然而，对于混合动力汽车而言，热管理系统具有多热源、多温度和变温度的特点，其设计不仅影响零部件的可靠性和寿命，而且还与排放和效率密切相关。苗龙设计了一套分布式混合动力热管理系统，采用高低温双循环回路冷却系统，其原理是根据部件的散热需求分别用高温和低温冷却回路进行冷却，结果显示冷却系统的散热效率明显提高。李峰在此基础上设计了混合动力整车热管理系统，在低温环境下利用动力部件温度相互耦合的关系对动力部件进行预热，提高了动力部件 在低温环境下的性能。在所有附件中，空调系统是耗电量最大的，在低温情况下电动汽车通常采 用 PTC 加热器。相关分析表明：在冬季低温时使用 PTC 加热器能耗较高，整车续航会下降将近 30%， 该制热方式对车辆的续航能力造成了巨大影响，因此开发出一套适用于混合动力汽车的高效热管理 系统就显得尤为重要。
本文以某混合动力汽车为研究对象，分析热管理系统功能并确定最佳温度区间，建立整车热管理系统。针对车辆低温制热时存在的整车能耗高、热管理系统效率低的问题，提出“热泵系统+PTC” 的混合制热系统，基于 AMESim 软件建立整车热管理系统模型动态仿真模型，结合 NEDC 工况对系统性能进行分析和研究。
1 整车热管理系统架构
1.1 车辆动力传动系统结构
✦ ✦✦ ✦✦ ✦✦ ✦
在进行热管理系统架构研究之前，需要混合动力的车辆传动系统及整车行驶模型，本文采用通过行星齿轮组双电机直连式混合动力传动系统结构作为研究对象，其构型如图 1 所示。
图 1 车辆动力系统构型
确定动力系统结构之后分析混合动力汽车的行驶模式一般包含二种行驶模式，即电量消耗模式 （CD 模式）和电量维持模式（CS 模式）。电量消耗模式（CD 模式）是当电池 SOC 高于控制策略 设定的放电截止 SOC 时，整车在行驶过程中消耗电池能量以纯电动行驶，电池 SOC 不断下降。当电池 SOC 降低至放电截止 SOC 时，整车行驶模式切换至电量维持模式（CS 模式），此时启动发动机单独驱动整车，在有剩余功率输出的情况下带动电机给电池充电，电池 SOC 升高至充电截止 SOC 时切换回。这两种工作模式均是以电池 SOC 作为控制参数来设计的。
整车在行驶过程中，模式的选择不仅和需求 SOC 有关，还和功率、各部件的工作温度有关。为了便于研究，选择各部件的出口水温作为最佳工作温度的定义，混合动力整车热管理系统各部件的工作温度如表 1 所示。
✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦
1.2 热管理系统的架构
✦ ✦✦ ✦✦ ✦✦ ✦
本文研究的整车热管理系统结构示意图如图 2 所示，发动机、电机和电池分别进行独立冷却。
图 2.混合动力整车热管理系统架构示意图
✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦
2 基于 AMESim 建立热管理系统模型
在 AMESim 中搭建混合动力热管理系统时，首先要结合动力部件的参数选取合适的动力部件模型，并搭建热管理系统模型。
2.1 整车动力学模
✦ ✦✦ ✦✦ ✦✦ ✦
混合动力汽车整车动力学模型如图 3 所示，主要包括驾驶员模型、发动机模型、传动系统模型。 整车动力部件参数如表 2 所示。
图 3 整车动力学模型
整车动力模型搭建之后在不同工况下验模型的动力性是否满足基本需求。
图 4 和图 5 分别是模型在 FTP 和 NEDC 工况下的车速跟随情况，环境温度为 20℃，从图中可以看出车速跟随情况较好，满足本文的基本需求。
图 4 FTP 循环工况车速跟随曲线
图 5 NEDC 循环工况车速跟随曲线
✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦
2.2 整车热管理系统模型
✦ ✦✦ ✦✦ ✦✦ ✦
本文在 AMESim 软件中结合各部件的参数选取相应的模型，按照热管理系统架构搭建整车热管理模型，如图 6 所示。
图 6 整车热管理系统模型
✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦
3 热管理系统各部件温度分析与优化
3.1 制冷工况下的热管理系统的温度分析
✦ ✦✦ ✦✦ ✦✦ ✦
