增程式电动汽车热管理系统一维热安全仿真和试验验证

本文主要对增程式电动汽车热管理系统热安全性能进行了一维仿真模型搭建及仿真分析,预测了四种热安全工况下冷却液温升情况，并将仿真结果与试验结果进行了对比，发现热管理系统冷却液温升趋势基本一致，温升幅度基本相同。此外，还通过一维仿真探究了动力电池不同初始 SOC对热管理系统冷却液温度的影响。

关键词：增程式电动汽车；热管理系统；热安全；一维仿真；试验验证

作者：胡彬莹，王小碧，施睿，王伟民，强健伟，徐人鹤

东风汽车集团有限公司技术中心，湖北省武汉市

汽车工业是支持我国经济持续发展的重要支柱[1]。全球变暖、化石能源日益减少以及环境污染等问题日益突出，传统燃油汽车作为主要的石油资源消耗者，发展大大受限，寻找新型绿色能源交通工具迫在眉睫，新能源汽车应运而生。在工信部编制的《汽车产业中长期发展规划中》提到，到2025年新能源汽车销量占汽车总销量的20%以上。

我国鼓励发展的新能源汽车车型主要包括纯电动汽车、混合动力汽车及燃料电池汽车。其中纯电动汽车虽然具有无污染、能源消耗低等优点，但现阶段动力电池成本较高，能量及功率密度低等技术难点制约了纯电动汽车的发展；燃料电池汽车受燃料电池安全性及使用材料等方面的因素，现阶段发展也受到很大制约。增程式电动汽车具有排放少、无需复杂的机械传动装置及可增加续驶里程等优点，在动力电池技术发展瓶颈之际，是向纯电动汽车过渡的最佳技术方案之一。增程式电动汽车热管理系统的保护对象多，包括增程器（专门用于发电的发动机）、电驱动（电机、发电机、电机控制器等）和电池等动力总成核心部件，系统十分复杂，如何保证整车热管理系统的热安全，是个很有挑战性的新课题。

01增程式电动汽车热管理系统的组成

增程式电动汽车动力系统构成

增程式电动汽车是一种在纯电动汽车基础上增加一台辅助动力单元（Auxiliary Power Unit, APU） 的电动汽车，辅助单元通常为发动机与发电机组合而成的系统[2]。增程式电动汽车动力系统如图 1 所示，主要由驱动电机、增程器（包括发动机与发电机）、动力电池及其他相关功率部件组成。在车 辆行驶过程中，车辆完全由驱动电机进行驱动，动力电池作为主要动力源优先使用，小排量的发动 机作为辅助动力源。当车辆收到大功率请求或动力电池电量较低时，增程器启动发电。

增程式电动汽车热管理系统构成

增程式电动汽车动力舱是一个相对复杂的热交换环境，不但有发动机冷却系统与空调系统，还有动力电池热管理系统及电驱动电气系统，它们之间的热交互使热管理系统前端模块的设计具有复 杂的相关性。 

增程式电动汽车动力舱的散热装置主要有发动机散热器、空调冷凝器、电池冷却器、电驱动系 统散热器、润滑油冷却器及中冷器等等，可作为独立模块或串接组合散热。由于动力舱空间限制， 本文提到的增程式电动汽车热管理系统前端模块设计如图 2 所示。

增程式电动汽车热管理系统主要增程器（专门用于发电的发动机）、电驱动（电机、发电机、电机控制器等）和电池等冷却加热系统、空调系统等。一般采用非热泵系统提供高温下的冷源和低温下的热源。

基于前面对动力舱内热交互过程分析，在满足各散热部件要求前提下，综合考虑热量的利用交换及动力舱内空间问题，提出了一套系统互相耦合的热管理系统方案，原理图如图3所示。采用高温散热器（HTRAD）对发动机系统进行冷却；采用水冷中冷器（WCAC）对增压空气进行冷却，换热后的水利用机舱内独立的中冷器用低温散热器（LTRADFORCAC）进行冷却；采用低温散热器（LTRAD）对电驱动系统进行冷却。

由于动力电池与乘员舱的适宜温度范围存在交集，高温工况下利用制冷剂回路给动力电池及乘员舱降温，低温纯电工况下利用PTC给动力电池及乘员舱加热。

增程式电动汽车在纯电动汽车的基础上增加了增程器，为乘员舱的采暖增加了一个可利用的热源，根据车辆不同使用场景利用PTC或发动机废热对动力电池或乘员舱加热。

02增程式电动汽车热管理系统的建模

本文选择一维仿真软件 GT-SUITE 软件作为仿真分析工具，GT-SUITE 软件是由美国 Gamma Technologies 公司开发的多物理场仿真分析系列套装软件，主要应用于车辆行驶系统分析、热管理系统分析、空调系统分析、锂电池/燃料电池电化学分析、发动机仿真分析等领域。

