一、引言

随着科技的飞速发展、环保意识的日益增强以及国家政策的大力支持，新能源汽车已经不再是遥不可及的未来科技，而是逐步走进千家万户，成为我们日常生活中不可或缺的一部分。然而，每到冬季的来临，纯电动汽车面临的难题也愈发凸显：在低温环境下，不仅需要额外消耗电能为车内提供暖气，增加了车辆的冬季能耗，从而导致续航里程显著缩短；而且低温还会直接影响电池性能，电池温度偏低时，其放电能力和效率均会大幅下降。因此，如何有效提升纯电动汽车在冬季环境下的续航里程，以及制定适应低温条件下的能源管理策略成为了业界持续关注的重点议题。

纯电动汽车的热管理系统从最初的设计构思，到方案合理性验证，再通过严格测试，最终得以实际应用于车辆上，这一过程可能需要经历漫长的周期和反复多次的迭代改进。而借助仿真模拟技术，可以贯穿整个产品的开发流程，无论是协助开发者部件选型、架构设计、控制策略制定，还是通信系统的测试，都能起到关键的支持作用。同时，通过虚拟标定手段，可以大幅度减少实验室的实际投入，节约资源成本，并显著缩短产品开发周期。

本文基于同元软控自主研发的系统建模仿真平台——MWORKS.Sysplorer，以及配套的车辆模型库，构建一个综合车辆动力性和热管理功能的仿真模型。该模型旨在模拟纯电动汽车在冬季行驶时，面临乘员舱供暖需求时的能耗情况，通过对比分析纯PTC制热模式，与热泵加PTC补热模式对汽车整体能耗的影响，为优化纯电动汽车冬季能耗、提升续航里程提供有力的数据支持和技术解决方案。

二、模型库介绍

图 1 车辆模型库

MWORKS.Sysplorer平台及配套的车辆模型库，可用于专业的车辆系统仿真设计。除了核心的TYBase基础车辆模型库外，还包含车辆发动机模型库、车辆电池模型库、车辆热管理系统库、车辆动力学库、车辆动力性经济性库等六大专业模型库，满足整车在不同实际使用场景下的仿真测试需求。在本文中，我们将重点关注纯电动汽车在冬季行驶工况下的动力性经济性和热管理联合应用的仿真案例，这一案例主要依赖以下三大关键模型库：

01 TYBase基础库

提供了一系列底层组件的基础模型，包括电机、电池、传热元件、控制系统的基本单元组件以及介质属性库。这些模型为构建更复杂、更细致的车辆系统组件模型奠定了坚实的基础。

02 TAThermalSystem热管理模型库
涵盖了热管理系统所需的各类组件模型，如换热器、压缩机、水泵、风扇、储液器、冷却液容器、管道、阀门以及温度传感器等。这些模型为构建精细且准确的空调热管理系统仿真提供了强大的支持，确保了在模拟过程中的精确性和可靠性。

03 TAEconomy车辆动力性经济性库
全面覆盖了车身力学、离合器、变速器、内燃机（虽然对于纯电动汽车来说内燃机不是直接相关，但库中也考虑了其他动力形式）、电动机、电池、轮胎、驾驶舱环境控制、车辆控制逻辑以及车载通信等多个方面。这使得用户能够构建详尽的车辆动力性能模型，并据此评估车辆在不同工况下的性能指标，如百公里加速时间、续航里程等。这些数据为车辆的整体性能优化提供了科学依据，有助于提升纯电动汽车在冬季环境下的性能表现。

三、模型案例

3.1 案例模型及工况
基于上述车辆模型库，在MWORKS.Sysplorer中使用拖拽式建模方式搭建的车辆动力性经济性与热管理联合应用仿真模型如下图所示。该模型旨在模拟-7℃低温环境下纯电动汽车在行驶过程中所面临的多重挑战：既要满足乘员舱的供暖需求，又要确保电池维持适宜的工作温度，还要尽量减少空调能耗。通过仿真验证冬季纯电动车满足制热需求时的采暖制热能耗特点，对比了采用纯PTC制热模式，与热泵加PTC补热模式这两种不同方案下的能耗差异，从而为优化纯电动汽车冬季热管理策略，提升能源利用率和续航里程提供理论依据和仿真数据支撑。

图 3 车辆动力性经济性和热管理联合应用仿真模型

验证场景和验证对象确定模式的工况信息如下：

序号	模式	工况	考核指标
1	纯PTC制热模式	环境温度-7℃，湿度50%，WLTC工况	稳态时乘员舱温度能尽快达到目标温度23℃，电池温度在0℃以上，空调系统运行正常，过程中空调能耗不过高。
2	热泵加PTC补热模式	环境温度-7℃，湿度50%，WLTC工况	稳态时乘员舱温度能尽快达到目标温度23℃，电池温度在0℃以上，空调系统运行正常，过程中空调能耗不过高。

3.2 仿真过程

仿真过程如下图所示，启动MWORKS.Sysplorer 2024a，加载相关的模型库TYBase、TAThermalSystem、TAEconomy，加载3.1章节所述的模型，点击【仿真设置】设置好仿真时间、仿真步长或步数、算法，点击仿真，模型自动编译运算并显示仿真结果。

