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【热管理】纯电动车低温续航里程提升方法
xingqingzl
>《空调》
2022.12.01 北京
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摘要:
为了解决纯电动车的低温续航里程急剧下降的问题,文章基于磷酸铁锂电池车型在
EV-Test
低温续航测试中的能耗特点,从热管理的维度提出了提升续航里程的方案。采用电池行车加热和电机余热回收,并使用
KULI
、
Cruise
软件联合仿真分析及实车试验对两种方案进行对比分析,证实电机余热回收方案效果更明显,低温续航实际提升
47 km
,低温衰减率降低
11%
。该方案具有较好的普适性。
2021 年,国家出台的“十四五”规划明确聚焦新能源汽车等战略性新兴产业的发展,纯电动汽车的市场前景越来越广阔。从市场反馈来看,续航里程仍是电动车亟待解决的痛点。国内电动
车主要使用三元锂电池和磷酸铁锂电池,电池温
度过高或过低都会导致电池的放电能力下降。低
温环境下车辆采暖需求的能量来自于电池,并且
空调系统能耗对低温续航的影响占比更大。目前
行业上低温续航衰减率一般在 35%~50%,因此,
开展提升电动车的低温续航里程的研究迫在眉
睫。比亚迪的王真分析了低温续航的影响因素[1],
杨阳分析了不同温度下锂离子的充放电特性[2],张
子 琦 , 周 英 杰 等 人 基 于 正 温 度 系 数 ( Positive
Temperature Coefficient, PTC)及热泵采暖方案对
低温续航的增益进行分析[3-4],北京卡达克的朱成
研究了用户习惯对低温续航里程的变化影响[5]。
公
司
某车型在进行 EV-Test 低温续航摸底试验时,实
车低温续航里程较常温状态下降 54%,差于行业
内其他竞品车型的低温衰减率(见图 1)。
针对该
问题,本文从提升电池放电能力的角度出发,研
究了提升低温续航的两种方法。
1 评价方法
EV-Test 是中国汽车技术研究中心有限公司
结合
国内电动汽车标准,针对电动车续航、充电、
安全、动力等性能发布的一个测评规则,其中低
温续航作为续航与电耗性能部分的一项重要指
标。
低温续航测试的试验条件:在(−7±3)℃的
环境温度下进行试验。试验前,车辆充满电,在
该低温环境下浸置 12~15 小时,要求瞬时温度不
低于−13 ℃,不高于−1 ℃。试验时,车辆按照规
定试验质量加载,行驶阻力在常温续航的阻力值
A、B、C 基础上乘以 1.1 倍,封闭车内中、后排
空调出风口,将空调模式设置到外循环吹脚模式,
使车内头部平均温度尽快达到 25 ℃,试验期间尽
量保证车内头部平均温度在 20 ℃~22 ℃范围内。
试验工况在底盘测功机上采用循环乘用车行驶工况
(China Light-duty Vehicle Test Cycle-Passenger Car,
CLTC-P)进行试验(见图 2)。CLTC-P 循环工况
包括低速、中速、高速 3 个速度区间,平均车速
29 km/h,最大车速 114 km/h,每个循环持续 1 800 s,
行驶里程 14.5 km。试验过程中记录车辆完成每个
循环的实际里程数,初始及结束荷电状态(State of
Charge
, SOC)。整个试验过程的总里程数则为车辆
的低温续航里程。
常温续航测试的环境温度为(25±5)℃,试
验时不开空调,整个试验过程的总里程数为常温
续航里程。
式中,R 为低温续航衰减率;DN 为常温续航里程,
km;DL 为低温续航里程,km。
2 机理分析
图 3 为该车型的能量流示意图,其中动力电
池
作为动力源,由高压配电盒分配至电机系统用
于车辆驱动,另一端分配至直流转直流电源(Dir
ect Current/Direct Current, DC/DC)、PTC、压缩机,
其中 DC/DC 输出给低压负载(水泵、风扇、鼓风
机或其他低压用电器),PTC 及压缩机作为高压负
载。车辆具备制动能量回收功能,减速时可回收
一部分能量流入电池。图 4 为该车型热管理原理
图,由电机冷却支路、电池冷却支路、空调制冷
回路、PTC 加热回路四部分组成,其中,PTC 加
热回路与空调制冷回路分别通过一个热交换器与
电池冷却回路实现热量交互,对动力电池进行加
热或冷却。该热管理原理兼顾电机冷却、电池冷
却、电池加热、乘员舱制冷、乘员舱采暖、除霜
