電動汽車電機主動加熱技術應用與測試

李 超，原梅妮，孫 明，蔡云貴，魏文菲,3

（1.長城汽車股份有限公司，河北省汽車技術創(chuàng)新中心，河北 保定 071000；2.中北大學 航空宇航學院，山西 太原 030051；3.未勢能源科技有限公司，河北 保定 071000）

電動汽車較內(nèi)燃機汽車具有能量轉(zhuǎn)換效率高、噪音小、整車零排放等優(yōu)點[1]，使其逐漸成為新能源汽車的發(fā)展趨勢。但受低溫環(huán)境影響，電動汽車在功能、性能方面仍有諸多問題需要完善[2]。

1）鋰離子電池作為當前電動汽車的主要能源，具有比功率高、能量密度大等優(yōu)點，但其可用電量及其充、放電功率受低溫環(huán)境影響顯著下降[3]，且低溫充電會因陽極析鋰加速電池老化[4-5]。為使鋰離子電池恢復至正常/最佳狀態(tài)，電池加熱功能尤為重要，通過在電池外部增加高溫氣體/液體循環(huán)管路、電加熱板、相變材料等方式，使熱量由電池外部向內(nèi)傳導，稱外部加熱法；反之，內(nèi)部加熱則利用電流流通電池內(nèi)阻產(chǎn)生焦耳熱實現(xiàn)自熱，可細分為充電加熱、放電加熱和交流激勵加熱[6]。

2）電動汽車無發(fā)動機燃燒廢熱，需額外配置正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient, PTC）或熱泵系統(tǒng)以滿足乘員艙采暖需求，雖然熱泵系統(tǒng)較PTC可有效降低采暖能耗并提升低溫續(xù)駛里程35%以上[7]，但受R134a、R1234yf等傳統(tǒng)制冷劑和空調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)影響，環(huán)境溫度低于?5℃后，傳統(tǒng)熱泵制熱效果很差[8-9]。為提升熱泵系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的能效比（Coefficient of Performance, COP）和可靠性，已知的改善方案包括：回收電機和電池余熱、應用蒸汽噴射增焓或補氣增焓技術、開發(fā)CO2熱泵系統(tǒng)等[10]。

另一方面，如今各大車企、高校以及研究所都在通過各種手段提升電機效率[11-12]，電機熱量愈發(fā)減少，且在停車工況，電機閑置，更無熱量可言。為使電機在不同場景、工況下得到充分利用，同時彌補電池、熱泵系統(tǒng)的低溫缺陷。特斯拉Model 3及后續(xù)車型、比亞迪海豚均已開發(fā)并應用電機主動加熱技術，通過主動降低電機效率或堵轉(zhuǎn)，即可以用電機作為熱源代替PTC（冷卻液循環(huán)）對電池進行加熱，或被空調(diào)回收，借助室內(nèi)冷凝器等零部件向乘員艙釋放熱量實現(xiàn)熱泵采暖?，F(xiàn)階段，有關電機主動加熱技術的文獻較少[13-16]，且均為優(yōu)點介紹，性能數(shù)據(jù)匱乏，為客觀看待新技術的應用價值，本文基于電機主動加熱技術開發(fā)全新熱管理系統(tǒng)架構(gòu)，并分別通過低溫快充、空調(diào)采暖工況測試了電池溫升速率、電機加熱能力及其效率，為電機主動產(chǎn)熱功能的應用場景識別、策略開發(fā)和優(yōu)化提供參考意見。

1 熱管理系統(tǒng)方案設計

1.1 熱管理系統(tǒng)架構(gòu)

以滿足電機、電池冷卻基礎功能為前提，設計如圖1所示的電動汽車熱管理系統(tǒng)架構(gòu)，目的在于使電機產(chǎn)熱功能及其熱量得到充分利用?？蓪崿F(xiàn)功能如下：

1）傳統(tǒng)電機冷卻+電池冷卻功能，水路循環(huán)模式參考圖1(a)，其中電機通過散熱器冷卻，電池通過空調(diào)系統(tǒng)（Chiller）冷卻；

2）電機產(chǎn)熱加熱電池功能，水路循環(huán)模式參考圖1(b)，其中電機水路與電池水路為并聯(lián)關系，當Chiller的出口水溫高于電池溫度時，即可開通電池截止閥實現(xiàn)電池加熱；

圖1 熱管理系統(tǒng)架構(gòu)

