近幾年，由于現(xiàn)代工業(yè)體系使用大量化石燃料，碳排放問(wèn)題成為了國(guó)際社會(huì)日益關(guān)注的重點(diǎn)。中國(guó)為了適應(yīng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的需求，提出了向新能源汽車(chē)轉(zhuǎn)型的相關(guān)政策，例如雙積分法等。在此環(huán)境下，國(guó)內(nèi)各大車(chē)企對(duì)純電動(dòng)車(chē)型的研究投入達(dá)到了前所未有的高峰。純電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展與應(yīng)用成為了當(dāng)今環(huán)境下不可阻擋的趨勢(shì)。眾所周知，純電動(dòng)汽車(chē)在低溫環(huán)境下沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)提供熱源，大多車(chē)型應(yīng)用PTC進(jìn)行制暖。國(guó)鐵楓設(shè)計(jì)了一款電動(dòng)汽車(chē)，該車(chē)型使用了PTC水暖加熱系統(tǒng)。由于PTC為大功率耗電部件，制暖時(shí)對(duì)整車(chē)的動(dòng)力性以及續(xù)航里程產(chǎn)生了一定的威脅，通過(guò)對(duì)策略的優(yōu)化改進(jìn)可以提高PTC制熱時(shí)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)性。朱成等對(duì)低溫環(huán)境下影響純電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程的相關(guān)因素進(jìn)行了深入研究分析。張子琦對(duì)熱泵空調(diào)系統(tǒng)的傳熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，通過(guò)優(yōu)化換熱結(jié)構(gòu)能改善系統(tǒng)的能耗。

曹曉玉通過(guò)AMEsim軟件建立空調(diào)系統(tǒng)模型，研究發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度對(duì)系統(tǒng)能耗有較大的影響。朱波等利用電機(jī)余熱作為輔助熱源，通過(guò)優(yōu)化加熱器的控制策略得到了較低的系統(tǒng)能耗。楊君提出水暖PTC加熱器功率的自動(dòng)化線(xiàn)性調(diào)節(jié)，通過(guò)精確化控制精度降低能耗。本文基于某公司某純電車(chē)型的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，對(duì)控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，增加了對(duì)電驅(qū)余熱的利用，通過(guò)AMEsim軟件與Matlab聯(lián)合仿真驗(yàn)證了該優(yōu)化模型的控制效果。

本文中低溫?zé)峁芾砑訜嵯到y(tǒng)包括對(duì)乘員艙、動(dòng)力電池的加熱。其加熱結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1低溫?zé)峁芾砑訜嵩砜驁D

乘員艙及電池采暖原理:PTC的發(fā)熱量將在乘員艙或電池需要加熱時(shí)為其提供熱源，熱量在水暖回路中經(jīng)過(guò)三通閥調(diào)節(jié)分配支路熱量。隨后通過(guò)暖風(fēng)芯體，利用鼓風(fēng)機(jī)與乘員艙室內(nèi)空氣換熱;或者水暖回路熱量經(jīng)過(guò)三通閥調(diào)節(jié)后，通過(guò)電池板與電池冷卻水回路換熱，電池循環(huán)水路中熱量通過(guò)水泵驅(qū)動(dòng)與電池包換熱。

電池加熱系統(tǒng)中，溫度傳感器位置集成至電池包進(jìn)水口，以反饋出電池水循環(huán)的最高水溫。該回路電池水循環(huán)滿(mǎn)足水泵出口高溫水優(yōu)先流經(jīng)加熱需求高的部件，優(yōu)先流經(jīng)工作時(shí)發(fā)熱功率高的電池包。根據(jù)電池電芯的溫度、電池包進(jìn)水溫度、PTC出水溫度等輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)輸出電池水泵轉(zhuǎn)速、水暖水泵轉(zhuǎn)速、PTC加熱功率等信號(hào)。

