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儲熱與熱泵集成的全氣候電動汽車整車熱管理技術(shù)

01研究背景

國務(wù)院發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》明確指出，到2035年純電動汽車將成為新銷售車輛的主流，公共領(lǐng)域用車全面電動化。然而，純電動汽車在低溫下乘員艙熱需求激增，普遍存在低溫續(xù)駛里程大幅縮水的問題，對于乘員艙空間更大的電動公交車而言問題更為嚴(yán)峻。德國弗勞恩霍夫交通和基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)研究所研究表明，電動客車在-5-0℃時單位里程能耗大約是15-25℃時的兩倍。而在中國的“三北”等嚴(yán)寒地區(qū)，冬季氣溫最低可降至-40℃以下。純電動客車的低溫環(huán)境適應(yīng)性差等問題已經(jīng)成為制約公共領(lǐng)域用車全面電動化的瓶頸，如圖1所示。

儲熱與熱泵集成的全氣候電動汽車整車熱管理技術(shù)研究課題由北京理工大學(xué)機械與車輛學(xué)院謝鵬副研究員承擔(dān)。課題針對低溫環(huán)境下電動汽車?yán)m(xù)駛里程大幅縮水、熱車時間慢、用車體驗差等問題，通過創(chuàng)新性的部件與系統(tǒng)設(shè)計，結(jié)合模型仿真與實驗研究，提供儲熱與熱泵集成的整車熱管理解決方案，并驗證該方案的可行性與有效性。

圖1 國內(nèi)純電動汽車接入統(tǒng)計圖與全國氣溫實況分布圖

2.1 高密度相變蓄熱器設(shè)計與臺架搭建

以鋁硅合金為儲熱材料，本文提出了一種儲熱裝置設(shè)計方案，其原理如圖2所示。儲熱裝置將鋁硅合金封裝于罐體內(nèi)，罐體采用耐高溫耐腐蝕并且高導(dǎo)熱的碳化硅材料制作，罐體外側(cè)設(shè)置用于給裝置充熱的電加熱部件，然后包裹氣凝膠隔熱層對裝置保溫隔熱。罐體內(nèi)布置換熱管道，用于從儲熱裝置內(nèi)取熱。所采用的鋁硅合金的物性參數(shù)如表1所示。

圖2 儲熱裝置原理示意圖

表1 鋁硅合金相變儲熱材料的物性參數(shù)

為獲取儲熱裝置的工作特性，進一步設(shè)計了儲熱裝置實驗臺架，如圖3所示，搭建完成的實驗臺架如圖4所示。

圖3 儲熱裝置實驗臺架示意圖

圖4 儲熱裝置實驗臺架

2.2 儲熱裝置對整車低溫性能的影響分析

針對某款搭載了熱泵空調(diào)的11.5m純電動公交車，搭建了耦合儲熱裝置的整車系統(tǒng)一維仿真模型，如圖5所示?；诜抡婺Ｐ?，探究了不同容量的儲熱裝置對低溫續(xù)駛里程與熱車時間的影響。

圖5整車系統(tǒng)一維仿真模型

i. 結(jié)合儲熱的熱管理系統(tǒng)控制策略

針對圖5所示的整車熱管理系統(tǒng)，本文提出一種結(jié)合規(guī)則控制與PID控制的整車低溫環(huán)境熱管理控制策略，如圖6所示。在乘員艙熱管理系統(tǒng)中，供熱裝置包括熱泵空調(diào)、儲熱裝置和風(fēng)暖PTC加熱器。因此，以乘員艙溫度與目標(biāo)溫度的差值作為輸入，分別采用PID控制調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速、儲熱裝置空氣流量與空氣PTC加熱器的功率，以維持乘員艙溫度在目標(biāo)溫度附近。當(dāng)乘員艙溫度低于目標(biāo)溫度時，優(yōu)先用儲熱裝置供熱。當(dāng)儲熱裝置中PCM溫度小于50℃時，儲熱裝置放熱結(jié)束。當(dāng)儲熱裝置處于滿負(fù)荷供熱仍無法滿足乘員艙熱需求或儲熱裝置放熱結(jié)束時，熱泵空調(diào)開啟；當(dāng)環(huán)境溫度小于-15℃時，熱泵空調(diào)停止運行。只有當(dāng)熱泵空調(diào)與儲熱裝置處于滿負(fù)荷供熱或兩者都無法工作，且無法滿足乘員艙熱需求時，PTC加熱器才會開啟。同時，要滿足乘員艙的入風(fēng)溫度不超過40℃。對于除壓縮機外的其他流體機械元件，包括各個水泵、鼓風(fēng)機、風(fēng)扇，采用開關(guān)規(guī)則控制的方式調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，以配合各熱管理子系統(tǒng)在不同工作模式下運行。在進行任意的規(guī)則控制時，都設(shè)置了合適的滯回閾值，以提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖6 整車熱管理系統(tǒng)控制策略