3）輔助熱泵采暖功能，基于圖1(b)模式，通過Chiller吸收電機熱量為熱泵補熱提升采暖效果，如電池加熱同步開啟，則需嚴格控制Chiller吸熱能力，確保電池入口水溫高于電池溫度，電池加熱速率受熱泵影響而降低；電池停止加熱后，隨即關閉電池截止閥，Chiller能力不再受限，所有電熱供熱泵系統(tǒng)使用。

1.2 熱管理控制策略

參考熱管理系統(tǒng)架構(gòu)設計方案，電機熱量可用于電池加熱和熱泵采暖，其中，熱泵采暖功能包括簡易熱泵（無電機主動加熱）和電機主動加熱熱泵兩種形式。

在圖1(b)所示回路模式下，如熱泵開啟，Chiller吸收水路熱量會對電池加熱性能產(chǎn)生影響，故當電機加熱電池時，熱管理系統(tǒng)需禁止簡易熱泵開啟，空調(diào)系統(tǒng)改用其他采暖部件（如PTC）進行采暖；而在極低溫條件下，乘員艙需求更多熱量以滿足采暖需求，因此，在電機加熱電池期間有必要激活電機主動加熱熱泵以提升乘員艙的采暖性能，同時限制熱泵系統(tǒng)（Chiller）的吸熱能力直至電池加熱結(jié)束，電池停止加熱后，熱管理系統(tǒng)將基于采暖需求在兩種熱泵模式間切換。

綜上，電池加熱和熱泵功能的策略優(yōu)先級可表述為電機加熱電池≥電機主動加熱熱泵>簡易熱泵。

2 試驗條件

2.1 試驗車輛

為充分驗證電機主動加熱能力，本文基于全新熱管理系統(tǒng)架構(gòu)完成某款電動汽車改制，車輛基本參數(shù)如表1所示。

表1 試驗車參數(shù)

2.2 試驗工況

本文基于某企業(yè)低溫快充工況和空調(diào)采暖工況對電機加熱功能、性能進行驗證和分析。

2.2.1 低溫快充

在?7 ℃環(huán)溫條件下，車輛以30%初始荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）和80 km/h車速行駛放電， SOC降至0%后立即開始快充，SOC升至80%試驗結(jié)束。

試驗期間，空調(diào)采暖全程開啟：設置目標溫度至最高、外循環(huán)、吹面模式 、鼓風機風速60%。同時，為充分驗證電機產(chǎn)熱性能，分別設置行車、快充模式下的電池加熱目標溫度為15 ℃、20 ℃。

2.2.2 空調(diào)采暖

在?20 ℃環(huán)溫、100% SOC條件下，以32 km/h車速行車20分鐘，再以73 km/h車速行車10分鐘后試驗結(jié)束。

試驗期間，空調(diào)采暖全程開啟：設置目標溫度至最高、外循環(huán)、吹面和除霜模式、鼓風機風速70%～80%。電池加熱目標溫度仍設為15 ℃。

2.3 試驗設備

為準確獲取、計算各位置熱量數(shù)據(jù)，使用如表2所示設備采集電機、電池以及空調(diào)側(cè)數(shù)據(jù)。

表2 試驗設備參數(shù)

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 低溫快充

基于低溫快充工況設定，乘員艙和電池均有加熱需求，但由于乘員艙的冷負荷較低，故在電池加熱過程中，空調(diào)系統(tǒng)僅用PTC進行采暖，不會喚醒電機主動加熱熱泵功能。

圖2為電機加熱電池的過程數(shù)據(jù)。其中，在80 km/h車速下，冷卻液獲得的有效熱量約為3 kW（最高3.5 kW），行車結(jié)束時電池最低溫度升至12 ℃，平均溫升速率約0.44 /min℃ ；轉(zhuǎn)入快充（停車）后，冷卻液可獲得的有效加熱量降至2 kW，電池平均溫升速率約為0.54 /min℃ ，充電約11 min后電池達到目標溫度停止加熱，后續(xù)數(shù)據(jù)不再分析。

圖2 低溫快充試驗溫升曲線

基于圖2低溫快充溫升曲線發(fā)現(xiàn)：

1）電池加熱初期，傳遞到冷卻液中的熱量較低，其主要原因是電機本體和冷卻液溫度過低，電機產(chǎn)熱主要用于加熱電機本體，而隨著電機本體溫度逐漸升高，傳遞到冷卻液中的熱量逐步得到提升；

2）隨后，電池加熱（行車階段）逐漸趨于穩(wěn)定，電機進口水溫和電池溫度保持同步上升，電機本體溫度雖有波動，但仍保持上升趨勢，相反，傳遞到冷卻液中的熱量卻受電機本體溫度影響較小，整體趨勢較為平穩(wěn)；

