成果分享 || 儲熱與熱泵集成的全氣候電動汽車整車熱管理技術
發布時間：2025-05-07 來源：中國汽車工程學會
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圖1 國內純電動汽車接入統計圖與全國氣溫實況分布圖
2.1 高密度相變蓄熱器設計與臺架搭建
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，罐體采用耐高溫耐腐蝕并且高導熱的碳化硅材料制作，罐體外側設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。罐體內布置換熱管道，用于從儲熱裝置內取熱。所采用的鋁硅合金的物性參數如表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
為獲取儲熱裝置的工作特性，進一步設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的11.5m純電動公交車，搭建了耦合儲熱裝置的整車系統一維仿真模型，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駛里程與熱車時間的影響。
圖5整車系統一維仿真模型
i. 結合儲熱的熱管理系統控制策略
針對圖5所示的整車熱管理系統，本文提出一種結合規則控制與PID控制的整車低溫環境熱管理控制策略，如圖6所示。在乘員艙熱管理系統中，供熱裝置包括熱泵空調、儲熱裝置和風暖PTC加熱器。因此，以乘員艙溫度與目標溫度的差值作為輸入，分別采用PID控制調節壓縮機轉速、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溫度附近。當乘員艙溫度低于目標溫度時，優先用儲熱裝置供熱。當儲熱裝置中PCM溫度小于50℃時，儲熱裝置放熱結束。當儲熱裝置處于滿負荷供熱仍無法滿足乘員艙熱需求或儲熱裝置放熱結束時，熱泵空調開啟；當環境溫度小于-15℃時，熱泵空調停止運行。只有當熱泵空調與儲熱裝置處于滿負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、鼓風機、風扇，采用開關規則控制的方式調節其轉速，以配合各熱管理子系統在不同工作模式下運行。在進行任意的規則控制時，都設置了合適的滯回閾值，以提升系統的穩定性。
ii. 不同容量的儲熱裝置對低溫續駛里程的影響
在車上增設儲熱裝置負擔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駛里程。為探究不同環境溫度下，儲熱裝置的容量配置對整車低溫性能的影響規律，在-10℃、-20℃、-30℃、-40℃下，增設了不同容量的儲熱裝置進行仿真。
仿真條件：環境壓力為1bar，相對濕度為40%，不考慮海拔變化及坡度影響，車內初始溫度與環境溫度相同，乘員艙目標溫度為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
仿真結果如圖8所示。以-40℃的仿真結果為例，儲熱容量持續增加時，乘員艙熱管理電耗逐漸減少（圖8（a）），續駛里程逐漸增加（圖8（b））。當儲熱容量達到110kWh時，乘員艙熱管理的電耗降至最低，僅約2.6kWh；同時，續駛里程大幅提升至58.4km，約為基準模型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，而更多的額外質量反而會增加汽車行駛的功耗，導致續駛里程下降。由此可以確定，-40℃時的最優儲熱容量為110kWh，此時儲熱裝置的質量為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量會導致1.79%的續駛里程損失。其他溫度下最大儲熱容量的儲熱裝置帶來續駛里程影響及其特性參數如表2所示?？梢钥闯?，在電動公交車上增設儲熱裝置不僅能顯著提升低溫工況下的續駛里程，而且隨著環境溫度的降低，續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勢，所帶來的額外質量、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駛里程的影響也不足2%，顯示出良好的實車應用前景。
(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駛里程的影響
圖8 不同低溫環境下不同儲熱容量對整車能效的影響
表2 不同低溫環境下最優儲熱容量的儲熱裝置特性參數及其對續駛里程的影響
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，實現快速熱車。首先對整車基準模型進行汽車冷起動仿真，車輛靜止且不考慮開門行為帶來的熱負荷，車內初始溫度為環境溫度，當乘員艙溫度達到15℃時認為熱車完成，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，當環境溫度大于-15℃，熱泵能夠運行時，乘員艙供暖功率充足，熱車時間較短。而當環境溫度小于-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境下對熱車時間的影響。分別在-20℃、-30℃、-40℃下進行電動公交車冷起動仿真，得到圖9與表3?？梢钥闯?，在極寒環境下，增設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的儲熱裝置質量約為35kg，體積約為23L，對公交車的載重影響非常有限。
(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 極寒環境下儲熱裝置容量配置參數及其對熱車時間的影響
綜上所述，在低溫環境下，純電動公交車在運行過程中頻繁的開關門行為會導致乘員艙熱需求大幅增加，從而造成續駛里程的嚴重衰減。增設儲熱裝置則能有效分擔乘員艙供熱負荷，降低行車電耗，延長低溫續駛里程。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，使續駛里程提升25.6%；而在-40℃時，增設110kWh儲熱裝置可實現續駛里程延長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寒地區純電動公交車的低溫續駛里程，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，有助于零排放純電動公交車在嚴寒地區的推廣，進一步推動公共交通的全面電動化進程。
2.3 儲熱-電池容量協同優化框架
由前文可知，基于高溫金屬相變材料的儲熱裝置具有高導熱率、高儲能溫度、高能量密度、低成本等優勢。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-電池容量協同優化框架（如圖 10所示），獲取最優電-熱儲能配比。
為確定最優儲能配比，以續駛里程、乘員艙平均溫度為約束，電池老化、儲能系統質量為優化目標，采用了多目標粒子群優化算法對電熱儲能配置開展多目標優化。
優化模型的構建旨在確保車輛運行需求的前提下，同時優化儲能系統容量與減緩電池老化。優化變量包括電池串聯數量、并聯數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致除制熱工況外的其他工況電池老化過大，電池老化優化目標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，冷啟動階段結束后可能出現儲熱裝置單獨供暖的情況，這將導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穩定運行后的艙內溫度狀態。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，該約束條件被適當放寬至合理區間。
優化方案的帕累托前沿如圖 11（a）所示。通過TOPSIS算法評估后，本研究確定了最優解方案。經優化后的系統配置了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，最優方案雖然提升了整車儲能系統質量，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）。同時電熱協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 優化結果：(a)帕累托前沿；(b)優化目標與約束對比
表 4 優化結果對比
2.4 配備儲熱的純電動客車年均運行成本分析
為進一步展現儲熱裝置的應用優勢，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）、年均儲能系統購置成本（C3）、年均車身退役回收成本（C4）及年均儲能系統退役回收成本（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方案的年均運行成本
如圖 12（a）所示，因電熱協同供暖顯著降低了電池電流，最優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）平均每年節省了7.8%（22718 元）的運行成本。
下一步工作計劃
針對極寒地區純電動乘用車開展儲熱裝置工程化應用研究。純電動汽車因冬季續駛里程嚴重衰減等行業難題，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，以此來提升車輛續駛里程?？紤]乘用車內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，同時充分利用電池熱容較大、可通過水路取熱的特點，結合儲熱裝置與電池自儲熱，解決極寒地區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先儲存在電池內部的熱量，避免環境溫度過低、蒸發器結霜等因素導致的制熱功率不足的情況，協同儲熱裝置為乘員艙供熱。
審核 | 劉國芳
編輯 | 國兆猛