本文重点研究混合动力热管理系统在 NEDC 工况下，不同温度热管理系统的产热量，包括发动机、电机、乘员舱、电池等动力部件的产热，其中重点研究乘员舱和电池热管理系统的产热与优化。接下来对整车热管理系统进行制冷情况下的动态仿真，仿真中车速按照 NEDC 工况车速进行测试， 制热时环境温度分别为-20℃、-10℃、0℃，湿度为 15%，辐射强度为 0，乘员舱温度与环境温度相 同，采用单独 PTC 加热。发动机、乘员舱和电池的温度仿真结果如图 7-9 所示。
制冷时环境温度分别 25℃、30℃、40℃，由于乘员舱的温度需要考虑到太阳辐射，所以在环境温度的基础上增加为 1.2 倍，湿度为 40%，辐射强度为 10，电池 SOC 初始值设为 0.9，发动机、乘员舱和电池的温度仿真结果如图 10-12 所示。
✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦
3.2 热管理系统优化
✦ ✦✦ ✦✦ ✦✦ ✦
从图 7、图 8 和图 9 可以看出，发动机的温度在四个不同的初始温度下都稳定在 86℃左右，工作在最佳温度范围内。相反，电池和乘员舱的温度在-20℃、-15℃时，与目标温度相差较大，偏离了最佳工作温度。这主要是和两个方面的因素有关。
⑴乘员舱和电池的加热方式采用单一 PTC 电加热，但其能效比小于 1，加热效率低，并且在制 热时会损耗 30%~40%的能量。
⑵热管理系统中动力部件的冷却采用独立冷却，虽然可以对动力部件进行独立的控制，但缺乏相互之间的互补调节，比如启动温度过低时，除了采用 PTC 电加热器进行加热，还可以对乘员舱和 电池系统进行预热。
通过对乘员舱和电池低温时温度偏离最佳工作范围的原因分析，本文根据整车行驶模式以及各个部件温度，对原先的热管理系统架构进行优化，将乘员舱和电池的加热系统改用热泵空调+PTC 加热，另外增加预热系统，不仅可以满足各动力部件在高温下的冷却需求，而且能够实现动力部件之 间的预热，以保证动力部件在工作时，温度能在最佳工作范围内。优化后的热管理系统架构示意图如图 11 所示。
图 11 混合动力整车热管理系统架构示意图
热管理系统除了发动机、电机和电池独立冷却系统外增加了预热系统。
车辆启动时，如果动力部件温度都低于 0℃，考虑到电池充放电性能和循环使用寿命会大幅度 下降，而发动机可以在较低温度下工作，故此时发动机单独作为动力输出，预热器回路关闭，发动机独立冷却，当发动机冷却液温度达到 80℃以上时，预热器回路打开，发动机给电池预热。当电池温度达到 20℃以上时，预热器回路关闭，停止预热。
在 AMEsim 搭建优化后的热管理系统，如图 12-13 所示。
优化后的热管理系统搭建好后，在NEDC工况下进行仿真研究，制冷模式的温度选取25℃、35℃、 40℃。制热模式的温度选取-20℃、-15、-10℃，乘员舱和电池的温度如图 14-17 所示。
从优化后的结果可以看出，制冷模式下乘员舱的温度可以在 20s、25s、60s 的时间内冷却到舒适温度 22℃，电池温度也可以冷却到 25℃~28℃之间。制热模式下乘员舱的温度可以在 98s、38s、23s 的时间内加热到 20℃~23℃之间，电池的温度可以加热到 21℃~25℃之间，表明优化后的结果保证了乘员舱在最佳舒适温度内、电池工作在最佳工作温度，满足要求。
✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦ ✦
4 结论
本文基于 AMESim平台对混合动力汽车整车热管理系统在NEDC工况下不同温度进行仿真分析， 发现原先的热管理系统无法满足乘员舱和电池的工作在最佳温度范围的要求，对热管理系统架构进 行了优化，增加了热泵空调+PTC 的加热模式和预热模块。优化后的热管理系统有效的对乘员舱和电池进行高温冷却和低温加热，从而使得乘员舱在加热时温度在20℃~23℃之间，制冷时温度在 22℃， 电池在加热时温度在 21℃~25℃之间，制冷时温度在 25℃~28℃之间，保证了乘员舱的舒适度和电池工作在最佳温度范围。
免责声明：文章来源 2022 汽车空气动力学分会学术年会作者：曾凡宇，张志军，倪明洋，郭家玮（东北大学 机械工程与自动化学院)；本公众号致力于好文推送，基于分享目的转载，尊重原创，版权归原作者所有，如有侵权，请联系我们予以删除，资料仅供私下交流学习使用。
联系客服
