邱健蓄电池混合动力电动汽车电池储能系统的热-能量协同管理：架构、建模、控制策略及工程验证

　　混合动力汽车(HEV)虽能降低燃油消耗与排放，但其热-能量协同管理日益受限于动力电池——其可行性取决于电荷状态(SoC)边界、温度相关功率能力及辅助热负荷下的充电接受度。当前多数研究仍将热管理系统(TMS)与能量管理系统(EMS)割裂处理，这削弱了实际工况变动下燃油经济性、排放合规性、舒适性与储能耐久性的同步达成。本综述从以电池储能为核心的视角出发，系统总结了经颅磁刺激-电刺激协同策略。首先阐明了电池相关热路径及其与功率分配和荷电状态(SoC)调节的相互作用机制，涵盖与功率电子器件、废热利用以及重塑能量回收效率与运行裕度的座舱暖通空调或热泵系统的关联。随后从约束执行与部署可行性维度对比了典型控制方法族，包括基于规则的监控、基于优化的方法(动态规划DP与等效消耗最小策略ECMS)、滚动时域模型预测控制(MPC)以及基于学习的控制。最后探讨了工程实践差距与研究需求，涉及跨时间尺度的电-热-老化耦合建模、在线计算资源分配以及通过模型在环(MiL)、软件在环(SiL)、硬件在环(HiL)和车云协同模拟的验证方法。研究特别强调了以储能为基准的测试体系及考虑充电过程的热预处理作为具有实践意义的发展方向。

　　引言

　　近年来，破纪录的热浪和极端气温加剧了公众对快速减排的迫切需求[1]。全球评估表明，当前升温幅度已接近(有时甚至超过)工业化前水平的1.5°C[2]。交通运输部门仍是温室气体的主要排放源：2022年其占全球CO₂排放量的很大比重，其中道路运输(主要是乘用车和重型卡车)占该总量的绝大部分[3]。因此，道路运输脱碳已成为气候行动的核心焦点，这既需要技术创新也需政策支持。一条颇具前景的路径是车辆动力系统的电气化改造，其通过车载储能系统替代或辅助内燃机(ICE)实现转型。随着发电结构日趋清洁，电动化车辆能显著降低客运出行的单位里程排放量。具体而言，混合动力汽车(HEVs)通过将发动机与电池驱动电机相结合，已成为传统内燃机汽车与纯电池电动汽车之间有效的跨链桥。

　　在此背景下，电气化交通——尤其是电动驱动车辆的大规模普及——已成为降低道路运输排放的关键途径[4]。最新销售数据显示，电池电动乘用车的全球市场份额持续上升[5]。与此同时，混合动力汽车(HEV)作为从内燃机(ICE)向全面电气化过渡的技术，预计将保持可观的市场占有率[6]。图1总结了全球HEV市场的最新增长态势，强调仍需通过系统集成与协调控制技术的进步来提升混合动力效率[7]。

　　混合动力汽车因其能够灵活运用多种驱动模式，被公认为提升燃料经济性和降低排放的有效手段[8]。这一优势的实现得益于车载电池储能系统的配置，该系统能够缓冲功率需求并回收制动能量。通过电力辅助驱动，混合动力汽车通常比同级别传统汽油车消耗更少的燃料。表1总结了微混、全混和插电式混合动力构型在燃料经济性方面的典型差异[9][10][11][12]。关键之处在于，实际可获得的效益受限于电池在运行边界内的有效利用程度，特别是允许的荷电状态窗口、与温度相关的功率能力，以及实际驾驶工况下制约再生能量存储的充电接受极限。

　　关键在于，混合动力汽车(HEV)和插电式混合动力汽车(PHEV)并非电动汽车(EV)与内燃机(ICE)动力系统的简单叠加。通过整合两种推进源，这类车型重构了能量流动与运行效率体系，其中牵引电池充当核心能量缓冲装置。实时运行中，电池荷电状态(SoC)与温度窗口共同制约着电动助力与再生能量回收的边界。在城市启停工况下，电机通常负责起步与低速驱动阶段的动力支持，并存储制动能量，此举有效规避了发动机低效工况区间，从而降低燃油消耗与排放水平。在高速公路稳态行驶工况下，其效益较为有限且更取决于发动机效率与能量管理系统(EMS)对动力源的协调能力。因此，实际燃油经济性的提升程度会随电气化水平、再生制动能力及热管理效能而变化[13][14]。当电池处于过热或过冷状态时，其输出功率与充电接受能力均会下降，从而导致动力辅助与能量回收功能同时减弱。由此可见，对动力电池实施严格的热控制是实现安全性、耐久性及持续高效运行的关键[15]。设计优良的电池热管理系统(BTMS)可使电池始终维持在适宜温度区间，并确保运行全程保持可用功率。

