插电式混合动力车采取热管理措施增加行驶里程

针对车辆开展的热管理优化过程始终还存在着较大的节油潜力。Eberspächer公司和Fraunhofer ICT公司进行虚拟研究的内容就是观察各种不同的技术和措施能产生怎样的效果。

1 行驶里程和燃油耗

2015年德国在固定线路上乘车上下班的人平均每天需经过33.6 km的路程到达上班地点。当前的插电式混合动力车单纯采用纯电动行驶状态就能完成该段路程的行驶，在冬季因车厢内用电采暖，电动行驶里程将会有所缩短。车厢内进行采暖和为挡风玻璃除雾的加热需求通常都是通过对动力电池能量进行电加热来满足的，以此就会导致电动行驶里程的缩短，因此采用电气化动力总成系统的汽车热管理已日益成为开发工作的重点。

Eberspächer公司和Fraunhofer ICT公司研究的目的是在低环境温度下进行实际测量的基础上，虚拟研究各种不同热管理措施对燃油耗和电动行驶里程的影响。除了常规采用正温度系数（PTC）加热器的系统之外，还研究了分别采用燃料加热器（BSHG）和热泵（WP）的加热系统。在适合于测量真实行驶排放（RDE）的路段上开展行驶循环考察。

2 汽车模型

紧凑型汽车的模型日前已成为虚拟研究的基础，这种模型是通过Modelica建模语言而建立的，其由具有重要意义的部件子模型组成，这些部件通过机械接口、电子接口和热接口而按照动力总成系统的布局连接起来。这些重要的子模型（图1）通过多项方程式来描述，其凭借测量数据而使部件形式参数化，并在整个系统中予以验证。

图1 用于汽车虚拟仿真的模块化组合部件

蓄电池通过由一个空载电源和一个串联电阻组成的替代电路图来建模，该电阻是一个基于特性曲线场的参数，其可依据电池温度、充电状态和电流由所提出的行驶数据并由此通过试验来确定。空载电压是充电状态的函数，同样通过试验来查明。因电池温度低而受到限制的电流对于制动能量回收具有重要意义，因而要予以考察。这种动态蓄电池充电极限在气温室中的不同充电状态和电池温度下予以确定。

能量转换器的建模借助于一个多项式方程，并通过损失特性曲线场图像来开展。这种模型可用于考察物理关系，因此在特性曲线场范围内将达到良好的近似性，无需或仅需很少的测量数据就能满足这种近似性。这些参数用所提出的行驶数据可通过试验来进行调整。

图2左图示出了电机的测量数据及其损失功率特性曲线场，右图示出了内燃机的燃油质量流量特性曲线场。汽车模型用于单纯的纵向动力学考察，采用非因果关系结构就能详细描述驾驶员意愿与汽车驱动之间的相互作用和相互影响，而速度谱则作为驾驶员预设的目标。

为了验证汽车模型，在认证用转鼓试验台上进行全球统一的轻型车行驶循环（WLTC）以及相当于RDE规范时的真实行驶速度谱试验。 这种试验在环境温度23 ℃和车厢内无热调节的情况下进行。 在德国Karlsruhe市周围尽可能平坦的路段上行驶并记录真实的行驶谱，总行驶里程102 km，其中市区行驶里程31 km，长途行驶里程29 km，高速公路行驶里程42 km 。

图2 电机具有75 kW的峰值功率；

汽油机功率为110 kW

表明对汽车具有重要意义的量值在实际测量与模拟之间的偏差总是低于5%，汽车模型能很好地描述所选择的车辆，在紧接着的热管理系统研究中可作为基础模型。

3 热管理系统模型

基准系统具有3个独立的冷却循环回路。在纯电动行驶时由高温（HT）循环回路中的调节车厢内温度的PTC加热器承担车厢内的采暖。内燃机同样也位于这个循环回路中，其运行时的废热也被用于车厢内的采暖。两个低温（NT）循环回路则用于电驱动动力总成和动力蓄电池的冷却，而并不规定蓄电池要加温。作为可选择的加热技术，在必需5 kW加热功率等级中针对Eberspächer公司的BSHG和WP也建立了模型。

车厢内部空间被设定为通过向环境和其中物件进行传热的均质容积来进行建模。为了确定必需的热参数而开展了冷却和加热试验，车厢内部空间被分成不同的区域，并计算内部空间的平均温度，另外还要确定热管理系统的热量，其中由于内燃机给蓄电池充电，系统会加载一定的热负荷。根据所记录的部件温度就能推断出热管理系统的转换点。

