍｉｎ－１）、鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)量來調(diào)節(jié)電池包入口預(yù)熱空氣的溫度和流量，其電池包入口處預(yù)熱空氣溫度６ｍｉｎ后達(dá)到２０℃的穩(wěn)定狀態(tài)；預(yù)熱增程ＣＤＣＳ模式預(yù)熱時(shí)間少于停車預(yù)熱時(shí)間，原因是在此模式下消耗一部分電池能量為電池組預(yù)熱。預(yù)熱條件下的電池單體溫度不斷提高，且溫度一致性較好，最大溫差小于５℃。與不預(yù)熱的電池組相比，鼓風(fēng)機(jī)開啟時(shí)，預(yù)熱電池組溫度驟然升高，電池組溫度比不預(yù)熱溫度差值越來越大；當(dāng)電池組溫度達(dá)到０℃的目標(biāo)溫度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，鼓風(fēng)機(jī)也停止向電池包送入預(yù)熱空氣，電池組預(yù)熱過程結(jié)束［圖１７（ｃ）］。

５．２ 整車２種控制策略的性能分析

預(yù)熱與不預(yù)熱控制策略的仿真結(jié)果見表３，本文采用的是確定工況，工況所需能量一定，這部分能量由動(dòng)力電池組及ＡＰＵ 提供。仿真結(jié)束時(shí)，不同環(huán)境溫度下的電池組截止ＳＯＣ值不同，因此將不同溫度下整個(gè)工況消耗的能量轉(zhuǎn)化為２０℃條件下的能量消耗，作為其他環(huán)境溫度能量消耗比較的參照值。根據(jù)表３仿真結(jié)果，利用電量消耗量和燃料消耗量的換算關(guān)系，將不同溫度下的ＳＯＣ值換算成２０℃時(shí)的燃油消耗量，比較不同溫度、不同控制策略工況結(jié)束后的燃油消耗量，對(duì)整車能量利用率進(jìn)行定量的評(píng)價(jià)。電池組ＳＯＣ差值ΔＳｏｃ轉(zhuǎn)化為等效燃油量的計(jì)算公式為［１９］

圖１８為不同條件等價(jià)燃油消耗量。由圖１８可見：溫度越低，等價(jià)的總油耗量越高，且在預(yù)熱控制策略下，預(yù)熱比不預(yù)熱總油耗量少，隨著溫度的升高，預(yù)熱比不預(yù)熱節(jié)油量逐漸減少。其原因是不同環(huán)境溫度下，制動(dòng)能量回收量和內(nèi)阻消耗量不同（制動(dòng)能量回收量是指在制動(dòng)模式下，充入電池組的能量；內(nèi)阻消耗量是指電池組在充放電過程中，電池內(nèi)阻消耗的能量），其兩者所占比例見圖１９。

由圖１９可知，在低溫下，制動(dòng)能量回收與內(nèi)阻消耗隨著溫度的升高，等價(jià)燃油經(jīng)濟(jì)性提高幅度逐漸減少，且在低溫下制動(dòng)能量回收提高幅度所占比重略高于內(nèi)阻消耗的提高幅度，但在－２０℃條件下內(nèi)阻消耗量占主導(dǎo)。在０℃和１０℃時(shí)，內(nèi)阻消耗提高幅度高于制動(dòng)能量回收的提高幅度。原因是當(dāng)環(huán)境溫度高于０℃時(shí)，預(yù)熱與不預(yù)熱的控制策略下，整個(gè)工況都進(jìn)行制動(dòng)能量回收，只是在預(yù)熱控制策略下，電池組溫度高于無預(yù)熱控制策略，電池組放電效率高，使內(nèi)阻消耗提高幅度較大。

試驗(yàn)車實(shí)際的純電動(dòng)續(xù)駛里程要求不低于５４ｋｍ，不同條件下整車純電動(dòng)續(xù)駛里程見圖２０。由圖２０可見，當(dāng)環(huán)境溫度在０℃以下時(shí)，在不預(yù)熱的條件下，無法滿足純電動(dòng)續(xù)駛里程的要求，且在低溫下預(yù)熱對(duì)于提升整車的純電動(dòng)續(xù)駛里程，有非常明顯的效果，且可以滿足整車的純電動(dòng)續(xù)駛里程要求。

６ 結(jié)語

（１）本文對(duì)增程式電動(dòng)車行車預(yù)熱策略進(jìn)行研究，提出了利用發(fā)動(dòng)機(jī)作為熱源，引用暖風(fēng)散熱器的熱風(fēng)為電池組進(jìn)行預(yù)熱的方案，通過搭建預(yù)熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制鼓風(fēng)機(jī)和水泵實(shí)現(xiàn)預(yù)熱電池組的目的。

（２）根據(jù)牛頓冷卻公式及能量守恒定律，建立了液氣交互計(jì)算模型，為滿足電池組內(nèi)單體溫差小于５℃的要求，匹配了鼓風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)量和水泵轉(zhuǎn)速。考慮電池單體之間的間距，分析了在滿足單體溫度差的條件下，鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)速、電池單體間距對(duì)溫度差及預(yù)熱速度的影響，為鼓風(fēng)機(jī)的匹配提供了依據(jù)。

（３）搭建了電池單體及模組加熱試驗(yàn)臺(tái)，根據(jù)預(yù)熱空氣流量、電池溫度、電池包預(yù)熱空氣溫度、冷卻劑溫度及電池放電容量與端電壓的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果曲線對(duì)比，驗(yàn)證了在一定范圍內(nèi)，預(yù)熱仿真模型及電池模型的精度。

（４）制定了整車預(yù)熱控制策略，包括停車預(yù)熱、制動(dòng)能量回收、預(yù)熱增程和ＣＤＣＳ四種模式，保證了整車電池組的預(yù)熱需求和電池組壽命。

（５）通過ＡＭＥＳｉｍ 仿真平臺(tái)，搭建了整車模型及預(yù)熱系統(tǒng)，通過對(duì)比不同環(huán)境溫度下預(yù)熱與不預(yù)熱的仿真結(jié)果，得出預(yù)熱的必要性；通過油電轉(zhuǎn)換公式，分析了不同條件下等價(jià)燃油消耗量、整車純電動(dòng)續(xù)駛里程隨溫度的關(guān)系，并得出影響低溫下電池組效率低的因素為內(nèi)阻消耗量和制動(dòng)能量回收量，其兩者所占比例隨環(huán)境溫度變化而不同，當(dāng)環(huán)境溫度為－２０ ℃，內(nèi)阻消耗所占比例高于制動(dòng)能量回收量。

（６）本文提出的利用發(fā)動(dòng)機(jī)暖風(fēng)散熱器為電池組預(yù)熱的方法，在保證電池組最大溫差小于５℃的條件下，對(duì)低溫條件下電池組行車預(yù)熱具有重要的意義。

（７）由于預(yù)熱系統(tǒng)假設(shè)的流道內(nèi)預(yù)熱空氣流量相同，與實(shí)際情況不符，因此后續(xù)工作還需要進(jìn)行電池包流道具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為電池組空氣預(yù)熱提供更合理的參數(shù)。