纯电动汽车热泵型整车热管理系统标定与试验技术研究

纯电动汽车热泵型整车热管理系统标定与试验技术研究摘要：热泵型整车热管理系统已经逐渐成为目前大部分纯电动汽车的标准配置，但相较于传统的燃油热管理系统，热泵型整车热管理系统因其涉及的技术领域比较多，开发过程也更为复杂。本文主要以某车型的热泵型整车热管理系统实际开发过程为例，对整车热管理系统标定与试验相关开发流程和技术进行了研究探讨。关键词：纯电动汽车；热泵型整车热管理系统；标定；试验ResearchoncalibrationandexperimenttechnologiesforaheatpumptypeofbatteryelectricvehiclethermalmanagementsystemAbstract:Theheatpumptypeofthermalmanagementsystemhasgraduallybecomethestandardconfigurationofmostbatteryelectricvehicles.Itismorecomplexthanthetraditionalfuelvehicleheatmanagementsystembecauseitinvolvesmoretechnicalfieldsandthecomplexdevelopmentprocess.Inthispaper,thedevelopmentprogressbothwithtechnologiesinvolvedintheheatpumptypeofthermalmanagementsystemhavebeenstudiedwithtakinganactualvehicledevelopmentasanexample.Keywords:Batteryelectricvehicle;Heatpumptypeofthermalmanagementsystem;Calibration;Experiment随着电动车技术发展以及政策推动等原因，纯电动汽车已逐渐成为行业和消费者的关注热点。根据数据调研显示，2019年全年新能源汽车乘用车总销售量为106万台，同比增长4%，其中纯电动汽车销量为85.3万台，同比增长12%，占据新能源汽车总销量的80.5%[1]。同时，随着销量分布区域的扩大，对工作环境温度的需求跨度也逐渐在增加中。目前，纯电动汽车的使用区域已遍布热带、温带、寒带和极寒等地区，各种气候环境所带来的使用问题也逐渐暴露出来，其中极端温度环境下的续航里程衰减和快充时间延长是当前诸多纯电动汽车的两大痛点[2]。目前，多数纯电动车汽车均配置有整车热管理系统，主要功能包括乘员舱热管理、电池热管理、电驱动和附件热管理等，通过热管理系统的控制与调节，可以保证乘员舱、电池、电驱动及附件等在各种外界气候和条件下均处于较为适宜的工作温度范围[3]。另一方面，因为纯电动汽车热源不足的问题，如果采用PTC作为补充热源，则会存在因PTC耗能较高，而导致的低温续航里程严重衰减的问题。因此，行业中已逐渐导入热泵作为低温环境下的高效热源，同时对电驱、动力电池、乘客舱空调的温控进行全面考虑，构建更加高效节能的整车热管理系统[4]。本文针对某纯电动车型的热泵型整车热管理系统，按照V字型开发流程，着重对系统标定和试验验证等领域中的重点开发技术进行了综合研究，提出了完整的热泵型整车热管理系统所需的测试与验证流程以及技术方案，并通过试验证实了其可行性。本文以某带电机余热回收功能的热泵型整车热管理系统为例，展开相关研究。如图1所示，其系统主要包括：乘员舱空调制冷剂系统、乘员舱加热水回路系统、电池热管理水回路系统以及电机散热水回路系统共4个模块。可以实现热泵加热乘员舱或电池、PTC加热乘员舱或电池、乘员舱或电池冷却、电机余热直接利用、热泵回收电机余热、电机散热等多项功能，在满足乘员舱热舒适性需求的同时，调整电池温度处于合适的工作区间，以及保证三电系统在高温条件下的热安全性能。