【期刊】高性能全气候电动客车如何突破三大核心技术难题？ | 科技导报
The following article is from 科技导报 Author 林程、田雨等
随着新能源汽车规模不断扩大，环境工况适应性限制了新能源汽车产业进一步发展。通过新能源汽车国家检测与管理平台统计数据分析发现，中国新能源汽车保有量的84%分布在长城以南温暖地区和中心城市以及平原地区，而广袤的东北和西北地区则几乎成为新能源汽车推广应用的“禁区”。
新能源汽车的低温环境适应性能和复杂工况适应性能是阻碍其规模化应用的重要原因。针对现有动力电池系统低温环境可用容量衰减、现有驱动系统动力性差以及现有热管理系统能耗高等难题，本研究团队提出高性能全气候电动客车关键技术，成功实现了其冬奥会规模化应用，这有助于电动汽车行业突破“禁区”。
全气候电动客车平台关键技术研究基于堆叠夹层结构的全气候电池系统
新能源汽车低温环境适应性差主要原因为低温条件下锂离子电池性能大幅降低，充电过程可能引发析锂，长期使用寿命出现严重衰减，进而导致车辆续驶里程缩短。电池加热技术是突破中国新能源汽车低温应用瓶颈、改善电池低温性能的关键。
然而，加热元件在电池模组或箱体外表面的外部加热技术依赖充电桩供电，加热速度慢、效率低，难以实现极速加热；利用充放电时电池自身内阻产热的内阻加热技术能量利用效率低、加热电流大，长期加热损伤电池寿命。
图1 电池-加热片堆叠夹层结构原理
为突破上述难题，面向2022年冬奥会新能源汽车应用，全气候客车搭载了基于电池-加热片堆叠夹层结构的全新全气候电池技术。该结构既克服了现有内、外部加热传热路径远、加热效率低的构型本质缺点，又突破了加热片内置的全气候电池构型安全与可靠性差、难以成组的应用瓶颈难题。
图2 全气候电池系统剖面图
图3 全气候电池系统
为满足工程化及产业化要求，全气候电池系统采用了基于加热和工作相互独立的双回路架构。加热片设计方面，提出了超薄条栅结构加热片结构设计方法，加热片仅0.1 mm厚，且条栅结构可实现全气候应用。
控制策略方面，项目团队提出了全气候动力电池系统智能极速加热控制策略，工作回路与加热回路之间使用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率控制开关连接，具有驻车加热和充电加热多种工作模式，并可根据电池当前状态智能调节加热速率，保证了电池系统极速加热过程的安全可靠。
同时，智能极速加热控制策略采用软硬件双重触发控制，驾驶员加热控制指令为最高权限，加热接触器与智能车载终端加热开关为软硬件双重触发条件，最终实现整车控制器（VCU）与电池管理系统（BMS）协同控制的全气候电池系统智能加热逻辑。
新型双电机同轴自动变速驱动系统
北京冬奥会的宽工况运行环境对电动客车的驱动系统性能提出了更严苛的要求。为此，发明了一种新型双电机同轴自动变速驱动构型。在传动结构方面，为了进一步提高总成布置的紧凑程度以及传动效率，主电机与驱动桥直连，采用了基于行星排的两挡变速装置替代了原有的箱体式机械式自动变速箱结构。
图4 双电机同轴自动变速驱动系统构型
双电机同轴自动变速驱动系统具有多种工作模式，通过准确的转速和扭矩调节实现高效运行，在具有较高行驶舒适性的同时提升整车经济性。在双电机同轴自动变速驱动构型的基础上，设计了双电机协同换挡控制策略，如图5所示。
图5 换挡过程示意
以升挡为例，行星排变速系统的换挡过程主要涉及驱动电机的扭矩响应与换挡执行机构的位移动作，这与传统AMT换挡过程并无主要区别，主要分为卸载、退挡、调速、进挡和加载5个阶段。其中，调速又可细分为电子同步调速和机械同步调速。电子同步负责率先将转速差“粗调”到一定范围内，而后再通过同步器将转速差“精调”至目标转速。
双电机同轴自动变速驱动构型可以通过主电机和辅电机的扭矩协同，实现快速的扭矩变化，缩短换挡时间，实现无感换挡。
实际应用过程中，驱动系统的效率和性能严重依赖能力管理策略，所以，双电机同轴自动变速驱动系统面向复杂工况的最优控制难题需要通过优化规则策略解决。如图6所示，面向宽工况应用环境提出一种离线提取在线应用的全局最优控制方法。
图6 离线提取在线应用的最优控制方法
在典型工况的基础上，进行考虑换挡频次、动力性能及能量损失的离线全局优化，并采用支持向量机算法从最优工作数据中迭代计算出最佳换挡规律曲线以满足在线应用需求；基于特征参数进行实车工况识别，依据不同工况实时优化双电机功率分配策略，并采用自适应惩罚因子使得优化问题在微观与宏观时间尺度上解耦，实现了以总成效率为主，兼顾扭矩突变、温升平衡、动力中断等特性的综合优化，解决了山路连续爬坡等恶劣工况下行车时动力总成的低效、循环换挡、过温等难题。
整车多热源协同热管理系统
全气候电动客车在极端环境下的制热量（严寒环境）、制冷量（高温环境）需求较大，但目前的热泵空调技术的能效较低，不仅难以满足冷热需求，无法保证车舱的舒适性，还会使得系统功耗显著提升，从而降低全气候电动客车的续驶里程。
