河南科技大学车辆与交通工程学院，河南 洛阳

收稿日期：2023年3月26日；录用日期：2023年5月24日；发布日期：2023年5月31日

摘要

为研究纯电动车集成热管理系统性能，本文提出了基于热泵的串并联耦合集成热管理系统方案，以乘员舱和电池为研究对象，借助AMEsim软件搭建系统仿真平台，通过实验数据对模型的标定验证。以不同工况下集成工作模式中的乘员舱、电池的温度变化等参数进行分析。结果表明：在35℃夏季工况下，乘员舱温度可快速达到目标温度，最高COP为5.841，在40℃、45℃高温工况下，可通过增大压缩机转速牺牲系统能效比的方式，满足热舒适性要求。并联方案能够较好的让电池在40℃的环境工况中把电池温度控制在25℃左右。电池模组间的最大温差为1.2℃，满足热均匀性要求。冬季工况中，系统在7℃时达到最大的COP为2.3，得益于串联系统架构可以有效恢复电池活性，提升整车续航能力。通过采用“PTC + 热泵”组合对乘员舱制热方案改进，对提升冷启动阶段乘员舱温度的快速响应能力有明显优势。此结果对集成热管理系统研究与优化提供了部分依据，解决了热泵在超低温条件下不能正常工作的问题。

关键词

纯电动车，集成热管理，热泵，动力电池，仿真分析

Performance Analysis of Integrated Thermal Management System for Pure Electric Vehicle

Wenbing Wang, Kunfeng Liang

School of Vehicle and Traffic Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang Henan

Received: Mar. 26^th, 2023; accepted: May 24^th, 2023; published: May 31^st, 2023

ABSTRACT

In order to study the performance of the integrated thermal management system for pure electric vehicles, this paper proposes a series parallel coupled integrated thermal management system scheme based on heat pumps. Taking the passenger compartment and battery as the research objects, a system simulation platform is built using AMEsim software, and the model is calibrated and validated through experimental data. The temperature changes of the passenger compartment and battery in the integrated working mode under different operating conditions are analyzed. The results show that under summer conditions of 35˚C, the temperature of the passenger compartment can quickly reach the target temperature, with a maximum COP of 5.841. Under high temperature conditions of 40˚C and 45˚C, the thermal comfort requirements can be met by increasing the compressor speed at the expense of the energy efficiency ratio of the system. The parallel connection scheme can better control the battery temperature at about 25˚C in an ambient condition of 40˚C. The maximum temperature difference between battery modules is 1.2˚C, meeting the thermal uniformity requirements. In winter conditions, the system achieves a maximum COP of 2.3 at 7˚C, which can effectively restore battery activity and improve vehicle endurance thanks to the series system architecture. By improving the heating scheme of the passenger compartment using a combination of “PTC + Heat pump”, it has significant advantages in improving the rapid response ability to the temperature of the passenger compartment during the cold start phase. This result provides a partial basis for the research and optimization of integrated heat management systems, and solves the problem that heat pumps cannot work properly under ultra-low temperature conditions.

Keywords:Pure Electric Vehicle, Integrated Thermal Management, Heat Pump, Power Battery, Simulation Analysis

Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

以纯电动汽车为代表的新能源汽车，以其节能环保的优势受到各国的广泛青睐，成为当今汽车产业发展的重要方向。加快纯电动汽车发展，是推动我国支柱产业创新驱动发展、实现汽车产业转型升级的重大需求。纯电动汽车是由多种部件组成的复杂系统，且各部件的工作温度和耐受温度不尽相同，合理的热管理系统需要对各部件进行热控制。对于动力电池，由于本身电池的热电特性，当温度较低时电池活性较差，使得整车续航严重衰减，温度过高时容易引发热失控问题 [1] [2] [3] ，通常来说，锂电池的最佳工作温度范围是15℃~35℃ [4] 。对于乘员舱的热舒适性问题，它与驾驶安全、乘员健康以及能耗密切相关。根据研究表明，人体正常的舒适温度在22℃~26℃，相对湿度在35%~70% [5] 。当舱内温度超过35℃和湿度超过80%会让驾驶员更加易怒，特别是对于没有经验的司机，影响行车安全 [6] 。目前，舱内制冷功能已经非常成熟，优化节能效果较小。但冬季取暖大多采用PTC加热器，效率低、能耗大，约占整车能耗的35%，导致续驶里程减少20%~30%。因此，热泵空调方案被广泛采用，以此降低能耗 [7] [8] [9] 。