ii. 不同容量的儲熱裝置對低溫續(xù)駛里程的影響

在車上增設(shè)儲熱裝置負(fù)擔(dān)乘員艙的供熱可以減少乘員艙熱管理電耗，從而有望延長電動汽車的低溫續(xù)駛里程。為探究不同環(huán)境溫度下，儲熱裝置的容量配置對整車低溫性能的影響規(guī)律，在-10℃、-20℃、-30℃、-40℃下，增設(shè)了不同容量的儲熱裝置進行仿真。

仿真條件：環(huán)境壓力為1bar，相對濕度為40%，不考慮海拔變化及坡度影響，車內(nèi)初始溫度與環(huán)境溫度相同，乘員艙目標(biāo)溫度為15℃，車速工況即開門行為如圖7所示。

圖7 CHTC-B車速工況與開門行為

仿真結(jié)果如圖8所示。以-40℃的仿真結(jié)果為例，儲熱容量持續(xù)增加時，乘員艙熱管理電耗逐漸減少（圖8（a）），續(xù)駛里程逐漸增加（圖8（b））。當(dāng)儲熱容量達到110kWh時，乘員艙熱管理的電耗降至最低，僅約2.6kWh；同時，續(xù)駛里程大幅提升至58.4km，約為基準(zhǔn)模型27.1km的2.15倍。此時，儲熱裝置恰好能夠滿足整個行駛工況下乘員艙的熱需求。若繼續(xù)增加儲熱容量，額外的儲熱量無法得到利用，而更多的額外質(zhì)量反而會增加汽車行駛的功耗，導(dǎo)致續(xù)駛里程下降。由此可以確定，-40℃時的最優(yōu)儲熱容量為110kWh，此時儲熱裝置的質(zhì)量為445kg，體積為189L，制造成本約為11550元。在常溫下，儲熱裝置所增加的整車質(zhì)量會導(dǎo)致1.79%的續(xù)駛里程損失。其他溫度下最大儲熱容量的儲熱裝置帶來續(xù)駛里程影響及其特性參數(shù)如表2所示。可以看出，在電動公交車上增設(shè)儲熱裝置不僅能顯著提升低溫工況下的續(xù)駛里程，而且隨著環(huán)境溫度的降低，續(xù)駛里程的增幅越明顯。同時，金屬相變儲熱裝置憑借其高儲能密度和低成本的優(yōu)勢，所帶來的額外質(zhì)量、體積和成本增加相對較小。即便在氣候較溫暖、儲熱裝置不啟用的情況下，配置的儲熱裝置對續(xù)駛里程的影響也不足2%，顯示出良好的實車應(yīng)用前景。

(a) 不同溫度下儲熱容量對乘員艙熱管理電耗的影響 (b) 不同溫度下儲熱容量對續(xù)駛里程的影響

圖8 不同低溫環(huán)境下不同儲熱容量對整車能效的影響

表2 不同低溫環(huán)境下最優(yōu)儲熱容量的儲熱裝置特性參數(shù)及其對續(xù)駛里程的影響

iii. 不同容量的儲熱裝置對熱車時間的影響

儲熱裝置在低容量下也能擁有較高的放熱功率，可以利用這一特性幫助電動汽車在低溫下縮短乘員艙升溫時間，實現(xiàn)快速熱車。首先對整車基準(zhǔn)模型進行汽車?yán)淦饎臃抡妫囕v靜止且不考慮開門行為帶來的熱負(fù)荷，車內(nèi)初始溫度為環(huán)境溫度，當(dāng)乘員艙溫度達到15℃時認(rèn)為熱車完成，所花費的時間作為熱車時間。得到汽車在不同溫度下冷啟動所需的熱車時間，如圖12所示。由圖可知，當(dāng)環(huán)境溫度大于-15℃，熱泵能夠運行時，乘員艙供暖功率充足，熱車時間較短。而當(dāng)環(huán)境溫度小于-20℃時，熱泵難以正常工作，乘員艙供暖功率有限，熱車時間大幅增加，在-40℃時需要約1小時的時間才能完成熱車。

