邱健蓄电池低温条件下发动机-电池耦合热管理系统的结构改进与分段模型预测控制策略
来源：
邱健蓄电池 发布时间：2026-03-09 17:10:15 点击： 次
摘要
为解决混合动力汽车（HEV）在低温环境下发动机-电池耦合热管理系统（CTMS）效率低下与控制精度不足的难题，本研究提出一种高效协调热管理策略。首先，设计了一种改进型CTMS结构以提升余热利用率，并基于规则控制策略，对比分析了该结构与传统结构在不同环境温度下的电池预热效率。其次，针对改进后的发动机-电池联合热管理系统，本研究设计了融合动态权重调整的多变量分段模型预测控制（MPC）策略，以进一步提升控制精度与能量利用效率。模拟结果表明：在FTP-75和WLTC两种行驶工况下，优化后的系统结构将电池从-20°C∼−5°C预热至25°C所需时间分别缩短了61%和50%以上。此外，与基于规则的控制策略相比，分段MPC策略实现了对发动机冷却液与电池温度的双重精确调控，相对误差始终保持在1%以内，同时显著抑制了执行器的高频振荡。因此，所提出的系统架构与控制策略为低温环境下混合动力汽车的高效热管理提供了理论严谨且工程可行的解决方案。
引言
低温环境会显著降低混合动力汽车动力系统的热管理效率，导致续航里程缩短与整体性能衰退[1]。冷启动工况下，发动机面临燃烧效率低下、排放增加及磨损加剧等问题[2][3]；与此同时，动力电池会出现电化学反应速率下降、内阻升高等现象，进而引发容量衰减、功率受限及安全裕度降低等后果[4][5][6][7]。这些特性共同导致了更高的能量消耗与更低的热效率。因此，在低温条件下实现发动机与电池的快速升温及协调温控，已成为混合动力汽车热管理领域的关键挑战。发动机-电池协同热管理系统（CTMS）能够回收并优化分配多热源废热，对于提升车辆在低温工况下的能效表现与运行可靠性具有重要的研究价值与工程意义[8]。
在低温条件下，牵引电池的预热通常依赖于正温度系数（PTC）加热器等电加热装置。然而，这种主动加热方式直接消耗电能，导致纯电动汽车续航里程缩短，并增加混合动力汽车（HEV）电气子系统的功率需求，从而降低整体能效[9][10][11]。与此同时，在车辆运行过程中，HEV发动机会产生大量废热。在传统热管理系统中，这些废热通常通过散热器直接排放到环境中，造成显著的热能损失[12]。若能通过热交换器有效回收发动机废热，并将其用于低温条件下的电池预热，则可大幅减少对电加热装置的依赖，在提升热效率与运行经济性的同时降低整体能耗[13]。因此，基于发动机余热回收的电池预热策略——通过能量梯级利用与多源热协调机制——成为混合动力汽车（HEV）在寒冷环境下热管理技术发展的关键方向。
为满足混合动力系统在低温条件下的热管理需求，既往研究主要集中于发动机或电池的独立热管理。代表性方法包括优化冷却系统结构、改进泵阀控制策略以及应用电加热或相变储热技术，这些措施均致力于提升单一子系统的升温速率与热效率[14][15][16][17]。然而，此类方法往往忽略发动机与电池间的热耦合潜力，导致废热利用不足与能量分配失衡。近年来，复合热管理系统（CTMS）日益受到关注。通过整合换热器、可控阀门及多回路流道，这类系统能够同时回收发动机与电驱动系统的废热，从而提升车辆在低温环境下的整体性能[18][19]。
例如，Guo等[20]提出了一种针对增程式电动汽车的集成热管理系统(ITMS)，该系统同时利用增程器和电驱动系统的余热为电池舱与乘员舱加热，从而实现更快的电池预热与10%以上的燃油消耗降低。He等[21]开发了具备余热回收功能的纯电动汽车热管理系统，通过电机和控制器的废热为电池及乘员舱供热，显著降低了制热能耗。Li等[22]提出了一种基于模型的混合动力汽车发动机-电池耦合热管理策略，同时优化了燃油消耗、电池老化与整体系统能耗。Ma等[23]和Xue等[24]分别开发了余热回收与多源集成热管理策略，研究表明高效回收多种热源可显著提升系统性能与续航里程。总体而言，多源耦合协同热管理策略正成为提升混合动力与电动汽车低温性能的关键研究方向。
尽管CTMS在结构优化、控制策略及废热回收方面已取得显著进展，但仍存在若干局限性。首先，在低温工况下，现有控制策略主要依赖固定阈值或经验规则，未能充分考虑多热源间的动态耦合特性与热负荷的时间分布特征，导致温度控制精度与鲁棒性受限。其次，当前余热分配方案通常依赖单一温控器或简单阀门调节，缺乏协调的多执行器优化机制，难以同时实现发动机快速升温与电池高效预热。此外，尽管已有研究引入基于模型的控制方法，但在状态预测精度、执行器约束处理及能量优化方面仍存在局限，制约了系统在复杂工况下的鲁棒性与能量利用效率[25][26]。因此，有必要开发具有多执行器协同能力的先进控制策略，克服经验方法的局限性，实现发动机与电池的高效协同热管理及余热梯级利用，从而提升低温环境下系统整体性能。
综上所述，低温条件下的发动机-电池耦合热管理不仅影响车辆动力性能、能耗与运行可靠性，更是实现废热梯级利用和系统级高效控制的关键路径。针对现有研究在温控精度、Multi作动器协同及能效优化方面的不足，本研究提出了一种面向寒区工况的增程式混合动力汽车改进型CTMS结构。基于统一规则的控制策略，在不同环境温度下对改进型与传统结构的电池预热性能进行对比评估，结果表明改进设计具有更优的余热利用能力。此外，开发了具有动态权重调整功能的多变量分段模型预测控制器，以实现多执行器的协同优化。该方法显著提升了低温工况下的温度跟踪精度、余热利用效率和系统稳定性，为提升动力系统能效和延长电池寿命提供了有效途径。