　　在关注电池热管理之外，整车热管理系统(TMS)对混合动力效率具有决定性作用[16][17]。相较于纯电动汽车或传统燃油车，混合动力汽车面临更为复杂的耦合热需求，因为需要同时调节发动机、电机、功率电子器件、电池及座舱等具有不同温控目标部件的多重热源与热沉。这种复杂性通常导致多套冷却与加热回路的并存。这也为热能共享创造了机遇，例如在低温条件下利用发动机余热为电池或座舱加热[18]，以及回收发动机或电机原本耗散的热量以提升能效[19]。然而，当前多数量产设计仍将这些回路作为孤立子系统运行，且温度层级不匹配限制了直接热交换的实施。若无先进架构，废热再利用仍将受限，因为简单布局无法使发动机持续处于高温最优状态，同时以低得多的目标温度调节电池工况[20]。

　　为满足差异化热管理目标，现代混合动力汽车正从以发动机为中心的冷却系统转向采用主动元件与协同控制的智能化集成式热管理系统架构。传统发动机冷却系统通过散热器、水泵、节温器和风扇使发动机维持在高效温度区间，但无法同时满足电池与电驱动系统的差异化需求[21][22]。相比之下，集成式热管理系统采用电驱泵和切换阀，根据各子系统需求分配冷却或热量[23]。由于这些热能辅助装置消耗电能，其运行需与电池荷电状态及温度限值协同调度，以避免能源浪费并维持充电接受能力。与能量管理系统的协同还源于座舱空调与电池热管理系统对热能资源的竞争，尤其在发动机关闭工况下。与传统车辆依赖发动机余热进行车厢加热[24]不同，混合动力汽车(HEVs)通常需要PTC加热器或热泵来维持舒适温度，这进一步将热管理决策与推进系统和能量管理的目标相耦合。

　　近年来，相关研究探索了一系列新技术以提升混合动力汽车的热管理性能，重点关注系统集成度与效率的优化。针对多热源的异质性热特性，工程师们提出了创新的冷却回路设计与控制算法。例如，Zhang等人[25]开发了一种基于多模式复合循环的混合动力汽车集中式热管理架构。该设计利用子系统间的能量互补特性降低硬件冗余，实现了跨季节与多工况下的稳定灵活运行。测试表明，该集成循环使冬季纯电续航里程提升20%以上，发动机热效率提高约5%。在另一项研究中，Wei等人[26]构建了基于遗传算法的插电式混合动力汽车集成热管理系统模拟模型。模拟结果表明，车辆能耗显著受电池温度与荷电状态(SoC)影响，这揭示了电池热状态与系统整体效率之间的直接关联。这些案例证实，先进的热交换硬件与协同控制可在子系统层面实现显著效益。然而，当前多数优化仍局限于单独改进各热回路或组件，而非通过整车级策略协调所有热源与散热装置。换言之，虽然电池冷却器或发动机冷却液回路等独立子系统可能得到改进，但只有对混合动力系统中所有热相互作用进行同步管理，才能实现效益最大化。

　　这一观察揭示了当前技术领域的一个关键缺口：现有混合动力汽车(HEV)中热管理系统(TMS)与能量管理系统(EMS)缺乏系统性协同。在实际运行中，TMS与EMS并非相互独立，而是紧密耦合的——任一系统的决策都会对另一系统产生影响。若缺乏适当协调，不仅会导致能量浪费(例如当EMS要求电池高功率输出时，电力驱动风扇仍在激进冷却电池)，还会造成系统响应迟滞，从而引发效率低下甚至热安全风险。事实上，目前车辆中大多数现有的热管理系统(TMS)控制策略均独立于能量管理系统(EMS)实施，因此忽视了这种耦合效应[27][28]。类似地，多项研究指出，当前EMS设计——无论是基于规则还是采用深度学习等技术——往往忽略热负荷与TMS需求的存在，导致热力需求无法及时反馈至功率分配控制器[29]。实践中，混合动力车辆在发动机、电机、电池、传动系统和座舱HVAC系统之间呈现出复杂的热流交互作用。为准确评估热活动对燃料消耗与二氧化碳排放的影响，必须采用协调方式对所有这些子系统进行模拟与控制。跨领域协同模拟及热流与能量流的联合控制可显著提升整车性能与效率[30]。(例如当热管理系统检测到电池温度过低时，能源管理系统可能决定在市区交通中延长发动机运行时间，从而在充电的同时利用余热为电池升温。)图2展示了混合动力汽车运行中热-能量耦合起关键作用的若干典型场景。包括电池过热导致功率限制、座舱冷却需求改变电池使用策略、以及根据电池热需求对发动机余热进行利用或废弃等案例。所有这些场景均表明：要实现最优结果，能源管理系统与热管理系统必须协同工作而非相互掣肘。