为解决空调的高能耗对全气候电动客车续驶里程的影响，拓宽热泵空调的工作温区，本团队研发了基于余热利用的喷射补气型热泵循环冷暖空调系统，如图7所示。
图7 基于余热利用的喷射补气型热泵循环
本团队进行了热泵机组的性能测试，测试装置如图8所示。实验结果表明，所研发的热泵空调工作温区可拓宽至-25~50 ℃；且在车外-20 ℃、车内20 ℃的工况下，制热能效比可达1.84；在车外35 ℃、车内27 ℃的工况下，制冷能效比可达3.23。
图8 热泵机组性能测试
动力电池的高效安全工作范围为15~35 ℃，其热特性是影响电池安全、寿命和使用安全的重要因素，因此其温控的合理设计是实现电动客车最佳功率性能和最长使用寿命的重要前提。针对纯电动客车，本团队创新地提出了以动力电池为核心的余热回收式整车液冷综合热管理方案，如图9所示。
图9 纯电动客车余热回收式整车液冷综合热管理
通过整车性能测试，与国外同类电动客车相比，采用本方案的全气候电动客车热管理系统功耗平均下降30%以上。燃料电池电堆产热量较大，设计整车级热管理系统利用电堆余热对提升能源利用率十分重要。本团队针对燃料电池电动客车，提出多热源耦合式整车一体化热管理方案，如图10所示。
图10 燃料电池客车多热源耦合式整车一体化热管理方案
考虑到燃料电池电堆对冷却液的低电导率和低流阻的要求，二通道完全隔离的铝制板翅式余热交换器方案满足了燃料电池系统和车舱环境间的高效换热需求，并实现了余热利用量的自适应控制及可余热供暖模式的智能切换，从而同时保障了车舱采暖的舒适性与燃料电池系统运行高效性的均衡。
实验测试表明，所设计的板翅式余热换热器在严格控制冷却液离子析出和保证高流量低压降的前提下，可实现在15 ℃温差下，换热量≥20 kW的效果。第三方检验报告显示，采用此方案后，全气候电动客车实际工况氢气消耗量降低11.6%。
全气候电动客车的实验及成果冬奥应用全气候电动客车实验效果
低温冷启动效果。搭载全气候电池系统的全气候电动客车可实现-40 ℃严寒环境下不借助外部能源自激活启动。
图11 全气候电动客车冬季实验
宽工况运行效果。本团队研发的双电机同轴自动变速驱动系统结构精简紧凑，特性完备优良，尤其适合纯电动公路客车应用需求，其扭矩密度达到14.44 N·m/kg，功率密度达到1.07 kW/kg，最高转速超过4500 rpm。
低温续驶里程提升效果。本团队研究的全气候电池、双电机驱动系统和整车一体化热管理方案应用于全气候电动客车上能显著提升整车低温续驶里程。图12展示了在-25℃环境下电动客车的续驶里程损失分析。
图12 整车低温续驶里程提升效果
全气候电动客车平台北京冬奥会应用
2022年2月4日至3月13日北京冬奥会冬残奥会期间，搭载基于电池-加热片堆叠夹层结构的全气候电池系统、适用于宽工况条件下的双电机同轴自动变速驱动系统和整车多热源协同热管理系统的全气候高性能电动客车，在环境温度-30 ℃、连续坡道超过7.5 km的工况下累计行驶里程超过60万 km，累计运送旅客超过10万人次，并实现了极寒低温环境下快速启动，达到零失误、零路障、零风险的三“零”目标。
图13 北京冬奥会应用
结 论面向电动客车向复杂工况、全气候应用发展趋势及北京冬奥重大需求，以北京理工大学牵头的技术团队研发了高性能全气候电动客车平台，突破国内外现有电动客车平台电池系统、驱动系统、热管理系统的三大核心技术难题。
北京理工大学联合荣盛盟固利新能源科技股份有限公司研发了基于电池-加热片堆叠夹层结构的全气候电池系统，实现了全气候电池系统严寒环境冷启动、智能极速加热控制及工程化；联合北京理工华创电动车技术有限公司研发了适用于宽工况条件下的双电机同轴自动变速驱动系统，实现了无动力中断协同换挡及基于公交大数据的策略优化；联合中国科学院理化技术研究所和湖南华强电气股份有限公司研发了整车多热源协同热管理系统，开发了基于余热利用的喷射补气型热泵空调，以及纯电动和燃料电池电动客车整车热管理方案；联合北京公交集团、福田汽车、宇通客车、安凯客车实现了批量化及推广应用。
应用本项目成果的高性能全气候电动客车成功服务于2022年北京冬奥会，核心技术也可推广至乘用车等电动汽车平台，有助于中国电动客车乃至电动汽车产业的技术水平和国际竞争力。
论文作者：林程，田雨，于潇，徐垚，蒋雄威，孙逢春
作者简介：林程，北京理工大学机械与车辆学院，教授，研究方向为汽车总体技术及电动客车动力平台；田雨，北京理工大学机械与车辆学院，博士研究生，研究方向为全气候动力电池低温热管理。
论文全文发表于《科技导报》2022年第14期，原标题为《高性能全气候电动客车的关键技术》，本文有删减，欢迎订阅查看。
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