該低溫制熱仿真模型由乘員艙模型、水暖回路模型、電池回路模型以及相關(guān)控制模型組成。乘員艙回路根據(jù)工況的不同來(lái)模擬在不同車(chē)速和環(huán)境溫度下大氣環(huán)境與乘員艙內(nèi)前排以及后排室內(nèi)氣體的熱交換仿真。水暖回路由暖風(fēng)芯體、PTC、三通閥、水暖水泵等組成，可根據(jù)乘用車(chē)的需求調(diào)節(jié)三通閥開(kāi)度和水泵轉(zhuǎn)速以控制回路熱焓流率。其中PTC水路流阻特性參數(shù)、三通閥各支路流阻特性、水泵揚(yáng)程流量特性、暖風(fēng)芯體水套流阻特性均由相關(guān)單體測(cè)試試驗(yàn)采集獲得。電池回路由發(fā)熱元件模型、膨脹水壺、電子水泵等組成循環(huán)回路。其中板換流阻特性、水泵揚(yáng)程流量特性、電池包流阻特性均由相關(guān)單體測(cè)試試驗(yàn)采集獲得。電池包流阻特性如圖2所示。

圖2電池包流阻特性

在低溫制熱系統(tǒng)的原模型中，前排腿部溫度過(guò)高將會(huì)通過(guò)PID控制器限制PTC功率的輸出。三通閥的開(kāi)度由電池升溫信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后，通過(guò)PID控制器輸出其開(kāi)度控制信號(hào)。

在低溫加熱過(guò)程中，熱風(fēng)經(jīng)過(guò)暖風(fēng)芯體從乘員艙前后排風(fēng)口吹出，到乘員艙前排腿部位置，有一定的熱量耗散，因此，乘員艙模型需要利用對(duì)標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)標(biāo)定改變乘員艙模型自身屬性參數(shù)，減小與實(shí)際模型之間的誤差。圖3為相關(guān)模型標(biāo)定結(jié)果。

圖3乘員艙模型前排腿部溫度標(biāo)定結(jié)果

為了保證暖風(fēng)芯體仿真模型、板換仿真模型能夠模擬真實(shí)的換熱性能，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，并把標(biāo)定好的參數(shù)應(yīng)用到模型中。此外PTC在水暖回路中的制熱功率、電池包在電池回路中的吸熱功率均需要相關(guān)對(duì)標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型進(jìn)行標(biāo)定。系統(tǒng)模型建立后，測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)制熱性能達(dá)到要求，完成仿真。主要仿真參數(shù)如表1所示。

為了驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，在環(huán)境倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行采暖性能模擬臺(tái)架試驗(yàn)。仿真模型中的PTC、三通閥、水泵的控制邏輯與試驗(yàn)保持一致，仿真與試驗(yàn)保持在同一工況下。

2．2．1試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)開(kāi)始前根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)范選擇測(cè)量點(diǎn)并布置相關(guān)儀器設(shè)備。安裝座足部溫度探頭時(shí)，安裝于座椅位置中間，距離地板表面20～50mm，前后方向距駕駛員頭部測(cè)溫500mm處。試驗(yàn)前按照電動(dòng)汽車(chē)有關(guān)技術(shù)規(guī)定，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行技術(shù)檢查和保養(yǎng)。試驗(yàn)開(kāi)始前保證電池SOC不低于90%。

2．2．2試驗(yàn)方法

1)浸車(chē)降溫階段。將車(chē)輛固定在底盤(pán)測(cè)功機(jī)上，確保試驗(yàn)人員和駕駛員的安全。在環(huán)境溫度為－20±1℃條件下浸置6h以上，使電池充分冷卻，電芯溫度達(dá)到20±3℃，電芯最大溫差≤10℃，即完成車(chē)輛冷車(chē)。

2)溫升階段。司機(jī)進(jìn)入車(chē)內(nèi)，關(guān)閉門(mén)窗及通風(fēng)孔，采暖裝置及風(fēng)量開(kāi)啟并處于最大位置，整車(chē)施加測(cè)試質(zhì)量滑行阻力曲線(xiàn)，啟用吹腳外循環(huán)模式，按表2工況要求進(jìn)行試驗(yàn)，全程記錄各測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)相應(yīng)試驗(yàn)規(guī)范條件，對(duì)乘員艙進(jìn)行采暖性能試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)其浸置，然后按照工況進(jìn)行試驗(yàn)。在仿真時(shí)，可以直接設(shè)置乘員艙內(nèi)的初始狀態(tài)，前后排初始溫度設(shè)為－20℃。電池初始溫度設(shè)為－20℃。相關(guān)試驗(yàn)與仿真結(jié)果如圖4—5所示。