该热管理系统可以相对较容易地实现乘员舱、电池和三电系统的智能温度控制，有利于整车热管理能耗的改善，并进一步提升整车在高低温环境下的续航里程。但同时，与传统燃油车热管理系统主要集中于发动机冷却和乘员舱冷暖需求相比，该系统的服务对象增加了包括电池、电驱和小三电等系统，系统结构和功能更为复杂，对热管理的性能要求也更高。如图2所示，目前主流的整车热管理系统开发流程主要采用了从需求分析与性能构想，到目标设定与分解，再到系统与详细设计，最后到性能一致性验证的V字形开发流程。本文则主要针对性能目标达成过程中的标定与试验环节进行详细研究。通常，一个完整的热泵型整车热管理系统的性能标定与试验流程至少需要包含台架性能测试、环模性能测试、整车标定、整车试验和性能验收等部分，即先在焓差台架上对热泵系统的整车极限和使用的各模拟工况进行试验验证，初步确认核心零部件的可行性，再在环模实验室中对整车热管理的热安全和高低温性能进行验证，再通过路试标定进一步完善系统功能与性能表现，最后再进行整车热安全和高低温性能验收。该流程的优点在于，通过早期对台架性能的验证，可以尽早完成系统方案确定和核心零部件选型，同时在中期预留出路试与标定的时间以用于系统性能优化，并在最后完成对整车热安全和高低温性能等各项整车热管理性能指标的考核验证。3系统台架性能验证一种热泵型整车热管理系统的试验台架示意图如图3所示，该台架主要包括电动压缩机、水冷冷凝器、室外换热器、电磁阀、电子膨胀阀、气液分离器、空调箱、板式换热器、三通阀、水泵、PTC、膨胀水壶、传感器等。该台架与整车热管理系统的主要区别点在于：取消冷却风扇，改为外部进风装置模拟送风；取消电机水回路系统；取消电池包，改为外部进水装置模拟电池；外接增加部分制冷剂PT传感器、冷却液温度传感器与流量传感器等，用于监测系统状态与计算换热量。该试验台架的主要测试设备与工具的规格型号参考如下表1。通过该台架，可以实现零部件通讯调试、功能模式测试、部分参数预标定等功能，并可以对系统最大性能进行快速验证，从而初步保障热管理系统正常与稳定运行。123456789-本热管理台架的性能测试中，主要考核工况如下表2所示。本文挑选其中部分工况为例进行详细说明，其余工况则因篇幅有限暂不赘述。表2热管理性能台架测试工况表[5]环境温度(℃)123456789002制冷剂充注量是影响系统空调性能的重要参数之一，因此在性能测试前首先便需要进行充注量测试。性能台架上制冷充注量和制热充注量的测试结果曲线，如图4与图5所示。分析可知，整个充注过程可以划分为三个阶段。1）加注初期因气液分离器储液不足，随着充注量的增加，系统回路内的冷媒流量逐渐增大，压缩机的做功功耗也在增加。但因为换热能力的提升更加明显，系统COP处于明显上升阶段。2）平台期继续增加充注量至一定值时，气液分离器开始储液，回路内的冷媒流量保持较为稳定的状态，系统进入平台期，各性能参数无明显变化。3）加注后期当充注量超过某一定值后，此时气液分离器内已经充满，回路中的冷媒量超过系统最大能力。同时，压缩机排气压力和做功功耗重新开始增加，导致系统COP转而下降。通过制冷剂充注量试验完成并确定了合适的充注量以后，进行了热管理性能台架各测试工况的试验，具体结果详见表3。1-2-3456789热泵系统在工作时，因为需要从低温环境中吸热，室外换热器的温度一般保持在很低的状态。因而当环境湿度较高时，室外器表面容易凝结霜层，导致吸热效率下降或无法吸热，进而影响热泵系统的正常工作。因此，在室外器表面结霜时需要及时进行化霜处理。其方法主要是通过将压缩机热量传递到室外器表面的方式，具体可以通过三角循环或者正常的制冷循环实现。同时，因为室外器表面在除霜后仍会堆积大量水分，可能会在短时间内反复结霜，影响系统使用。因此，需要进行循环结霜化霜的性能测试。