　　近期数篇综述文章探讨了电动车辆热管理系统的不同方面，但各自研究范围相对局限。例如，Jaewan Kim等学者[31]以混合动力汽车中的锂离子电池热管理系统为研究对象，系统分析了电池产热特性，对比了主流BTMS架构(如风冷与液冷方案)，并评估了其在峰值温度控制与温度均匀性调控方面的效能。Yuan等研究者则...[32]强调了电动汽车(EVs)与混合动力汽车(HEVs)中热管理的重要性，并指出协同模拟(Simulation)是处理车辆热电系统多物理场复杂性的关键工具。作者还综述了用于热性能分析的不同建模方法与软件集成策略。Javad等[33]调研了结合相变材料与主动冷却方法的混合电池热管理系统(BTMS)方案，探讨了利用潜热存储缓冲电池温度的优势与挑战。Ankur Dwivedi等文献[34]对混合动力汽车(HEV)中热管辅助的电池热管理系统进行了全面综述，涵盖系统架构与设计参数，并分析了热管与空气、液体、相变材料或热电元件相结合的混合冷却配置。这些研究共同印证了学术界对HEV热管理日益增长的研究兴趣。然而，现有研究主要集中于电池冷却的特定硬件解决方案、材料或建模技术，对整车层面集成化热管理系统(TMS)与能量管理系统(EMS)控制策略的探讨仍显不足。

　　随着混合动力汽车向更高性能和更强系统集成度发展，能量管理与热管理之间的多物理场耦合作用日益凸显。单一学科或单一部件的研究方法已无法准确描述先进混合动力系统的实际运行特性与优化需求。亟需通过系统层面的热-能量协同管理研究，填补现有文献中的跨链桥空白。本研究基于以下背景因素：日趋严格的燃油经济性法规、苛刻的动力电池热安全约束，以及减少排放的整体压力。我们认为混合动力汽车的热管理系统(TMS)与能量管理系统(EMS)应当采用协同设计思路，而非独立运行模式。

　　本综述的贡献可概括如下：

　　1.

　　本文采用以电池储能为核心的视角，阐明电池相关热路径(包括电池本体、功率电子器件、余热利用系统以及车厢暖通空调与热泵)如何与功率分配决策及荷电状态(SoC)调控产生交互作用。该综述重点揭示了这些相互作用如何重塑实际驾驶条件下的充电接受能力、温度依赖性功率能力以及可行工作裕度。

　　2.

　　建立统一分类法以协调组织TMS与EMS策略，将其划分为基于规则的耦合、基于优化的耦合(包括动态规划DP、等效燃油消耗最小策略ECMS和滚动时域模型预测控制MPC)、基于学习的耦合，以及分层与集成协调。该分类体系着重强调约束感知性、实时可行性及工程可部署性。

　　3.

　　代表性研究通过统一评估维度(包括计算负担、可解释性及实施成熟度)进行对比分析，重点考察各策略如何在兼顾储能关键约束(如SoC边界、温度相关功率限制及充电接受保护)的同时协同调度牵引与热管理动作。

　　4.

　　工程验证与实施考量在模型在环(MiL)、软件在环(SiL)和硬件在环(HiL)工作流以及联合模拟管线中得到系统整合，同时明确了若干关键开放性问题。这些挑战涵盖跨时间尺度的电热老化建模、不确定性与预知误差下的鲁棒协调控制、在线计算资源分配，以及以存储为核心的基准测试方法，旨在支持可复现、可迁移的性能评估。