整车系统模型构建

依据本文所描述增程式电动汽车动力系统构型，利用 GT-SUITE 软件中发动机模型库、电机模型库、动力电池模型库、发动机模型库等部件建立整车行驶模型，构建模型如图 4 所示。

在车辆行驶过程中，优先使用动力电池给驱动电机供电，驱动车辆行驶，这个过程为纯电动模式；当电池电量下降到一定限值，增程器启动发电机给驱动电机供电，同时为动力电池充电。

整车热管理系统模型构建

本文中整车热管理系统一维模型主要根据图 3 热管理系统原理图搭建而成，一维模型如图 5 所 示。

整车热管理系统模型主要包括七个部分，分别为整车行驶模型（图 4 所示）、发动机冷却系统、 电驱动冷却系统、制冷剂系统、暖风回路、动力电池热管理系统及中冷器冷却系统。

 图 6 为发动机冷却系统模型，通过搭建发动机大小循环回路模拟发动机冷却与废热利用过程。主回路连接高温散热器，用于发动机冷却；旁通回路通过节温器连接暖风回路，实现发动机废热回 收利用。

图 7 为电驱动系统冷却系统模型，此处将发电机、驱动电机及电机控制器简化为质量块来模拟与环境及水套之间热交换。

图 8 为制冷剂系统模型，模拟乘员舱与动力电池降温。

图 9 为暖风回路模型，主要模拟乘员舱及动力电池的加热。通过三通阀连接发动机旁通回路， 实现发动机废热利用。

图 10 为电池热管理系统模型，通过 chiller 与暖风回路及制冷剂回路联接实现升降温。

增程式电动汽车热管理系统控制策略

本文主要通过一维仿真方法预测增程式电动汽车热管理系统热安全风险，故本节主要描述热安 全考核工况下的控制策略，此时整车行驶模式为增程模式。

增程器控制策略

考虑 NVH 性能要求以及发动机运行负荷情况，设定增程器与动力电池按需求功率的不同占比提 供输出功率。图 11 为动力电池在不同 SOC 情况下功率输出占比。

考虑 NVH 性能指标及发动机本身工作情况，本文使用增程器的发动机工作转速范围为 1600rpm 到 4500rpm 之间。根据发动机输出功率不同，发动机工作点分为五档，不同档位对应一个发动机工 作转速，划分原则如表 1 所示。

为避免发动机转速由于输出功率的变化出现频繁跳动，需对发动机功率临界点设定一个止回值。

热管理系统控制策略

在热管理系统工作过程中，控制器针对传感器采集的信号进行分析与响应，控制系统根据请求信号，对压缩机、电磁阀、电子膨胀阀、水泵、风门及电子风扇等部件进行控制，以满足热管理系统要求。

本文主要对增程式电动汽车热管理系统热安全考核工况进行仿真研究，表 2 为此工况下热管理 系统主要控制部件控制策略。

03增程式电动汽车热管理系统仿真分析

仿真初始条件

本文主要研究增程式电动汽车热管理系统热安全工况，根据企业标准制定表 3 所示热安全工况 边界条件。图 4 为热安全工况工作模式。

仿真结果分析

在环境温度较高时，热管理系统需要保证行车安全。在车型项目开发前期，需要采用仿真手段 识别风险。因此，本节主要对不同工况下各动力部件负荷较高时的温度变化进行仿真分析。

热安全工况仿真结果分析

图 12 为四种热安全工况下动力电池 SOC 变化曲线。工况 1 为驻车发电工况，电池 SOC 随时间 的增长一致在增加。工况 2 到 4 为行车工况，动力电池初始 SOC 为 90%。随着整车行驶时间的增加，电池 SOC 一直在降低。

图 13（a）与（b）分别为四种热安全工况下发动机转速与输出功率曲线。发动机转速根据发动 机输出功率不同对应不同转速。驻车工况下，发动机以恒定功率给电池充电。在工况 2 到 4 情况下， 由于电池 SOC 一直在下降，发动机输出功率一直增加。

图 14 为四种热安全工况下发动机出口水温变化曲线。从图上可以看出，在工况 3 与工况 4 情况 下，发动机转速突然增大导致系统流量突然增大，发动机出口水温出现了短暂降低。由于发动机输 出功率一直在上升，发动机出口水温也一直在升高。行车 20min 后，四种工况下的发动机出口水温 均未超过发动机许可水温。

图 15 为四种热安全工况下发电机进口水温变化曲线。随着行车时间增加，工况 2 到 4 发电机进 口水温在持续增加。

驻车发电工况下驱动电机不工作，图 16（a）与（b）为热安全工况 2 到 4 前后电驱动系统进口 口水温变化曲线。行车 20min 后工况 4 电驱动系统进口水温略微超出电驱动系统许可温度，有微弱 热安全风险。