如下图6所示即为循环化霜性能的测试结果。分析结果可知，室外器表面在约90min时开始出现结霜现象，到完全结霜大概用时200min。而后开始进行首次化霜，1min后霜层已基本消除，同时在此后重复三次的30min循环结霜测试中均未出现明显结霜现象，因此可判定循环化霜性能满足要求。3整车环模性能验证因为纯电动汽车驱动方式和核心零部件与燃油车不同，在整车热管理设计工况和目标上与传统燃油车也有差异。通常，传统燃油车的整车热管理主要集中于冷却系统热安全、发动机舱热害以及乘员舱热舒适性三大块，而纯电车型则因为取消了发动机，增加了电池包及电驱系统等，在保持乘员舱热舒适性的基础上，多出了三电温度限制、电池高低温快充时间延长、整车高低温续航里程衰减等新的关注点。综合来说，纯电车型的热管理设计指标主要可划分为以下几类，即热安全指标、热舒适性指标和全气候用户使用便利性指标[10]。对于整车级热管理性能指标，则需要在环境模拟实验室中进行实车测试。如表4所示，展示了热泵型整车热管理系统的环模性能验证的考核工况。表4热管理环模测试工况表[5]环境温度(℃)123456789根据上述工况，在环境模拟实验室中对整车性能进行相关测试，其中部分结果如下表5所示。12345674整车实车道路标定传统燃油车的热管理系统因为多采用热力膨胀阀及皮带轮式压缩机，无法对压缩机转速和膨胀阀开度等进行主动控制，因此需要控制的电器件较少，主要集中在空调箱体上，如风门电机和鼓风机，控制模式也十分简单。而对于本文中的热泵型整车热管理系统，因为采用了电动压缩机、PTC、电子膨胀阀、电子水阀、电子水泵、电子风扇等电器件，且同时涉及到乘员舱、电池、电机等系统管理，控制模式高度复杂化，控制难度也大幅度增加。因此，除了控制策略需要重新制定外，对于标定的需求也更加精细化。标定是对于控制策略的完善，因此针对不同的控制软件，需要标定的参数也是不尽相同的。本文主要以某热泵型热管理系统的开发软件为例，对软件中的标定参数和工况等进行简要说明，如下表6所示。1234通常，可以先在环境模拟舱中对上述的标定工况与参数进行初步标定，以保证整车热管理功能的正常运行，但最终仍需在寒热区等实际道路上进行冬季、夏季以及春秋季的适应性标定，以此确保在复杂且不断变化的实际环境中仍能充分满足用户的使用需求。本文以寒区标定中的部分实例工况进行说明。为实现热泵制热对不同目标水温的快速响应和稳定运行，需对压缩机转速的PID控制参数进行标定。具体步骤主要是在热泵工况下，将目标水温每隔一定数值依次阶梯增加，再依次阶梯递减，同时根据系统的响应状态实时调整相关控制参数，从而确保每次调整目标水温后，系统均能快速响应，中途无明显超调，且稳定后的水温与目标值的偏差保持±1℃范围内。如图7所示，表示了压缩机转速的标定结果。当乘员舱和电池同时请求加热时，系统需要根据两者的需求自动控制三通比例阀的开度，以实现热量自动分配。因此，需对三通比例阀的控制参数（变化步长、变化时间等）进行标定。具体步骤主要是在电池加热开启后，使三通比例阀的开度逐渐向电池侧偏移，同时根据暖芯水温的变化以及电池升温的效果等调整相关控制参数，从而确保在阀偏移的过程中，PTC和压缩机可以及时补热保持暖芯水温在目标值附近，同时电池水温在合适时间内增加至目标值。如图8所示，表示了三通比例阀的标定结果。本文以某带电机余热回收功能的热泵型整车热管理系统的实际开发过程为例，对热管理系统测试与标定的相关开发内容和技术进行了研究探讨，并得出以下结论：（1）相较于传统燃油车热管理系统主要集中于发动机冷却和乘员舱冷暖需求性能，纯电动汽车热泵型整车热管理系统的服务对象有很大的差异，除了电机冷却性能和乘员舱冷暖需求性能以外，还需要进一步关注电池和电机控制器的热管理性能。因此，两者在性能测试与评价的方法方式上有很大差异。（2）为了顺利达成整车热管理系统性能指标，其验证与测试流程至少需要