图 4 MWORKS.Sysplorer模型仿真过程

图 4 MWORKS.Sysplorer模型仿真过程

3.3 仿真结果分析

在环境温度设为-7℃的条件下，为了分析纯电动汽车在WLTC工况（即“全球统一轻型车辆测试循环”工况）下的乘员舱及电池制热效果以及空调能耗情况，分别采用纯PTC制热模式和热泵加PTC补热模式进行仿真。

3.3.1 纯PTC制热模式
全程采用纯PTC制热方式而未启用压缩机制热。如图6所示，经过1800s的测试电池剩余电量（SOC）从满电状态降至约93.1%，总耗电量为5.57kW·h。

深入分析这一耗电量，我们发现：

• 电机耗电量为3.63kW·h，主要用于驱动车辆完成WLTC循环工况。
• 空调高低压部件耗电约为1.94kW·h，占据了电池总耗电的34.8%，显示出在寒冷环境中制热功能对能耗的显著影响。

在制热过程中，初期PTC制热功率迅速达到最高值6.5KW，以快速提高乘员舱和电池的温度。大约9分钟后，电芯的最低温度成功提升至2℃以上，此时我们适时退出电池加热模式，以节省能耗。与此同时，乘员舱温度也逐渐升温至设定的舒适温度23℃，此后维持该温度所需的PTC功率稳定在约1716W。

3.3.2 热泵加PTC补热模式

在热泵加PTC补热模式下，我们主要利用电机余热回收进行热泵制热，并在热泵制热效果不足以满足加热需求时，启动PTC补热模式。仿真结果如图7所示，经过一个WLTC循环工况的1800s的测试，电池SOC从满电状态降至约94.2%，电池整包电量约82kW·h，电池总耗电4.69kW·h。

具体耗电分析如下：

• 电机耗电量为3.63kW·h，主要用于驱动车辆完成WLTC循环工况。
• 空调高低压部件（包括热泵和PTC）的耗电量约为1.06kW·h，占电池总耗电的22.6%。与纯PTC制热模式相比，本模式下热管理耗功较小，显示出了更高的节能性。

在仿真过程中，压缩机转速和PTC耗功在起始低温阶段较高，以迅速提升乘员舱和电池的温度。随着乘员舱和电芯温度的升高，PTC耗功逐渐减小，直至退出PTC补热模式。大约运行7分钟后，当电芯最低温度达到2℃以上时，电池制热关闭，仅维持乘员舱的制热需求。同时，乘员舱温度逐渐升高至目标温度23℃。

为了防止车内玻璃起雾，乘员舱全程采用50%新风和50%回风的混合输气方式，这导致了较高的热负荷需求。然而，通过合理利用电机余热回收和热泵制热技术，我们依然实现了较为高效的热管理效果，进一步证明了该模式在提升能源利用率和节能方面的优势。

从上述两个模式的仿真结果对比来看，在低温环境下，乘员舱和电池制热采用热泵加PTC补热模式相较于纯PTC制热模式更省电。在一个WLTC工况的半小时测试中，热泵加PTC补热模式可以节省约0.88kW·h的电量，这对于缓解纯电动汽车在冬季的续航里程焦虑具有重要意义。

除了节能效果外，两种模式下的加热效果也有所不同。热泵加PTC补热模式在电池和乘员舱的加热效率上优于纯PTC制热模式，能够更快地满足加热需求。这是因为热泵系统能够有效回收并利用电机余热，减少了对PTC制热的依赖，从而提高了整体的加热效率。

需要指出的是，本仿真模型基于理论模型及公开数据开发，并非针对特定车型的实际参数进行模拟。在实际应用中，还需考虑系统管路、高温零部件的散热损失等因素，因此实际效果可能会有所不同。此外，本模型所使用的控制策略较为简单，旨在起到抛砖引玉的作用。工程师们可以根据实际需求，在模型上进行更多的验证和优化工作，以进一步提升纯电动汽车在低温环境下的热管理性能和续航里程。

四、总结

本文重点阐述了如何运用同元软控自主研发的MWORKS.Sysplorer平台及配套的车辆模型库来建立一个结合车辆动力性、经济性和热管理的综合仿真模型。该模型聚焦于纯电动汽车（EV）在冬季-7℃低温下，按照WLTC工况行驶时的空调热管理能耗表现。仿真结果显示，在低温环境下，相比纯PTC制热模式，热泵加PTC补热模式可以显著提升能效，减少能耗，特别是在利用热泵的余热回收功能时，能源利用率得到大幅提高。

MWORKS.Sysplorer及配套的车辆模型库为汽车行业工程师提供了一个实用的工具集。通过这一平台，工程师们可以在系统设计阶段便捷地进行架构选择、控制策略验证及优化工作。此外，仿真平台还支持虚拟标定，有助于工程师们在产品研发早期阶段就发现并解决问题，从而大大缩短产品研发周期。

未来，同元软控将进一步提升核心技术领域的自主研发能力，覆盖汽车研发过程中的更多场景，助力行业用户提升产品研发效率和质量。