紧接着，通过至车厢内部空间、内燃机、电机和功率电子器件的热界面以及通过蓄能器蓄电池和燃油箱的界面，将通过验证确认的汽车模型与各种不同的热管理方案模型联结起来。

4 模拟结果

在较低的外界温度下评估热管理措施对燃油耗和电动行驶里程影响的研究。车厢内部额定温度根据环境温度而定。首先考察汽车不进行预先调节的热状况，此时蓄电池温度相当于环境温度，并假定其温度稳定不变，汽车以电动模式起动直至蓄电池达到最低充电状态为止，然后起动内燃机，并使蓄电池处于充电状态。

图3示出了在环境温度为-5 ℃时的电动行驶里程与RDE行驶路段的比较，其表明采用BSHG加热器的汽车能达到最长的电动行驶里程，这是由于为满足车厢内部采暖需要无需消耗蓄电池的电能。加热器的最大功率决定了加热阶段直至达到额定车厢内部温度的持续时间，而在电加温（PTC，WP）的情况下缩短这种加热阶段仅能得到较短的电动行驶里程。

图3 电动行驶里程和汽车不预先调节热状况

在RDE 行驶路段上达到额定车厢内部温度

因此，在已将汽车车厢内部温度预先调节到额定温度的情况下比较加热技术，则与其最大功率无关。图4左图示出了在各种不同环境温度下的电动行驶里程，在-5 ℃环境温度情况下，采用BSHG加热的汽车的电动行驶里程比采用PTC加热的基准系统增加了33%，而比采用WP加热的汽车增加了8%。在使用BSHG加热的情况下，环境温度降低时电动行驶里程减少单纯是由蓄电池内部电阻增大和可利用的剩余功率减小所引起的。与采用BSHG的加热器相比，采用PTC加热器减少的电动行驶里程随着环境温度的降低而增大。

图4右图示出了在-5 ℃环境温度时相应的燃油耗。由于效率及燃油中所含能量较高，使用BSHG加热器调节热状态所需的燃油量仅有0.31 L，该数值是相对较低的，与传统的PTC加热系统相比，其电动行驶里程较长，且其总燃油耗仍降低了7%，对比表明采用WP加热的汽车燃油耗降低了8%，但是如果为在更低的环境温度下达到额定的车厢内部温度和确保挡风玻璃除雾的话，WP的功率依然是不够的。

图4 电动行驶里程与环境温度的关系以及

在-5℃ 环境温度情况下的燃油耗

5 开发潜力

在低温情况下蓄电池内部电阻增大及与其相关的电动行驶里程减少可通过蓄电池加温予以避免，为此在冷却循环回路中集成了一个附加的热交换器（WT）（图5中经修改的WT），它是从高温循环到低温循环回路的热交换器，因此BSHG加热器的热量可用于蓄电池的加温。

图6左图示出了试验场景中的蓄电池充电曲线，它从最初的蓄电池温度-10 ℃出发，并对基准系统（传统系统）与经修改后的系统（经修改的BSHG）进行比较。蓄电池加温使得其内部电阻得以快速降低，并且汽车制动时能更早地回收电能，从而使电动行驶里程比基准系统增加了60%，而内燃机较晚地起动运行补偿使用BSHG加热器所多消耗的燃油绰绰有余，因而总燃油耗可降低达15%（图6右图）。

图5 经修改的高温和低温循环回路

图6 蓄电池有和无加热的蓄电池充电状态

曲线和燃油耗曲线的比较

6 结论

WP系统具有最低的总燃油耗，但是在低温情况下电动行驶里程和可使用的发热量必然会有所减少。相比而言，BSHG系统能提供最长的电动行驶里程，因此与采用PTC加热器的系统相比，其在所考察的行驶循环中能明显降低燃油耗。

BSHG加热器加上PTC加热器，以此使得优势更为显著，在开始行驶之前车厢内部空间就已调节好温度，蓄电池也已被预先调节到充电状态，而在行驶期间BSHG加热器系统又能使汽车获得最长的电动行驶里程，即使在外界温度极低的罕见情况下，这两种加热器在电动行驶运行中也能共同确保驾乘人员所习惯的舒适度。

7 展望

所介绍的热管理模型功能被扩展至可进一步减少发动机机油和变速器油的热量，以检验降低燃油耗的附加可能性，通过优化热管理节油和节能尚存较为显著的潜力。同时为了将加热器的CO和HC排放减少到最低程度，利用整体式氧化催化转换器加热还存在着额外的可能性，而代用燃料在不增加CO₂排放的环保层面上具有进一步优化的潜力。

【德】G.EBERSPACH等

【整理】范明强

【编辑】伍赛特