圖4乘員艙前排腿部溫度仿真與試驗(yàn)曲線(xiàn)

圖5電池電芯溫度仿真與試驗(yàn)曲線(xiàn)

在環(huán)境溫度為－20℃環(huán)境下的采暖試驗(yàn)中，仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)大體吻合。由于實(shí)際中的乘員艙為三維立體結(jié)構(gòu)，艙內(nèi)溫度受到內(nèi)部氣流流動(dòng)的影響。在一維模型中無(wú)法對(duì)流體進(jìn)行精確化計(jì)算，將其看作是一個(gè)穩(wěn)態(tài)的內(nèi)部氣體容腔，仿真得到的溫度信號(hào)響應(yīng)落后于實(shí)際出風(fēng)口采集到的腿部溫度。

在車(chē)輛低溫起動(dòng)時(shí)，乘員艙溫度在前400s時(shí)間迅速上升，實(shí)際出風(fēng)溫度出口處的腿部溫度值響應(yīng)快于仿真值，但當(dāng)艙內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定時(shí)，在1300s左右溫升曲線(xiàn)速率逐漸平緩，仿真值能夠很好地反應(yīng)實(shí)際艙內(nèi)溫度，而當(dāng)在2400s車(chē)輛怠速時(shí)，實(shí)際測(cè)試的出風(fēng)口腿部溫度值的升高響應(yīng)也稍快于仿真得到的溫度信號(hào)值，在2600s后前排腿部溫度與后排腿部溫度仿真值與測(cè)試值的差值逐漸降低。電池溫度的仿真值與測(cè)試值溫升基本一致。

在采暖時(shí)保證乘員艙和電池包制熱性能的前提下提高采暖系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，通過(guò)AMEsim軟件在原模型三通閥控制以及PID控制PTC發(fā)熱功率的基礎(chǔ)之上，加入電池回路水泵與水暖回路水泵實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)控制;為了優(yōu)化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，采用MPC控制PTC制熱功率，引入電驅(qū)回路余熱到水暖回路中，降低PTC制熱負(fù)荷。優(yōu)化后的低溫制熱仿真模型如圖6所示。

圖6優(yōu)化后的低溫制熱仿真模型示意圖

控制系統(tǒng)由Matlab/Simulink模塊搭建，其部分控制結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7部分控制結(jié)構(gòu)示意圖

在AMEsim仿真模型中，車(chē)輛熱管理模型的前排腿部溫度、水暖回路循環(huán)水溫度、電池回路循環(huán)水溫度以及電池電芯溫度作為控制部分的輸入，通過(guò)Matlab搭建的控制器輸出PTC發(fā)熱量、三通閥開(kāi)度、回路中水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制信號(hào)。PTC的控制部分以前排腿部溫度、乘員艙內(nèi)目標(biāo)溫度作為MPC控制器輸入，輸出PTC發(fā)熱量控制系數(shù)。本系統(tǒng)在保證達(dá)到制熱性能的前提下對(duì)原模型控制器的部分結(jié)構(gòu)做出了進(jìn)一步優(yōu)化，設(shè)計(jì)了3種不同的控制策略。表3—5中:T_f為乘員艙前排腿部溫度;T_r1為乘員艙目標(biāo)溫度;T_b為電池包電芯溫度;T_r2為電池包電芯目標(biāo)溫度;Tw為電池循環(huán)水溫度;T_min、T_max分別為電池循環(huán)水目標(biāo)溫度范圍的最小值和最高值;T_i(i≥1)為電池包電芯在溫度逐漸升高情況下下傳感器測(cè)得的溫度。