现阶段，纯电动车集成热管理系统的研究主要从系统空气侧和制冷剂侧实现集成方案，其中制冷剂侧集成又根据系统与回路直接连接或者间接连接的方式分为蒸发式集成和二次回路集成 [10] [11] [12] [13] [14] 。Pesaran等人 [15] 提出了一种适用于电池热负荷较小工况实现较好的热管理系统，这种将BTM与空调系统耦合的方式，由于气换热系数较差，容易导致电池组内部温度分布不均匀。为了减小电池之间的温差，Xie等人 [16] 通过在电池箱中布置PCM，该系统可以在35℃高温工况下维持电池模组间温差在1.9℃以下，在42℃的环境温度下保持4.6℃以下温差，但这种将电池包集成在乘员舱内的集成方案，并不适用于电池容量大的纯电动汽车。Zou等 [17] 提出了一种在乘员舱风道内耦合一组电池换热器，电池的热量通过热管、冷却液传递到舱内空调系统，当热量过大时，通过四通储液阀和气液分离器之间的换热器散热，发现电池平均散热小于800 W时，系统冬季收益大于夏季额外付出的能量，可以节省3%左右的能源消耗。后续又对系统进行了改进 [18] ，系统采用了增加截止阀和换热器的方法，替换掉原系统中的四通换向阀，并在电池侧添加了热管换热器强化换热。但对于低温电池的加热方法仍采用PTC加热。

在蒸发式集成相关研究中，Cen等人 [19] 提出了一种蒸发式集成热管理系统，其特点是有两个平行的蒸发器，分别用于座舱冷却和电池冷却。在环境温度为40℃时，电池温度可以保持在35℃以下；在1.5 C放电时，电池温差可以保持在2.5℃以下 [20] 。根据Shen等人的建议 [21] [22] ，两个蒸发器可以串并联连接在制冷剂回路中，串联连接的目的是减少舱室内的温度波动，并且可以获得更高的COP和更好的冷却性能。Hamut等人 [23] 提出了一种二次回路的热管理系统，为电池提供了额外的冷却解决方案。该系统采用四通阀设计，可根据不同的冷却要求，通过改变冷却液的流道来改变电池的冷却方式。Javani等 [24] 在Hamut的基础中进一步改进了方案，将流经冷水机的冷却剂旁路到PCM，在PCM中可以吸收电池的部分热量，从而降低了交流的负荷。因此，与没有PCM时相比，㶲效率提高了5.04%。综上所述，空气侧集成的方案以其系统简单的优势在实际工业生产中更为常见，而制冷剂侧集成的方案在系统能效上更优越，并且与空气侧的集成相比，制冷剂侧的集成可以实现更好的电池热管理，二次回路集成方案布局形式更灵活，更适合大型电池组，但二级回路集成需要更多的组件，其运行可靠性和成本难以保证。

在电动汽车快速发展的今天，仍然存在由热管理系统的高功耗、冬季供暖效果不佳等因素导致的驾驶员和乘客体验不佳的问题。尽管目前国内外学者和整车企业已经进行了大量的研究和应用，目前还存在以下问题：集成式热管理系统的配置研究不足，各子系统的能量耦合比有待进一步研究；热泵空调冬季供暖性能较差，难以满足驾乘人员的需求。本文提出的基于热泵的集成热管理系统兼顾了制冷、制热需求，适合应用在目前能量密度不高续航较差的纯电动汽车上，对于提高电动汽车的行驶里程具有重要意义。