功能,其中电池加热、乘员舱采暖或除霜功能使
用水暖 PTC 实现。
试验过程中测取控制器局域网络(Controller
Area Network, CAN)总线上电池输出电流电压、
DC/DC 的输入输出电流电压、电机扭矩及转速、
PTC 需求功率、电池芯体及电机控制器、DC/DC
工作温度等参数。利用数据采集器测取的热管理
原理图中相关的温度、压力。
式中,Em 为整个试验过程中驱动做功,kWh。
电池及 DC/DC 电量按式(
5)计算
(
5)
式中,E 为整个试验过程中电池、DC/DC 对应的
电量,kWh。
由以上公式计算出:
(1)整车能耗组成(基于常温动力电池放电
量),见图 5:驱动系统 51.9%,PTC 消耗 22.5%,
动力电池放电容量减少 21.9%,整车低压消耗
3.6%。
(
2)低温衰减率 54%能耗部分组成,包括四
部分
:
PTC
消耗
22
.5%
,动
力
电
池
放电
容
量减少
21
.9%
,
低温
阻力增
加
9
.5%,
低
压
负
载 3
.6%
,属
于热管理范畴可控的有 PTC 消耗,低压负载(冷
却水泵/鼓风机等),动力电池放电容量减少三部
分。
(
3)针对 PTC 能耗,前期开发中已根据低温
续航工况下乘员舱最低采暖需求,设置 Eco+模式
并限定该模式下 PTC 最大功率 1.5 kW。分析车辆
在稳定阶段的 PTC 功率略低于某竞品车型,由此
可见,在保证热管理原理不变的前提下,优化 PTC
功率的空间较小。
(
4)低压负载由于耗电量较小,优化的空间
较小。
(
5)针对电池的放电容量减少,该车型匹配
的电池为磷酸铁锂电池,受限于电池本身的电化
学特性,其低温衰减率较三元锂电池更高。分析
试验数据发现电池芯体温度上升较慢,电池一直
处于低温状态,初始温度为−2 ℃,至试验结束时
电芯温度上升至 4 ℃,远远低于电芯的最佳工作
温度。另外,试验结束时车辆行驶在工况的高速
区间,瞬时车速为 43 km/h,因车速无法跟随试验
工况所要求的车速,试验终止。终止时电池温度
为 4 ℃,SOC 为 10.9%,超过 10 kWh 电量未正常
放出使用。
(
6)综合电动车高低温续航开发经验,大部
分车型 EV-Test 续航试验均在 CLTC-P 工况高速区
间终止,原因并不是此时电池放不出电,而是由
于电池工作温度过高或过低,导致输出功率满足
不了工况所需求功率。因此,低温环境下提升电
池的工作温度能够增加电池内部的化学活性,从
而提升电池的输出功率。
3 方案优化
如上所述,优化 PTC 及低压负载功率的空间
较小,因此,仅从提升电池放电量的途径进行优化。
提升电池温度的优化方案较多,包括电池包
保温、电池自加热、电池行车加热,电机余热回
收等方案。其中,电池包保温技术已在本车型上
实施应用;电池自加热技术需要重新开发电池包,
开发周期较长,该方案暂不做考虑;因此仅考虑
后两个优化方案的可行性。
使用热管理仿真软件 KULI、动力性经济性仿
真软件 Cruise 搭建热管理简化模型及整车能耗模
型,联合计算不同电池加热方案对续航里程的改
善效果。
3.1 电池行车加热方案
控制热管理原理图的 PTC 加热回路里的电子
三通阀开度,使得整车采暖功能及电池加热工作
同步实施,此时 PTC 能耗有采暖及电池加热两部
分组成。由于 EV-Test 低温续航试验要求车内头部
平均温度需维持至 20 ℃~22 ℃范围内,为保证车
内采暖性能,仿真模型中设定暖风支路加热功率目
标值 1.5 kW。同时为节省 PTC 能耗,电池加热策
略初步设定在≤40% SOC 开启,目标加热电芯温度
10 ℃。通过仿真分析发现,电池放电量增加 4.9 kWh,
续航里程升高至 198 km(见图 6),较原状态增加
10 km。
实车在环境仓测试该方案的改善效果,见表
1,试验结束时,放电深度由原有 10.9%提升至 2.1%,
电芯温度提升至 10 ℃,电池放电量增加 6.9 kWh,
放电量提升 15%,实车续航里程提升 15 km。电池
芯体温度较原状态上升较快,芯体最高温度较原
状态提升 6 ℃(见图 7)。续航里程提升效果仿真
及试验结果基本吻合。
进一步分析发现(见表 2),在 40%~10.9%
SOC 区间,行车加热方案相对原方案电池多放出
2.5 kWh 电量,而 PTC 多消耗 2.3 kWh,用于续航
提升的电量为为两者差值 0.2 kWh。在 10.9%~