3．1．1三通閥的控制邏輯

三通閥由乘員艙前排腿部溫度T_f、電池電芯溫度T_b以及電池冷卻水進(jìn)水溫度T_w作為參考信號(hào)，基于選擇的3種不同策略，依據(jù)輸入信號(hào)得到的乘員艙和電池的狀態(tài)，輸出相應(yīng)情況下系統(tǒng)的最優(yōu)控制信號(hào)。通過(guò)控制三通閥開(kāi)度，來(lái)確保電池與乘員艙熱量的合理分配，以改善制熱過(guò)程的制熱性能與系統(tǒng)能耗。表3中三通閥開(kāi)度輸出有4種模式，電池側(cè)低開(kāi)度(B_l)、電池側(cè)高開(kāi)度(B_h)、PID控制三通閥開(kāi)度(PID)、并行開(kāi)度。三通閥的控制邏輯見(jiàn)表3。

3．1．2電池水泵控制邏輯

乘員艙電池水泵以前排腿部溫度T_f與電池電芯溫度T_b作為參考信號(hào)輸入，電池溫度處于由低到高的不同區(qū)域?qū)?yīng)著水泵占空比由高到低的等差分配。在選擇乘員艙優(yōu)先加熱策略的情況下，由于車(chē)輛底盤(pán)結(jié)構(gòu)中電池回路的管路部件與室外大氣有著很大接觸面積。為了避免電池回路在僅需乘員艙加熱時(shí)與外界有過(guò)高強(qiáng)度的換熱，通過(guò)參考前排腿部溫度控制水泵轉(zhuǎn)速，確保在乘員艙溫度未達(dá)到目標(biāo)溫度之前，降低甚至切斷電池循環(huán)回路的換熱。在其他策略情況下，則以電池電芯的狀態(tài)作為參考。電池水泵控制邏輯見(jiàn)表4。

3．1．3水暖回路水泵電機(jī)控制邏輯

水暖回路水泵電機(jī)以前排腿部溫度T_f與電池電芯溫度T_b作為參考信號(hào)輸入，當(dāng)乘員艙與電池都未達(dá)到目標(biāo)要求，則提高水暖水泵電機(jī)占空比，增大乘員艙、電池循環(huán)回路與水暖回路冷卻介質(zhì)的溫差，提高各回路間的熱交換強(qiáng)度。當(dāng)乘員艙與電池所需的制熱負(fù)荷較低，則降低水泵電機(jī)占空比，以改善回路電子水泵的經(jīng)濟(jì)性。水暖回路水泵電機(jī)控制邏輯見(jiàn)表5。

通過(guò)回收電機(jī)余熱為乘員艙制熱來(lái)減少制熱功耗的空調(diào)系統(tǒng)，能夠有效增加空調(diào)系統(tǒng)在較低環(huán)境溫度工況下的制熱能力。車(chē)輛啟動(dòng)運(yùn)行后，電機(jī)工作產(chǎn)生的余熱量是可觀的，在電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間高功率運(yùn)行的狀態(tài)下，電驅(qū)回路熱量快速累積，正常情況下則是利用低溫散熱器帶走電驅(qū)回路熱量。板式換熱器結(jié)構(gòu)的引入使得電驅(qū)回路在有余熱可利用的情況下將熱量代入水暖回路中，以減輕車(chē)輛在低溫環(huán)境下運(yùn)行時(shí)PTC制熱負(fù)擔(dān)。由于電驅(qū)回路中循環(huán)水在流入散熱器前熱量累積最高，本系統(tǒng)在電驅(qū)回路散熱器前集成板式換熱器，以高效地利用電驅(qū)余熱量。此系統(tǒng)在車(chē)輛需要制熱時(shí)能夠提高系統(tǒng)制熱量的同時(shí)，降低了低溫散熱器不必要的能量消耗。

電驅(qū)回路產(chǎn)生的熱量通過(guò)板式換熱器將熱量代入水暖回路中，板式換熱器相鄰板片之間用特制的密封墊片隔開(kāi)，熱流體間隔的在板間沿著由墊片和波紋所設(shè)定的流道流動(dòng)，不同循環(huán)水路的熱流體在各自的通道中通過(guò)間隔的板片進(jìn)行熱交換。

集成板式換熱器內(nèi)部能量平衡可由式(1)描述:

式中:u為板換內(nèi)部的能量;m為板內(nèi)的總質(zhì)量;∑P_ext為熱流體經(jīng)過(guò)板換這一部件后因體積改變引起的能量變化;∑dmhi為熱流體進(jìn)出板換，由于熱對(duì)流效應(yīng)引起的能量變化，體現(xiàn)為進(jìn)入或流出的熱流體對(duì)板換內(nèi)部腔室能量的貢獻(xiàn)，即進(jìn)出端口焓流率之和，可由式(2)表示:

在板換內(nèi)部熱流體流動(dòng)過(guò)程中，考慮壓力這一因素會(huì)引起流體做功，則∑P_ext可改寫(xiě)為式(3):

式中:－p·dv為流體壓力與體積變化的做功;Q·為其余方式對(duì)流體的做功，包括腔體內(nèi)壁摩擦做功、流體的內(nèi)能勢(shì)能變化等。將該板換模型加入到AMEsim低溫?zé)峁芾砑訜崮Ｐ椭校M電驅(qū)回路熱量與水暖回路的熱交換。

板式換熱器集成至低溫制熱系統(tǒng)中，水暖回路通過(guò)板式換熱器利用電驅(qū)回路的熱量。為了準(zhǔn)確地模擬板式換熱器的換熱特性，需要對(duì)其換熱能力進(jìn)行標(biāo)定。輸入相關(guān)測(cè)試試驗(yàn)值，通過(guò)AMEsim標(biāo)定模塊調(diào)整板式換熱器換熱性能的參數(shù)，如表6所示。

得到的仿真模型與測(cè)試標(biāo)定結(jié)果如圖8所示，誤差控制在3%以?xún)?nèi)。

圖8板式換熱器測(cè)試標(biāo)定結(jié)果直方圖

原模型與優(yōu)化后的仿真模型在2個(gè)NEDC工況下的電池SOC變化如圖9所示。由圖可知，車(chē)輛在低溫環(huán)境下啟動(dòng)后行駛22km過(guò)程中，對(duì)原模型的控制策略以及余熱利用的優(yōu)化可有效提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，在模型優(yōu)化后電池電量提高了6%，原模型制熱消耗了22．9%的電池電量，經(jīng)濟(jì)性提高了26．2%。

圖9NEDC工況原模型與優(yōu)化模型制熱時(shí)電池SOC變化曲線(xiàn)

優(yōu)化后模型的制熱效果在各策略各環(huán)境溫度下乘員艙溫升效果良好，在7min之內(nèi)均可達(dá)到28℃，如圖10所示。高速工況下動(dòng)力電池最低加熱速率為乘員艙優(yōu)先策略下的1625s內(nèi)從－7℃加熱到15℃，大于電池包加熱性能要求25℃/h，高速工況下各策略均滿(mǎn)足電池加熱目標(biāo)要求。低速工況下除了在環(huán)境溫度為－7℃時(shí)乘員艙優(yōu)先加熱策略的電池加熱性能在20℃/h，其余低速工況均滿(mǎn)足，如圖11所示。對(duì)于該車(chē)型，隨著環(huán)境溫度低于－7℃后，電池溫升速率會(huì)越來(lái)越差強(qiáng)人意，產(chǎn)生續(xù)航和動(dòng)力問(wèn)題。解決此問(wèn)題，則需要在短時(shí)間內(nèi)提高電池活性，應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化熱管理部件或提高PTC功率以在短時(shí)間內(nèi)提供更多的熱源利用量。

圖10不同環(huán)境溫度各策略制熱乘員艙前排腿部溫度變化曲線(xiàn)

圖11低速工況電池加熱溫度變化曲線(xiàn)

4．2．1制熱性能

1)環(huán)境溫度的影響。

隨著車(chē)外環(huán)境溫度的改變，不同策略以及駕駛工況的不同，乘員艙與電池溫升有著明顯的區(qū)別。同一環(huán)境溫度下高速工況電池的溫升速率高于低速工況，到達(dá)目標(biāo)溫度總體時(shí)間也大幅縮短。由圖12可知，從車(chē)外環(huán)境溫度變化上來(lái)看，溫度越低同一策略下帶來(lái)的溫升效果有以下趨勢(shì):無(wú)論是乘員艙還是電池，溫升速率基本不變，但達(dá)到目標(biāo)溫度所需時(shí)間隨著溫度的降低而顯著增加。

