某间接式热泵架构电驱低温余热利用控制方法的仿真优化研究

王多衎何艳则贺子龙 AI汽车制造业 2026-08-04

以某间接式热泵架构的热管理系统为研究对象，提出一种利用电驱余热的控制策略优化方法。利用MATLAB/Simulink平台和KULI平台搭建整车控制模型和热管理模型，针对-7℃低温CLTC续驶工况和高速工况，通过控制水路三通阀开度，实现电驱余热不同利用形式：电驱自蓄热、加热电池和加热热泵，将电驱能耗、热管理附件能耗、电池损耗和电池放电量等综合能耗作为评价依据。仿真结果表明：电驱余热利用策略以电驱自蓄热为主，加热电池为辅，电池温度达到20℃后，加热热泵的策略为整车能耗最优策略。CLTC整车100km电耗降低0.38kW·h/100km（折算里程约14km）。

0 引言

发展新能源汽车的国家战略之下,《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022-2030年）》提出到2030年纯电动乘用车新车平均电耗大幅下降的目标，因此降低电耗成为提升产品竞争力的关键因素。

电驱余热利用是纯电动汽车的一项重要的节能技术，可以有效提高电动汽车的能量利用效率，增加续驶里程，降低运行成本，随着该项技术的不断发展与广泛应用，受到了各大主机厂的青睐。

高达义等人研究了电机余热对电池以及整车能耗的影响，低温续驶里程均有所提升；王彦等人研究了电机余热与PTC共同加热乘员舱的方法，整车能耗消耗降低0.20%～3.98%；行业与高校还开展了电驱余热技术的相关研究。

本文结合某在研的间接式热泵热管理架构，在-7℃环温下分别对电驱余热不同利用方式：电驱自蓄热、加热电池和加热热泵等方案进行仿真对比分析，研究电驱余热利用的最优控制策略。

1 热管理架构及整车参数

本文的研究对象为带间接式热泵架构的BEV车型，同时具备电驱余热加热功能，如图1所示。

图1 间接式热泵架构－电驱水回路示意

通过阀1和阀2的不同状态组合，可实现电驱自蓄热、加热电池和加热热泵空气源等功能，如表1所示，状态00代表电驱自蓄热，状态11代表加热电池，状态22代表加热热泵空气源。

该间接式热泵架构搭载于某两驱B级轿车，整车及关键部件基本信息如表2所示。

2 电驱余热影响因素

电驱余热是指电动汽车驱动电机在能量传递与转换过程中产生的能量损失转化的热能，在低温环境下可回收利用，提升整车能效与续驶里程。

电驱余热可利用的热量根据传递路径定义为

式中，P_Emot为电驱电功率；η_Motsys为电驱系统效率，η_Heatexhg为水路换热效率。

电驱输入电功率P_Emot主要取决于整车需求功率与传动系效率，属于整车及系统的物理特性，徐禅等人研究了低温环境下的整车阻力。低温环境下整车阻力相较于常温会有所增大，即P_Emot增大，且温度越低增加幅度越大。

η_Motsys在纯电车型里通常定义为

式中，η_Mot为电机效率；η_{In Verter}为电驱逆变器效率；η_Frd为主减速器效率。

根据台架测试数据经验，η_Frd受温度的影响比较明显，低温环境下，η_Frd会有较大幅度劣化。

η_Heatexhg为水路换热效率，通常取决于热传递面积、传热系数、温度差及冷却液流速等因素。

3 电驱余热降能耗原理

3.1 电驱余热自身蓄热

为了进一步对电驱系统低温特性进行研究，台架进行-7℃环温条件下，电驱进液温度（-7℃、0℃、20℃）下的电驱系统损耗测试。结果表明电驱进液温度为20℃时，其系统效率较-7℃时提升3%～7%。

3.2 电驱余热加热电池

电池加热降能耗、增续驶的效果主要体现在三个方面：电池容量、阻抗损耗和放电深度。

在低温环境下，电池容量急剧减小。台架进行了不同环温条件下电池容量特性测试。测试结果表明：单体电池温度越低，电池容量衰减百分比越大，电池温度达到20℃后，电池容量基本无衰减。

电池在低温环境下的阻抗损耗体现在电池内阻出现明显的增大趋势，且该部分损耗不可逆。

电池在低温环境下的最低可放电SOC称为最低放电深度。温度越低，最低放电深度越小，放电量越少。

3.3 电驱余热给热泵加热

热泵加热降能耗的基本原理可简略描述为通过电驱余热给热泵空气源加热，提高EVA-CDS进气温度，间接提高压缩机制冷剂入口温度，降低压缩机功耗。其中压缩机功率计算公式为

式中，P_COM为压缩机功率；m为制冷剂的质量流量；h为焓值；η_t为压缩机机械效率；η_m压缩机压缩效率。

4 电驱余热利用最优流程

整车低温能耗联合仿真遵循能量损耗最小化原则，对整车传动系能量损耗与热管理附件能耗进行综合优化分析，优化流程如图2所示。

图2 整车能耗优化流程

优化流程中涉及的阈值需结合电驱余热利用控制策略确定，控制策略设计流程如图3所示。

图3 控制策略流程

5 整车仿真结果对比分析

5.1 基础模型对标

纯电车型经济性评估采用CLTC工况，仿真和试验对标结果见表3。电驱能耗偏差3%左右，热边界偏差2.5%，满足模型对标分析偏差要求。

5.2 仿真分析结果

5.2.1 电驱余热加热电池

仿真分析工况为CLTC工况和100km/h等速工况，CLTC工况包含瞬态工况（3个循环）和稳态工况（3个循环），如图4所示。

图4 CLTC工况

仿真分析方案设定见表4，条件1为A并B；条件2为C或D。

A：电驱进液温度与单体电池温度差值>A

C：电机定子温度与单体电池温度差值<C

B：电机定子温度与单体电池温度差值>B

D：电池进液温度与单体电池温差阈值<D

CLTC仿真分析结果：整车能耗Case1较Base方案降低0.38kW·h/100km（折算里程约14km），见表5，由于CLTC循环电驱进液温度基本维持在20℃以下，Case2/3可视同Case1结果，不再展示。

100km/h等速工况仿真分析：Case3整车能耗最优，较Base方案策略降低0.45kW·h/100km（折算里程约8km），见表6。

电驱进液温度对比如图5所示，单体电池温度对比如图6所示，展示了Base与Case1方案的热边界过程曲线，电驱进液温度相差约14℃，电驱定子温度相差约9℃，单体电池温差约2℃（电池温差小于2℃，温度对电池放电量的影响可忽略）。

图5 电驱进液温度对比

图6 单体电池温度对比

综合CLTC工况与100km/h等速工况的仿真分析结果，电驱余热控制策略推荐Case3。

5.2.2 电驱余热加热热泵

依据5.1节分析结果，电驱以自蓄热为主整车能耗表现较优，本小节进行电驱自蓄热与电驱余热给热泵加热进行整车能耗分析对比。

方案定义：Case1为电驱余热给热泵加热；Case2为电驱自蓄热。

实现方式类同5.1小节，本节不再展开说明。

CLTC工况仿真分析结果如表7所示，Case2较Case1整车电耗降低0.39kW·h/100km（折算里程约14km）。其中：电驱系统电耗Case1较Case2增加0.08kW·h/100km，折算电耗增加0.56kW·h/100km；热管理附件功耗Case1较Case2降低47W，折算电耗0.17kW·h/100km。