纯电动汽车热泵型整车热管理系统开发技术研究

纯电动汽车热泵型整车热管理系统开发技术研究

近年来，随着纯电动汽车的普及和销量提升，用户对车辆在不同气候环境下的使用需求日益增加。特别是在高温和低温环境下，续驶里程衰减和快充时间延长成为用户关注的两大痛点。为了解决这些问题，各大汽车公司和科研机构纷纷开展深入研究，逐步改善新能源汽车全气候使用的痛点问题。本文将重点介绍纯电动汽车热泵型整车热管理系统的开发技术研究，包括系统概要、V字形开发流程、功能和性能定义、性能分解和匹配、仿真预测、控制系统以及试验验证等方面的内容。

纯电动汽车热泵型整车热管理系统概要

为了改善纯电动汽车低温续驶里程的衰减问题，非热泵型和热泵型两种整车热管理系统已经被广泛采用。实际开发中可以根据纯电动汽车的车型级别和性价比，选择整车热管理系统的类型。

如图 1 所示的非热泵型整车热管理系统，低温环境下的加热功能主要为：采用 PTC 对乘员舱进行加热， 行车工况下把电驱动系统和电池、空调的水回路在低温下联通，实现电机余热回收并给电池包进行加热等功能，同时对乘员舱及电池温度实施智能控制。该方案可将电池能量较好地转化为用户所要求实现的动力经济性目标，满足用户对三电系统及乘员舱的加热和冷却需求，同时保证三电系统在高温条件下的热安全，控制系统及热管理回路相对简单容易实现，总成本较低。

图 1 带电机余热回收的非热泵型整车热管理系统

图 2 所示的热泵型整车热管理系统是在非热泵型整车热管理系统的基础上，把其核心部分变更成使用 R134a 制冷剂的热泵系统，给整车热管理系统提供合适的冷源和高效的热源。为了进一步改善整车热管理性能，还需要对三电系统提出电机和电池 热管理的相关改善措施。图 2 中制冷剂回路的控制阀组实现热泵的制热和制冷功能，正在申请专利， 在此不便公开。

图 2 带电机余热回收的热泵型整车热管理系统

热泵型整车热管理系统的 V 字形开发流程

目前整车热管理系统开发采用了如图 3 所示的 V 字型开发流程，强调系统开发要有顶层设计理念， 系统功能和性能定义要满足整车要求，零部件匹配选型要有仿真在内的科学计算工具。控制系统功能性能的实现要与台架和整车试验验证有机结合。

图 3 热泵型整车热管理系统开发流程概要

功能和性能定义

系统功能方面，有别于传统燃油车热管理系统服务于发动机冷却和冷暖空调系统的功能需求，纯电动车的服务对象为电驱动、电池和乘员舱，其中电池的温度适应范围更窄，对热管理系统的功能要求更高。一般来说，一个完整的整车热管理系统应该具备表 1 所示的 9 种基本功能模式，可根据其他具体需求，组成满足适用于不同环境温度（极低温、 低温、常温、高温）和不同的车辆行驶状态（快充、 有或无爬坡行驶、低速或高速行驶）的 30 多种的组合功能模式，满足车辆各种使用要求。

表 1 热管理系统的基本功能需求

由于整车驱动方式和补能方式的变化，整车热管理的设计目标和设计工况也与传统燃油车有较大区别，总体可以分为 3 类：系统热安全指标、热舒适性指标、全气候用户使用便利性指标（以 EVTEST 为主），见表 2。

表 2 整车设计考核工况

表2 中全气候使用利便性的 4 个指标体现了开发车型的竞争力，直接关系到用户的体验评价，热安全、热舒适性两类目标是必达目标。三类性能目标要同时考虑，保证系统性能均衡协调。

性能分解和匹配

为保证全气候使用便利性、整车热安全和热舒适性等性能目标的达成，需要将整车性能向子系统和零部件进行分解，影响性能达成的因素和分解过程如图 4 所示。

对于低温续驶里程衰减率，可先根据电池包定义的浸车终止温度计算得到电池包的初步保温要求；再根据电池包定义的续驶时平衡温度和电驱动系统余热可利用量，计算得到电驱动系统的保温要求；随后可根据电池包低温放电性能和低温续驶里程衰减率要求，分解计算得到压缩机和低压附件的能耗要求；最后依据低温续驶工况时乘员舱的负荷， 得到空调系统的低温能效比要求。

图 4 性能分解思路

对于高温续驶里程衰减率，可根据电池包高温 放电性能和高温续驶里程衰减率要求，分解计算得到压缩机和低压附件的能耗要求；然后依据高温续驶工况时乘员舱的热负荷，得到空调系统的高温能效比要求。

对于低温快充时间延长率，可先根据电池包的 初步保温要求，计算得到电池包浸车后的初始温度；再根据整车充电策略和低温快充时间增加率要求，计算得到快充时电池包的加热功率要求。

对于高温快充时间延长率，可先根据电池包的初步保温要求，计算得到电池包浸车后的初始温度；再根据整车充电策略和高温快充时间增加率要求，计算得到快充时电池包的冷却功率要求。

对于热平衡考核工况和空调性能考核工况，先计算得到各工况下电池包、电驱动系统、乘员舱的冷热负荷，即可确定几个关键换热器的散热量和制冷剂阀选型要求；然后根据制冷剂的状态计算得到压缩机的选型要求；随后根据进风量和水流量等要求，确定各换热器的散热能力选型要求；最后根据进风量要求和前端模块进风量三维仿真确认风扇和前端换热器的风阻选型要求，根据水流量要求和流阻仿真确认水泵性能和各换热器的水阻选型要求。同理，可计算定义空调箱内蒸发器、暖风芯体和鼓风机的选型要求。