圖12各環(huán)境溫度下不同工況制熱時(shí)電池溫度變化曲線(xiàn)

2)控制策略的影響。

如圖10所示，同一工況下，不同策略對(duì)電池或乘員艙的溫升有著不同程度的影響。在動(dòng)力電池的溫升上，例如在高速工況下環(huán)境溫度為5℃時(shí)電池優(yōu)先加熱策略比乘員艙優(yōu)先加熱策略快23s，在環(huán)境溫度為－1℃時(shí)快176s，在環(huán)境溫度為－7℃時(shí)快292s;在乘員艙室內(nèi)的溫升上，有著類(lèi)似的趨勢(shì)，環(huán)境溫度越低，乘員艙優(yōu)先加熱策略比電池優(yōu)先加熱策略的加熱時(shí)間更快。

并行加熱策略在乘員艙與電池的加熱上的趨勢(shì)與其他策略類(lèi)似，所需加熱時(shí)間的長(zhǎng)短處于乘員艙優(yōu)先加熱策略與電池優(yōu)先加熱策略之間。對(duì)于乘員艙和電池的總體加熱時(shí)間上來(lái)看，同一溫度下，電池優(yōu)先加熱策略時(shí)間最短，并行加熱策略次之，乘員艙加熱策略時(shí)間最長(zhǎng)。值得一提的是，并行加熱策略在達(dá)到目標(biāo)溫度后有大幅波動(dòng)，出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)車(chē)輛處在環(huán)境溫度較低的情況下。

3)運(yùn)行工況的影響。

由圖12分析，從車(chē)輛運(yùn)行工況上來(lái)看，高速工況下的電池溫升效果明顯優(yōu)于低速工況，各溫度下120km/h工況比40km/h工況平均快15min。乘員艙溫度升到目標(biāo)溫度所需時(shí)間基本一致，但達(dá)到穩(wěn)定后有段時(shí)間會(huì)有小幅度波動(dòng)，如圖10所示。這是由于電池達(dá)到目標(biāo)溫度后電池側(cè)三通閥關(guān)閉導(dǎo)致的暖水回路溫度的短時(shí)間升高的原因，而且溫度越高，電池溫升所需時(shí)間更短，波動(dòng)出現(xiàn)的時(shí)間越提前。

4．2．2系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性

1)環(huán)境溫度的影響。

如圖13所示，從結(jié)果分析上來(lái)看，環(huán)境溫度越低，系統(tǒng)的整體能耗越高。在環(huán)境溫度為－7、－1、5℃時(shí)，乘員艙優(yōu)先加熱策略制熱完成后的電池電量分別為59．81%、68．38%、70．27%。電池優(yōu)先加熱策略在制熱完成后在對(duì)應(yīng)的環(huán)境溫度下的電池電量分別為57．87%、64．19%、70．28%。因?yàn)榄h(huán)境溫度過(guò)低，乘員艙與外界環(huán)境溫差更大，室內(nèi)同一目標(biāo)溫度下由于外界溫度降低，溫差增大使得乘員艙內(nèi)新風(fēng)換熱的熱交換強(qiáng)度增加，導(dǎo)致熱負(fù)荷需求增大。

圖13不同環(huán)境溫度各策略制熱電池SOC變化曲線(xiàn)

另一方面，環(huán)境溫度的下降，由于純電動(dòng)汽車(chē)上動(dòng)力電池的質(zhì)量較大，根據(jù)熱量計(jì)算公式Q=cmΔt，使得電池的制熱負(fù)荷需求顯著增加，這是制熱啟動(dòng)過(guò)程中能量損耗的主要原因。引起注意的是，隨著環(huán)境溫度的升高，電池優(yōu)先加熱策略和乘員艙優(yōu)先加熱策略在能耗上的差距逐漸變小，在環(huán)境溫度為5℃時(shí)兩策略能耗無(wú)顯著差別。