故而主要探究配置不同容量的儲熱裝置在極寒環(huán)境下對熱車時間的影響。分別在-20℃、-30℃、-40℃下進行電動公交車?yán)淦饎臃抡?，得到圖9與表3?？梢钥闯?，在極寒環(huán)境下，增設(shè)一個小容量的儲熱裝置可以大幅縮短熱車時間。在-20℃時，增設(shè)一個2kWh的儲熱裝置就能將熱車時間從1141s減少到461s，降幅約60%。在-40℃時，增設(shè)一個8kWh的儲熱裝置可以將熱車時間從3556s大幅降低到1256s，降幅約65%。而一個8kWh的儲熱裝置質(zhì)量約為35kg，體積約為23L，對公交車的載重影響非常有限。

(a) 整車基準(zhǔn)模型在不同溫度下冷起動的熱車時間(b) -40℃下熱車時間隨儲熱容量的變化

(c) -30℃下熱車時間隨儲熱容量的變化 (d) -20℃下熱車時間隨儲熱容量的變化

圖9 儲熱容量對熱車時間的影響

表3 極寒環(huán)境下儲熱裝置容量配置參數(shù)及其對熱車時間的影響

綜上所述，在低溫環(huán)境下，純電動公交車在運行過程中頻繁的開關(guān)門行為會導(dǎo)致乘員艙熱需求大幅增加，從而造成續(xù)駛里程的嚴(yán)重衰減。增設(shè)儲熱裝置則能有效分擔(dān)乘員艙供熱負(fù)荷，降低行車電耗，延長低溫續(xù)駛里程。在-10℃時，配置55kWh儲熱裝置幾乎可以滿足行駛過程中全部的乘員艙熱需求，使續(xù)駛里程提升25.6%；而在-40℃時，增設(shè)110kWh儲熱裝置可實現(xiàn)續(xù)駛里程延長115.5%。配置較小容量的儲熱裝置即可顯著縮短電動公交車的熱車時間。在-20℃條件下，配置2kWh儲熱裝置能將熱車時間從1141s縮短到461s，降幅約60%；在-40℃時，增設(shè)8kWh儲熱裝置可以將熱車時間從3556s縮短到1256s，降幅約為65%。

以上研究表明，采用相變儲熱供熱方案，不僅能夠有效延長嚴(yán)寒地區(qū)純電動公交車的低溫續(xù)駛里程，還能顯著縮短熱車時間，提高乘員艙的熱舒適性。同時，該方案在體積、重量和成本上的增加均處于可接受范圍內(nèi)，有助于零排放純電動公交車在嚴(yán)寒地區(qū)的推廣，進一步推動公共交通的全面電動化進程。

2.3 儲熱-電池容量協(xié)同優(yōu)化框架

由前文可知，基于高溫金屬相變材料的儲熱裝置具有高導(dǎo)熱率、高儲能溫度、高能量密度、低成本等優(yōu)勢。對于固定線路的商用電動客車，因冬季供暖工況的電耗要遠(yuǎn)超夏季制冷工況，除去冬季往往存在電池容量冗余的情況。因此，為提升電池壽命、降低運行成本，可將部分電池容量替換為儲熱容量。因此，針對北京市某城市客車線路的一款純電動客車，提出了一種儲熱-電池容量協(xié)同優(yōu)化框架（如圖 10所示），獲取最優(yōu)電-熱儲能配比。

圖 10 儲熱-電池容量協(xié)同優(yōu)化框架

為確定最優(yōu)儲能配比，以續(xù)駛里程、乘員艙平均溫度為約束，電池老化、儲能系統(tǒng)質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，采用了多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法對電熱儲能配置開展多目標(biāo)優(yōu)化。