仿真预测

根据热管理系统的开发进度，系统仿真预测在不同阶段有不同的仿真目的，相应的模型复杂度也在不断演进，仿真精度不断提升，如图 5 所示。

图 5 系统开发与仿真目的

在概念设计阶段结合零部件匹配选型进行子系统的性能仿真校核，因篇幅所限不在此详述。在详细设计阶段，需要对整车性能进行可达成性验证， 有别于燃油车热管理系统的独立性，纯电动车热管 理系统高度耦合，需要将各系统进行联合建模，并加入一定控制策略，如图 6 所示。

图 6 整车热管理系统仿真模型

对整车的热安全、热舒适性和高低温续驶里程等关键设计要求进行预测，在实车试验前期进行性能的可达成性判断。如图 7 所示的部分仿真结果表明，低温（-7°C）EV-TEST 试验过程中，压缩机功耗与非热泵型整车热管理系统相比大大降低，有助于提升低温下的续驶里程。

如需进一步对控制参数进行标定，需要将物理模型与 Matlab-Simulink 控制模型进行耦合仿真。

图 7 低温续驶工况下的电池 SOC 和压缩机功耗

控制系统

控制系统硬件

根据整车功能规范编写的热管理控制软件集成 在动力域控制器中，乘员舱自动空调的控制软件集成在车身域控制器中，不再使用独立的整车热管理和自动空调的控制器硬件。

图 8 整车热管理控制系统的硬件配置

控制系统软件概要

热管理系统控制软件需要根据整车热管理控制功能规范的要求，控制电池热管理回路、电驱动（电 机和电控）热管理回路和乘客舱空调回路的运行， 热管理功能模式要根据三者的需求综合判定。整车热管理系统运行过程中，首先接收 BMS 发出的电池热管理请求、AC 发出的乘客舱需求，以及电驱动系统发出的热管理请求，再通过判断车辆充电状态、车速信息、环境温度等辅助信号，综合判断确定当前的热管理功能模式状态，把控制信号发送给热管理系统的各个受控零部件，零部件执行相应的控制策略实现所需的热管理功能模式。

图 9 整车热管理系统软件的内部分

控制软件分成 4 层，第 1 层为热管理软件主体， 第2层分为信号处理、模式状态控制、两个子系统（水 系统和制冷剂系统）的控制和诊断的软件模块，第 3 层是第 2 层的细节策略，第 4 层是传感器和执行器诊断软件模块下的各执行器零部件的诊断程序。

试验验证

台架标定和试验验证

纯电动汽车热泵型整车热管理系统开发过程中，需要先进行热泵性能台架验证，然后再进行整车热管理系统环模标定和道路标定，最后进行整车高低温性能验收，考核整车热管理性能是否达标。

热泵型整车热管理系统性能台架标定重点需要对制冷剂系统的制冷和制热性能进行标定测试，确保系统高效稳定运行。为了进一步验证整车热管理系统，可以增加部分水回路，验证部分整车热管理系统功能，如图 10 所示。

图 10 热泵型整车热管理系统台架示意

通过热泵性能台架，快速验证系统性能，并对压缩机转速、膨胀阀开度、阀前过冷度等物理量进行初步标定。表 3 是针对某乘用车热管理系统性能 台架标定的初步结果。热泵模式下整车热管理系统的制热 COP 及制热量满足设计要求。

表 3 热泵性能台架部分工况标定

环模和试验验证

完成台架标定后，需进一步在实车上验证整车热管理系统性能。验证前需对整车热管理系统零部件状态和整车气密性进行检查，确保整车状态符合设计要求。在进行整车热管理系统环模标定时， 通常包括最大降温、最大升温、各个重要标定量的线性扫描标定以及整车使用工况下热管理系统能耗等，见表 4。对乘员舱升降温策略、电池包加热冷却策略、除霜除雾策略、电池乘员舱同时加热或制冷策略进行详细标定和验证。

表 4 整车环模标定部分工况

路试标定和试验验证

经过充分的环模验证后，还需要进行寒区、热区及春、秋季的道路适应性标定，以此确保整车热管理系统满足用户使用要求。对于国内汽车企业来说，热区试验基本在夏季（7 月、8 月和 9 月）的吐鲁番进行，寒区试验基本在冬季（12 月、1 月和 2 月）的黑河、漠河等地进行，春秋季标定则各有不同。

结论

本文结合纯电动汽车的整车热管理系统实际开 发过程，深入研究了整车热管理系统开发的各项开发技术，通过对实际车型的整车热管理功能和性能的试验验证，得出以下结论：

（1）纯电动汽车整车热管理系统开发的成功需 要基于V字形开发流程的一系列开发技术，已经通过实际车型的整车热管理系统开发实践逐步完善了各项开发技术。

（2）整车热管理性能指标的达成，除了热泵型 整车热管理系统本身的性能目标达成以外，还需要三电系统的核心零部件，特别是电池和电机的热管理性能改善措施的进一步支撑。

以往整车热管理系统开发，常常是主机厂和系 统供应商的合作开发，但系统供应商起到了系统集成的关键作用。随着整车热管理系统的高度耦合化、集成化和智能化，今后建议以主机厂为主进行系统集成、供应商协作的合作方式，主机厂统筹整车热管理系统高性价比目标的实现，供应商主要在提供高性能的核心零部件方面起到关键作用。主机厂深入研究V开发流程中的系统集成各项关键开发技术，对研究开发高效可靠的纯电动汽车整车热管理系统具有重要意义。