2)控制策略的影響。

從控制策略上來(lái)看，無(wú)論是在何種環(huán)境溫度和工況下，乘員艙優(yōu)先加熱策略的能耗都更小，其次是并行加熱策略，耗能最高的是電池優(yōu)先加熱策略，如圖14所示。而且環(huán)境溫度越低，乘員艙優(yōu)先加熱策略節(jié)能效果越明顯，如圖13所示。進(jìn)一步分析原因，乘員艙優(yōu)先加熱策略相比其他加熱策略溫升更快，而該模型中高壓電池主要耗能部件為PTC，乘員艙前排腿部溫度信號(hào)直接決定了PTC瞬態(tài)功率變化的大小。此外，在寒冷條件下乘員艙內(nèi)的制熱負(fù)荷相比電池要更小，所以用于單一電池加熱所需加熱時(shí)間明顯高于乘員艙加熱時(shí)間。另外，一旦乘員艙達(dá)到目標(biāo)溫度，勢(shì)必也會(huì)改善水暖回路中水泵電機(jī)的負(fù)荷，使得低壓電池能耗降低，加上該系統(tǒng)啟用乘員艙優(yōu)先加熱策略時(shí)，電池水泵電機(jī)在一開(kāi)始處于停轉(zhuǎn)狀態(tài)，低壓電池能耗會(huì)進(jìn)一步下降。綜上，該模型中有較短乘員艙溫升時(shí)間的策略耗能更低，這也是乘員艙優(yōu)先加熱策略相比其他策略經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的原因之一。

圖14不同工況各策略制熱電池SOC變化曲線(xiàn)

3)運(yùn)行工況的影響。

如圖15所示，從車(chē)輛運(yùn)行工況上看，同一策略下高速工況的整體能耗低于低速工況的能耗。高速工況相比低速工況而言，乘員艙與外界熱交換強(qiáng)度增加，乘員艙熱負(fù)荷需求增加。但由于高速工況下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及控制器等部件在高功率下工作，電池放電功率也增大，其自身發(fā)熱量顯著提高。高功率下單位時(shí)間內(nèi)可利用的電驅(qū)余熱的累積量相比低功率更多，這一優(yōu)勢(shì)幾乎彌補(bǔ)了高速工況下乘員艙帶來(lái)的劣勢(shì)，從而進(jìn)一步減輕了PTC高耗能部件的制熱負(fù)擔(dān)。由于高速工況低溫制熱系統(tǒng)的電池發(fā)熱量多以及電機(jī)余熱利用量多的特點(diǎn)，使得系統(tǒng)能耗在高低速工況下有著一定差距。如圖15所示，在電池優(yōu)先加熱策略下，環(huán)境溫度為－7、－1、5℃時(shí)，高速工況比低速工況的經(jīng)濟(jì)性分別提升了8．2%、7．19%、5．23%。

圖15不同溫度環(huán)境各工況制熱電池SOC變化曲線(xiàn)

本文針對(duì)某公司某純電車(chē)型在低溫制熱過(guò)程中的乘員艙與電池的熱平衡進(jìn)行了仿真，并基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上對(duì)原仿真模型的控制策略和能耗經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)仿真分析得到如下結(jié)果:

1)優(yōu)化前的低溫?zé)峁芾矸抡婺Ｐ湍軌蜉^好地預(yù)測(cè)搭載PTC制熱系統(tǒng)的乘員艙及電池溫升的動(dòng)態(tài)性能，可以為相關(guān)科研工作者提供一種仿真思路。

2)該模型優(yōu)化后達(dá)到了降低能耗的目的。針對(duì)于制熱系統(tǒng)相關(guān)部件的能耗分析，在控制策略以及余熱利用結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，能夠使PTC制熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性大幅提升。

3)該低溫制熱仿真模型有以下特點(diǎn):環(huán)境溫度的升高降低了系統(tǒng)制熱負(fù)荷;合理地選擇控制策略可顯著降低系統(tǒng)制熱過(guò)程的能耗;車(chē)輛工況會(huì)影響低溫制熱，從制熱系統(tǒng)來(lái)講車(chē)輛運(yùn)行速度越高，溫升越快，能耗越低。