3）行車結(jié)束至快充開始前，車輛SOC為0，電池停止加熱，電機本體溫度、冷卻液溫度受低溫環(huán)境影響而降低；

4）進入快充后，熱管理系統(tǒng)恢復電池加熱功能，但受車速影響，停車狀態(tài)下的電機加熱量明顯低于行車狀態(tài)，而電池的溫升速率卻比行車狀態(tài)更高，其主要原因是快充工況下，電池充電電流更大，電池內(nèi)部阻抗產(chǎn)熱變大，自升溫更快[6,17]。

基于式（1）—式（3）分別計算驅(qū)動功率、電機加熱功率（電機損耗功率）以及加熱效率，繪制如圖3所示電機加熱能力曲線?？梢钥闯?，在80 km/h車速和停車工況下，開啟電機主動加熱功能后，電機加熱功率約為2.8 kW，但從冷卻液獲得的熱量以及加熱效率均可看出，受車速影響，快充（停車）狀態(tài)下傳遞到冷卻液中的熱量明顯低于電機加熱耗電功率，電機加熱效率僅約70%，該效率明顯低于傳統(tǒng)PTC熱敏加熱器（加熱效率約90%或更高）；而在80 km/h車速下，除電池加熱初期（0～800 s）外，電機平均加熱效率高達102%，其主要原因是在行駛狀態(tài)下，部分驅(qū)動功率因傳動損耗轉(zhuǎn)化為廢熱被冷卻液吸收，電機總產(chǎn)熱量被動提升，導致使用總產(chǎn)熱量計算的加熱效率虛假偏高；而停車后，電機不再產(chǎn)生驅(qū)動功率，故此時的加熱效率為電機主動加熱功能的真實值。

圖3 低溫快充試驗電機加熱能力

式中，Pe為電機驅(qū)動功率；T為電機扭矩；n為電機轉(zhuǎn)速；Um為電機電壓；Im為電機電流；Pheat為電機加熱功率；Pc為冷卻液從電機獲得的有效熱量；ηheat為電機加熱效率。

3.2 空調(diào)采暖

與?7 ℃低溫快充試驗不同，?20 ℃環(huán)境溫度過于嚴苛，為確保乘員艙室內(nèi)溫升速率滿足采暖性能需求，電機主動加熱熱泵在空調(diào)采暖試驗過程中被喚醒，即電機產(chǎn)熱量一部分被熱泵（Chiller）吸收，另一部分用于電池加熱。

基于圖4數(shù)據(jù)分析，在低車速（32 km/h）狀態(tài)下冷卻液獲得的有效熱量約2.4 kW，1200 s時電池最低溫度由?19 ℃升至?10 ℃，平均溫升速率約0.45 /min℃ ；車速提升至73 km/h后，冷卻液獲得的有效熱量提升至3 kW，直至1800 s試驗結(jié)束時，電池最低溫度升至?4 ℃，平均溫升速率約0.6 /min℃ 。

圖4 空調(diào)采暖試驗溫升曲線

空調(diào)采暖試驗的溫升曲線與低溫快充試驗表現(xiàn)較為一致。

1）加熱初期，電機產(chǎn)熱主要用于加熱電機本體，傳遞到冷卻液中的熱量隨電機本體溫度升高而增大，冷卻液和電池溫度變化緩慢，此時，雖然電機主動加熱熱泵功能不受熱管理策略限制，但由于冷卻液溫度過低，熱泵系統(tǒng)（壓縮機）仍無法正常啟動，乘員艙僅通過PTC實施采暖；

2）當電機進口水溫升至?7 ℃（240 s）時，壓縮機啟動，電機低效產(chǎn)熱，熱泵、電池加熱功能同步運行，受Chiller吸熱影響，電機進口水溫出現(xiàn)短時、緩慢下降，電機本體和冷卻液溫差迅速拉大，促使冷卻液獲得的有效熱量以更快的增長速率達到平衡趨勢；

3）電機本體與其進口水溫保持恒定溫差同步增長，故冷卻液獲得的有效熱量亦表現(xiàn)恒定，另一方面，電池溫度雖可持續(xù)、穩(wěn)定增長，但受傳熱速率影響未能與冷卻液保持恒定溫差，溫升速率較低；

4）車速提高后，冷卻液可獲得的有效熱量迅速提升，電機本體溫度及其進口水溫雖然出現(xiàn)短暫波動，但很快便再次進入同步增長階段，與此同時，受系統(tǒng)水溫影響，熱泵能效比得到改善，直至冷卻液溫度升至10 ℃后，壓縮機開始出現(xiàn)間歇啟停現(xiàn)象，導致冷卻液獲得的熱量曲線出現(xiàn)明顯波動，與之相反，電池溫升曲線卻受空調(diào)狀態(tài)影響較小，整體趨勢與電機進口水溫保持同步增長，直至試驗結(jié)束。