優(yōu)化模型的構(gòu)建旨在確保車輛運行需求的前提下，同時優(yōu)化儲能系統(tǒng)容量與減緩電池老化。優(yōu)化變量包括電池串聯(lián)數(shù)量、并聯(lián)數(shù)量以及儲熱裝置中相變材料的充注量?；谶@些變量可計算出電池容量與儲熱容量。為確保該客車在兩次充電間隔內(nèi)完成運營，需施加電池SOC約束條件。因儲熱裝置只能在冬季使用，為避免不合理容量配置導(dǎo)致除制熱工況外的其他工況電池老化過大，電池老化優(yōu)化目標(biāo)中同時考慮了夏季制冷工況。

因儲熱容量相對較大而電池容量較小時，冷啟動階段結(jié)束后可能出現(xiàn)儲熱裝置單獨供暖的情況，這將導(dǎo)致電池能耗水平低于夏季制冷工況，因此也考慮了夏季制冷工況?？团撈骄鶞囟燃s束反映了車輛熱管理系統(tǒng)穩(wěn)定運行后的艙內(nèi)溫度狀態(tài)。由于乘員艙溫度會隨車速波動，同時考慮到車輛冷起動階段，該約束條件被適當(dāng)放寬至合理區(qū)間。

優(yōu)化方案的帕累托前沿如圖 11（a）所示。通過TOPSIS算法評估后，本研究確定了最優(yōu)解方案。經(jīng)優(yōu)化后的系統(tǒng)配置了318kWh動力電池與83kWh儲熱裝置，較原始338.4kWh純電池配置減少了20kWh的電池容量。如圖 11（b）所示，最優(yōu)方案雖然提升了整車儲能系統(tǒng)質(zhì)量，但通過減少單次運行電池的放電深度，延緩了電池老化，進而降低了整車運行成本（詳見2.4節(jié)）。同時電熱協(xié)同供暖有效提升了乘員艙的平均溫度，保證了乘客的熱舒適性。

圖 11 優(yōu)化結(jié)果：(a)帕累托前沿；(b)優(yōu)化目標(biāo)與約束對比

表 4 優(yōu)化結(jié)果對比

2.4 配備儲熱的純電動客車年均運行成本分析

為進一步展現(xiàn)儲熱裝置的應(yīng)用優(yōu)勢，本研究對比分析了配置與未配置儲熱裝置的電動客車運行成本。運行成本由年均充電成本（C1）、年均車身購置成本（C2）、年均儲能系統(tǒng)購置成本（C3）、年均車身退役回收成本（C4）及年均儲能系統(tǒng)退役回收成本（C5）組成，通過計算車輛運行總成本與車輛服役年限計算得來。

圖 12年均運行成本分析：(a)對比最優(yōu)方案與原始方案的年均電耗、年均老化與服役年限；(b)對比原始方案與最優(yōu)方案的年均運行成本

如圖 12（a）所示，因電熱協(xié)同供暖顯著降低了電池電流，最優(yōu)方案的年均電池老化較原始方案降低了12.5%（從3.09%降至2.70%），從而相應(yīng)延長了12.5%的使用壽命（6.5年至7.4年）。因為服役年限的延長整體降低了年均運行成本，由圖 12（b）所示，最優(yōu)方案的年均運行成本為266815元/年，較原始方案（289533 元 /年）平均每年節(jié)省了7.8%（22718 元）的運行成本。

03、下一步工作計劃

針對極寒地區(qū)純電動乘用車開展儲熱裝置工程化應(yīng)用研究。純電動汽車因冬季續(xù)駛里程嚴(yán)重衰減等行業(yè)難題，制約了我國純電動汽車全面推廣。解決此問題的一大技術(shù)路徑就是采用儲熱裝置為乘員艙供暖，減少乘員艙熱管理電耗，以此來提升車輛續(xù)駛里程?？紤]乘用車內(nèi)部空間相對較小的情況，采用小容量儲熱裝置為乘員艙供熱，同時充分利用電池?zé)崛葺^大、可通過水路取熱的特點，結(jié)合儲熱裝置與電池自儲熱，解決極寒地區(qū)純電動乘用車的供暖問題。其中，小容量儲熱裝置可在日常通勤、短途出行中替代PTC為乘員艙直接供熱，減少低效率供熱比例；同時熱泵可通過水路取出預(yù)先儲存在電池內(nèi)部的熱量，避免環(huán)境溫度過低、蒸發(fā)器結(jié)霜等因素導(dǎo)致的制熱功率不足的情況，協(xié)同儲熱裝置為乘員艙供熱。