2. 系统方案设计

2.1. 系统原理

集成热管理系统相比于传统的热泵系统，在系统集成方案构建前还需确定乘员舱和动力电池的优先级。当乘员舱和动力电池同时存在热管理需求时，乘员舱内乘客的热舒适性优先级最高。夏季工况下，需以乘员舱温控为主，迅速将乘员舱温度调节至热舒适温区温度后。而在冬季工况下，动力电池的温度过低将使车辆无法充电或导致电池严重的冷衰减，降低续驶里程。因此，本文提出的串并联耦合的纯电动车集成式热管理系统，在夏季系统为并联双蒸发器架构，冬季则为动力电池优先换热的串联架构。包括了乘员舱热管理回路和动力电池组热管理回路，实现乘员舱和动力电池的温度管控，主要部件包括了压缩机、舱外换热器、乘员舱换热器、动力电池冷板、四通换向阀、膨胀阀等其他管路控制阀件，原理如图1所示。集成式热管理系统通过制冷剂为循环工质，实现系统集成制冷、制热循环和乘员舱、动力电池单冷单热循环，具体工作模式如表1所示。

表1. 系统工作模式

图1. 系统原理图

2.2. 基于AMEsim系统仿真建模

2.2.1. 部件模型建模

部件模型搭建时，各部件的模型如表2所示，其中考虑了以下几点：

表2. 系统仿真模型设计

1) 压缩机作为制冷系统的耗功部件，在系统仿真的过程中忽略了制冷剂在压缩机中的流动和换热过程；

2) 车外换热器和乘员舱换热器采用离散微元的方法进行建模；

3) 膨胀阀通过膜片作用在杆上的力平衡来调节蒸发器的出口过热度，通过特定的阀上游气体的干度来实现质量流量的计算；

4) 乘员舱采用了一维总参数模型模拟车厢内湿空气的热平衡，其冷热负荷采用稳态传热法计算；

5) 电池产热模型忽略了较小的反应热和相变热，仅考虑了内阻热、可逆熵热、混合热。

2.2.2. 系统台架搭建

根据系统热负荷研究和系统的运行逻辑对系统各部件进行了选型，确定各部件主要参数，如表3所示，包括了系统压缩机、舱外换热器、乘员舱换热器、膨胀阀、等。实验台架搭建在焓差实验室完成部件模型验证实验。选择R134a作为循环工质，GWP为1300。为了简化台架结构，仅进行了串联模式对系统回路的热流特性和调控规律进行了分析验证。支路的入口处设置了电磁阀起到了截止作用，通过阀门的开闭实现子系统单独运行和集成运行，温度传感器测点主要布置在压缩机、舱外换热器、舱内换热器管路的进出口和舱内外风机出风口等。压力传感器主要布置在换热器的进出口侧。最后，采用保温棉包裹管路进行绝热，减少管路损失。如图2所示。

表3. 主要部件参数及说明

图2. 焓差实验室原理图

2.2.3. 测试工况

纯电动车集成式热管理系统工况的设定参考《EV-TEST 电动汽车测评管理规则(2019版)》以及《GB/T 21361-2017 汽车用空调器》《GB/T 22068-2018 汽车空调用电动压缩机总成》和《GB/T 7725-2004 房间空气调节器》，如表4所示：

表4. 工况设置

2.2.4. 换热器模型标定

在AMEsim中，换热器外部热交换是基于湍流条件下Nusselt的基本表达式，如公式1所示，空气测传热增益用于调节传热，由此产生的热交换进行修正，如公式2所示，其中，a、b、c以及 $k_{heat}$ 值通过模型寻优程序确定。实验与仿真计算的对比如表5和表6所示。可以看出，仿真与实验结果匹配良好。

$Nu=a\cdot R{e}^b\cdot P{r}^c$ (1)

$Nu=N{u}_{exp}\cdot k_{heat}$ (2)

表5. 舱外换热器标定误差分析

表6. 舱内换热器标定误差分析

2.2.5. 压缩机模型标定

通过测定压缩机的容积效率、等熵效率和机械效率等，结合部件信息参数和系统运行参数可以计算出制冷剂的质量流量以及出口焓值。在AMESim中子模型TPFPUCOMP000的定排量压缩机对容积、等熵和机械效率进行校准。实验与仿真相对误差值如图3所示，可以看出所有误差均不超过6%，满足工程需要。

图3. 压缩机实验与仿真结果相对误差图

2.2.6. 电池模型标定

为了在AMEsim中合理搭建电池模型准确描述电池的电、热特性，因此需要根据电池的物性参数，如表7所示，测出不同放电倍率下电池物性变化，其内阻随SOC温度变化如图4所示，其开路电压随SOC及放电电流变化如图5所示。为了进一步获得电池的物性参数，在电芯充放电测试系统中按照20 A电流(1放电倍率)进行了电池容量衰减特性实验，得出电池容量随温度的变化关系，如图6所示。电池箱的总容量为100 Ah，额定电压为360 V，总能量为36 kWh，据此，搭建出的动力电池仿真模型如图7所示。