基于圖5的電機加熱數(shù)據(jù)分析，低速工況下，電機加熱功率約3.7 kW，明顯高于低溫快充試驗數(shù)據(jù)，而64%的加熱效率更是低于快充（停車）狀態(tài)下的加熱效率（70%），該現(xiàn)象說明，雖然低速行車有傳動損耗輔助加熱，但同時增大了冷空氣與電機殼體的對流換熱，導致低速狀態(tài)下的電機加熱效率受熱損失影響反而低于停車狀態(tài)；車速提高后，電機加熱功率降至3.1 kW，連同傳動損耗產(chǎn)熱，電機平均加熱效率提升至96%（無參考價值），該性能與低溫快充試驗中的行車工況表現(xiàn)相當。

圖5 空調(diào)采暖試驗電機加熱能力

從圖6看出，電池加熱和電機主動加熱熱泵同時開啟期間，熱泵系統(tǒng)可向乘員艙提供熱量至少1 kW；如若電池停止加熱，電機熱量全部用于熱泵采暖，基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析，熱泵制熱量預估可提升至3 kW，乘員艙采暖性能將得到極大提升。

圖6 空調(diào)采暖試驗熱量分配曲線

眾所周知，能效比為評估熱泵系統(tǒng)優(yōu)越性的一項重要指標，故基于圖6匯總的壓縮機功耗和熱泵制熱量（冷凝器換熱量）數(shù)據(jù)，計算得出如圖7所示的熱泵能效比曲線。從圖7壓縮機開啟至頻繁啟停期間，雖然熱泵系統(tǒng)平均能效比為109%，制熱效率較為優(yōu)異，但從電機主動加熱熱泵及其控制系統(tǒng)分析，原本在?20 ℃極低溫條件下無法正常啟動的熱泵系統(tǒng)，卻能以電機主動加熱為熱源恢復運轉(zhuǎn)并持續(xù)為乘員艙供熱，因此，在計算整車級熱泵能效比時，需要將熱泵運轉(zhuǎn)時的電機加熱功率納入耗電功率進行計算，考慮電機主動加熱時，一部分熱量用于電池加熱，一部分熱量被Chiller吸收，最終整車熱泵能效比計算方法如公式（4）所示，計算結(jié)果更具客觀性。

圖7 空調(diào)采暖試驗制熱效率

式中，COPtotal為整車采暖能效比；QHP為熱泵制熱量；Qchiller為熱泵（Chiller）吸熱量；Qbattery為電池吸熱量；Pcom為壓縮機功率；Pheat同上為電機加熱功率。

經(jīng)對比，電機主動加熱熱泵的整車效率（平均56%）明顯低于電機加熱效率，其主要原因是受電池加熱需求限制，系統(tǒng)水溫高于環(huán)境溫度后，熱管理系統(tǒng)無法再借助散熱器吸收環(huán)境熱量，電機成為極低溫條件下開啟熱泵的唯一熱源，基于熱力學第一、第二定律可知，電機主動加熱熱泵的整車效率必然低于電機加熱效率。

4 結(jié)論

1）電機主動加熱技術在電動汽車領域具備可實施性，根據(jù)整車需求可將熱量分配予電池或熱泵使用；

2）受電機自身結(jié)構(gòu)及其特性影響，電機需先完成自熱才能向外界（冷卻液）輸送熱量，因此加熱初期收效甚微；

3）電機總產(chǎn)熱量受車速影響較大，怠速工況下，電機可提供的有效熱量約2 kW，加熱效率約70%；低速行駛（32 km/h）時，電機殼體與外界環(huán)境的對流換熱增大，加熱效率降至64%，冷卻液獲得有效熱量僅為2.4 kW；高速行駛（80 km/h）后，電機傳動損耗增大，平均總產(chǎn)熱量提升至3 kW，電機加熱效率建議參考停車工況；

4）通過電機低效產(chǎn)熱激活熱泵，效率過低，建議僅在極低溫工況下短時間輔助其他加熱設備進行快速補熱，長時間開啟將增大整車能耗；

5）作為提升整車采暖性能的新興功能，可考慮降低空調(diào)采暖PTC功率，通過電機主動補熱使采暖性能不受影響，達到降低整車開發(fā)成本的目的；而針對小改款車型，在不改變車輛配置的前提下增加電機主動加熱功能，更有利于提升采暖初期乘員艙的溫升速率。