2.1% SOC 区间(见表 3),行车加热方案通过给电
池加热,电池多放出 4.3 kWh 电量,同时 PTC 多
消耗 1.1 kWh,用于续航提升的电量为两者之差
3.2 kWh,可推出行车加热方案续航里程的增益主
要体现在后 10.9% SOC 段,在用户实际使用可感
知的前 80% SOC 段,续航里程增益较低。
3.2 电机余热回收方案
目前国内外均对电机余热回收技术在汽车上
应
用进行了一系列研究,如 TIAN Z,AHN J H,
钱程等人研究了余热回收用于空调系统对续航的
影响[6-12]。GAO Y 研究了余热回收在混动车上的
节能表现[13-14]。Tesla Modle3 通过超级水壶实现电
机产热给电池加热。
3.2.1 原理设计
在原有的热管理系统原理上保证空调系统原
理不动,调整电机冷却及电池冷却系统原理,通
过使用一个电子四通阀及一个电子三通阀实现电
机余热回收方案,如图 8 所示。电子四通阀按使
用需求转换通道实现电机冷却回路及电池冷却回
路的独立或热量交互。三通阀在余热回收方式下
将散热器短路,其他模式下根据电池或电机的不
同冷却需求连通散热器与外部空气进行换热。电
池加热的方式由原来的 PTC 加热方式变更为电机
余热回收方式。该模式下,PTC 能耗仅为空调采
暖部分应用。
3.2.2 方案效果评估
根据行车加热实车验证结果,PTC 共消耗
2.8 kWh 电量用于加热电池,并将电芯温度由 2 ℃
加热至 10 ℃。分析摸底试验数据电机母线端电能
及电机做功,整个试验过程中电机产热 4.4 kWh,
其中一部分传递给冷却系统导致冷却液温升,一
部分通过电机本体与外界的对流换热散失。
一定时间内传递至冷却液的热量为
(
6)
式中,Q 为吸热量,
kWh;
Cp 为定压比热容,J/(kg·K);
m 为系统内冷却液质量,kg;
ΔT 为加热前后温差,
K;
dt 为时间,s。
根据前期摸底试验过程中散热器出口水温变
化数据,得知第一个循环内水温由 −6 ℃升高至
20 ℃,由式(
6)计算整个试验过程由于电机发热
传递至冷却系统的热量约 3.5 kWh 左右。
因此,判
定电机余热 3.5 kWh 能满足电池的加热功率需求。
调整热管理简化模型及整车能耗仿真模型,
计算发现,续航里程升高至 243 km(见图 9),较
原状态 188 km 提升 55 km。
3.2.3 实车效果评估
实车在环境舱测试余热回收方案改善效果,
如表 4 所示,试验结束时 SOC 为 1.2%,较原状态
10.9%及行车加热方案 2.1%SOC,整体效果得到明
显改善。
试验结束时电池芯体最高温度 11 ℃,较原
状态电池芯体温度提升 7 ℃,电池多放电 10.2 kWh,
接近电池额定放电量 51 kWh,续航里程提升 47 km,
低温衰减率由原有 54%下降至 43%。
电池温度变
化如图 10 所示,余热回收方案下电池芯体温度上
升明显。
对比续航里程提升仿真及试验结果,两
者基本吻合。
3.3 方案改善效果对比
对比电池行车加热及电机余热回收方案的试
验数据,电机余热回收方案电池放电量高于行车
加热方案,多放出 3.3 kWh 电量,如图 11 所示。
对比续航的改善效果,如表 5 所示,电机余
热回收方案比行车加热方案续航提升明显,较原
状态续航提升 47 km,较行车加热方案续航提升
32 km。
低温衰减率改善方面,余热回收方案较原
状态衰减率下降 3%,较行车加热方案下降 8%。
由于磷酸铁锂的低温衰减较三元锂电池严
重,对比同一车型上匹配额定电量相同的磷酸铁
锂及三元锂电池,发现磷酸铁锂电池低温衰减率
为 21.7%,而三元锂电池则为 12.2%。
因此,通过
电池加热技术,磷酸铁锂电池可提升放电量的空
间更大,续航提升的效果更为显著。
4 结论
通过仿真及实车验证,采用电池行车加热及
电机余热回收方案均对电动车低温续航里程有一
定程度的提升。
对比两个方案的 CAE 及实车续航
里程提升效果,余热回收方案比电池行车加热方
案更优。
通过电池加热技术,低温环境下电量相
同的磷酸铁锂电池较三元锂电池的续航提升效果
更明显。
另外,虽然采用余热回收技术后,电池
的放电量接近额定放电量,但是空调系统采暖能
耗仍占电池放电量的 20%左右,因此,如何优化
空调系统能耗是仍一项挑战。
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