图4. 单体电池内阻随SOC及温度变化

图5. 不同放电倍率下单体电池开路电压

图6. 电池低温容量衰减特性

图7. 电池仿真模型

表7. 单体电池的基本信息

2.3. 系统仿真平台

在AMEsim中，建立的整车集成式热管理系统仿真平台如图8所示，其中在系统模型搭建时，其中考虑了以下几点：

图8. AMEsim中集成式热管理系统仿真平台

1) 流动是一维稳定状态下的均匀流动。

2) 忽略了制冷剂的轴向传热传质。

3) 气流的速度和物理特性在任何地方都是一致的。

4) 电池的比热容和导热系数是恒定的，不会随充放电状态而变化。

3. 集成式热管理系统性能分析

3.1. 夏季制冷工况

3.1.1. 乘员舱制冷性能

在经历一次CLTC-P行驶工况后，系统趋于稳定，在不同环境温度下，乘员舱系统制冷量以及COP变化趋势如图9所示，制冷量与COP随着环境温度的上升逐渐降低，在35℃~45℃的环境温度下，根据以上测试条件，提供给乘员舱的制冷量最高可达1.81 kW，COP最高为5.841。系统的COP随着压缩机转速的不断上升而降低，这是因为压缩机转速的提升必然会导致压缩机的耗功上升，系统整体耗能随之增大，COP自然降低。但是，当环境温度上升至40℃、45℃高温工况时，可以通过压缩机转速调节以此满足夏季乘员舱热舒适性需求，系统通过牺牲能效比的方式增加制冷剂流量，此时的压缩机负荷增大，乘员舱的温度方能保持在25℃以下。

图9. 乘员舱子系统夏季工况表现

3.1.2. 动力电池制冷性能

在不同环境温度下，电池系统制冷量以及温度变化趋势如图10所示。在35℃测试环境下，制冷量最高可达2.68 kW，动力电池温度保持在安全运行范围内，满足对动力电池组热管控需求。当环境温度升高时，类似于乘员舱子系统，制冷量降低，电池温度随之升高。在环境温度为40℃时，压缩机转速调节到6000 r/min，依然能够将电池组温度控制在25℃左右。

图10. 动力电池子系统夏季工况表现

为了更深层次的理解电池换热路径，对电池中一号模组进行热量拆分，如图11所示，电池与冷板间温差最高保持在4.4℃，与箱体温差最高为2.2℃左右。根据换热量分析可以得到1号模组大约有28.4%的热量被箱体吸收对流换热后传递到外界。

图11. 一号模组温度梯度

3.2. 冬季制热工况

3.2.1. 乘员舱升温特性

如图12所示，在环境温度为−7℃时的乘员舱温升曲线，由于系统集成制热时考虑了以恢复有效续驶里程为目的的优先电池加热方案，电池达到目标温度20℃后，对应的时间1108 s，乘员舱温升速率被拉升，在1200 s左右达到目标温度。通过对压缩机转速的调节可以从图中看出乘员舱温度首次达到目标温度的时间分别为1191 s、1205 s、1221 s、1243 s。在乘员舱温度首次达到目标温度后，存在一定的温度波动，但经过后续的热管理控制系统逐渐将温度稳定在25℃。采用热泵的制热方式虽然能够将乘员舱温度从−7℃拉到目标温度，但升温过程相对缓慢，关于低温下乘员舱温升响应慢的问题将在后续内容中进行改善。

图12. −7℃时乘员舱温度变化曲线

3.2.2. 动力电池升温特性

−7℃的低温工况采用的是优先电池加热的集成制热模式，电池的温升曲线如图13所示，电池达到目标温度的时间1108 s左右。整体动力电池温度提升了27℃，加热效果相对较好。从图中还可以看出，在整车经历一个CLTC-P行驶工况，电池SOC由初始100%降至85.89%，在启动瞬间的前100 s电池SOC下降趋势较为明显，主要是因为此时电池包温度相对较低，其容量和放电能力均不能达到正常水平，但随着电池温度逐渐上升，部分容量得到了恢复，下降速率逐渐放缓，当电池达到目标温度后，通过AMEsim控制系统打开旁通支路的电磁阀，压缩机排气进入乘员舱换热器，此时负荷增大，压缩机能耗随之增加，加大了动力电池的电能输出，SOC下降速率增大。

图14所示为NEDC、WLTC和CLTC-P工况下纯电动车续驶里程在低温环境下的变化情况，更低的环境温度会显著影响纯电动车的续航能力，温度较高环境工况下，随着电池热管理系统的介入，电池温度得到了提升，电池活性相对变好，电池SOC得到恢复，拉升车辆的续驶里程。进一步分析得到，在环境温度为−7℃、0℃、7℃、10℃低温下，NEDC受温度影响程度更大，续驶里程与常温条件下分别衰减了22.36%、19.23%、10.48%、4.67%，相对于−20℃和−10℃超低温环境下，CLTC-P工况下车辆续航里程变化更敏感，与常温条件下分别衰减了35.46%和25.39%。

图13. −7℃电池温升及SOC变化曲线

图14. 三种行驶工况下车辆续驶里程变化

3.2.3. 冷启动阶段乘员舱快速响应研究

为了在低温环境下，车辆冷启动乘员舱能够快速升温。系统选用了空气加热式PTC，通过在乘员舱湿空气循环回路中进口处设置PTC提供额外的热量。选择了−7℃作为环境温度进行仿真验证，比较热泵系统与PTC混合加热系统的加热效果。同时，为了验证PTC加热器相比于热泵系统在超低温环境下无法正常工作和效率低下，PTC可以实现全温度范围下加热的问题，还设置了−10℃作为更低温度对比工况。PTC的功率设置了3组作为对比，分别为1000 W、1500 W、2000 W。从图15可以看出，采用“热泵 + PTC”混合加热的方案可以在短时间内完成对乘员舱温度的提升，在达到目标温度25℃后，存在微小波动，但仍能控制在最佳温度范围。从仿真结果可以得到，在环境工况为−7℃，三种功率的PTC加热器在满功率工作条件工作下，乘员舱达到目标温度的时间分别为610 s、340 s、230 s，温度相对于热泵系统温度调节响应时间缩短了68.4%。此外，从图中还可以看出在更低温环境−10℃下，1500 W的PTC加热效果明显，在410 s左右就可以将乘员舱温度拉升到目标温度，也验证了PTC全温域运行的特点。

图15. “热泵 + PTC”模式乘员舱温升曲线

4. 结论

基于本文提出的串并联耦合的集成热管理系统方案，在AMEsim中搭建了系统仿真平台，通过实验数据对模型进行了标定验证，标定误差均小于6%，在合理范围内。进一步完成了对热管理系统的夏季工况性能和冬季工况性能进行了仿真分析，结果发现：

1) 在夏季工况中，集成热管理系统切换到并联架构下完全能够满足乘员舱和动力电池冷量需求，COP最高为5.841，电池模组间的最大温差为1.2℃，满足热均匀性要求。

2) 在冬季工况中，串联模式能够有效拉升动力电池的温度，恢复车辆的续航能力，在7℃时达到最大的COP为2.3，在−7℃时最低为1.65，电池达到目标温度20℃后消耗了14.11% SOC。进一步探究了超低温和低温条件下行驶工况对续航里程的影响，发现NEDC在−7℃以上受温度影响程度更大，而在−20℃和−10℃超低温环境下，CLTC-P工况下车辆续航里程变化更敏感，于常温条件下分别衰减了35.46%和25.39%。

3) 为了解决更低温度下，乘员舱温升响应速率较慢的问题，提出了“PTC + 热泵”组合制热改进方案。发现相对于原系统乘员舱温度调节响应时间将近降低了68.4%，很好地解决了热泵在超低温条件下不能正常工作的问题。

文章引用

汪文兵,梁坤峰. 纯电动车集成热管理系统性能分析
Performance Analysis of Integrated Thermal Management System for Pure Electric Vehicle[J]. 建模与仿真, 2023, 12(03): 3008-3023. https://doi.org/10.12677/MOS.2023.123277

参考文献