胡志林 張昶 楊鈁 付磊

（中國第一汽車集團有限公司 新能源開發(fā)院，長春 130011）

主題詞：電動汽車 能量管理 熱管理 仿真技術(shù)

1 前言

電動汽車能量管理是從傳統(tǒng)燃油車的能量管理上發(fā)展起來的。整車能量管理可細分為系統(tǒng)層面的能量利用和熱管理系統(tǒng)部件的能量消耗兩部分。對于傳統(tǒng)燃油車，整車能量利用效率主要取決于發(fā)動機的有效效率，熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，所消耗的能耗占比較小。而隨著汽車的電動化和智能化發(fā)展，整車熱管理附屬部件逐步增多，所消耗的能耗占比也逐漸提升，尤其在高低溫環(huán)境條件下，熱管理系統(tǒng)的能量消耗大幅度縮減電動汽車續(xù)駛里程。為了實現(xiàn)整車能量的合理利用，緩解電動汽車用戶的里程焦慮問題，電動汽車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)成為電動汽車整車能量開發(fā)的重點。而傳統(tǒng)熱管理相對獨立的開發(fā)模式在應(yīng)對電動汽車能量管理技術(shù)發(fā)展中存在一定的局限性，本文主要基于整車能量管理發(fā)展方向，對電動汽車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計特點和仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢進行論述。

2 整車熱管理技術(shù)概述

2.1 傳統(tǒng)燃油車熱管理方案介紹

傳統(tǒng)燃油車熱管理系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要包含發(fā)動機冷卻回路、進氣中冷回路和空調(diào)系統(tǒng)回路。各回路通過車輛前端散熱器進行散熱，實現(xiàn)回路的合理工作溫度。

圖1 傳統(tǒng)燃油車熱管理拓撲結(jié)構(gòu)[1]

傳統(tǒng)燃油車采用發(fā)動機作為其動力源，由于發(fā)動機的工作特性，將有30%左右的熱量需要通過發(fā)動機冷卻系統(tǒng)傳遞到外界環(huán)境中，以避免發(fā)動機出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，尤其在大負荷工況。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)由冷卻管路、水泵、水箱和散熱器組成，通過冷卻水循環(huán)實現(xiàn)熱量從發(fā)動機向外界環(huán)境的傳遞，保證發(fā)動機工作溫度穩(wěn)定在90℃。

進氣中冷回路作為增壓發(fā)動機特有的冷卻回路，主要是對增壓空氣進行冷卻，提升進氣工質(zhì)密度，實現(xiàn)較大的進氣量，同時對發(fā)動機的爆震現(xiàn)象也有一定的抑制作用，一般進氣中冷溫度控制在45℃以下。

空調(diào)系統(tǒng)回路主要是對乘員艙進行制冷，實現(xiàn)在高溫環(huán)境下，把乘員艙的熱量向外界環(huán)境轉(zhuǎn)移。其工作原理是通過冷媒工質(zhì)的相變過程，實現(xiàn)乘員艙吸熱和外界散熱。在寒冷環(huán)境下，乘員艙有制熱需求，則通過暖風(fēng)芯體回路引入發(fā)動機冷卻回路中的廢熱，實現(xiàn)乘員艙加熱功能。

2.2 電動汽車熱管理方案介紹

相比于傳統(tǒng)燃油汽車，電動汽車的能源為電能，電機作為其驅(qū)動單元。其熱管理拓撲結(jié)構(gòu)主要包括電池回路、電機回路、空調(diào)回路和暖風(fēng)芯體回路，如圖2所示。

各冷卻回路的作用與傳統(tǒng)燃油車冷卻回路類似，但各回路的目標工作溫度略有差別，電機回路的工作溫度要求控制在80℃以下，電池的理想工作溫度范圍為15～35℃。

空調(diào)系統(tǒng)主要是為乘員艙進行制冷，另外在某些工況下，通過Chiller（冷卻裝置）對電池回路進行冷卻。在寒冷環(huán)境溫度下，由于沒有傳統(tǒng)燃油車的發(fā)動機廢熱，為了保證乘員艙舒適性，暖風(fēng)芯體采用高壓PTC（Positive Temperature Coefficient,正溫度系數(shù)熱敏電阻）進行加熱，其直接消耗電能，這也是電動汽車冬季續(xù)駛里程大幅度縮減的重要原因。熱泵空調(diào)系統(tǒng)具有制熱能效比高的特點，也越來越多的應(yīng)用于純電動和插電式混合動力車型中，可緩解電動汽車冬季續(xù)駛里程縮減的問題。

圖2 電動汽車熱管理拓撲結(jié)構(gòu)[1]

3 電動汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計集成化

電動汽車能量管理，是從整車層面對各子總成進行能量的綜合優(yōu)化利用。其對熱管理系統(tǒng)設(shè)計的要求，也由傳統(tǒng)粗放型向精益化轉(zhuǎn)變。

傳統(tǒng)熱管理系統(tǒng)主要采用獨立式設(shè)計方案，各子系統(tǒng)獨立控制，相互之間沒有交互，這種設(shè)計方式較為簡單，結(jié)構(gòu)布置方便，控制也較為容易，但難以實現(xiàn)熱管理系統(tǒng)的能量優(yōu)化利用。而集成化設(shè)計方案，可實現(xiàn)各熱管理子系統(tǒng)之間的交互，為熱管理系統(tǒng)能量優(yōu)化提供前提。

3.1 奧迪Q7 e-tron PHEV熱管理系統(tǒng)分析

圖3所示為奧迪Q7 e-tron PHEV的熱管理拓撲結(jié)構(gòu)，包括空調(diào)回路、高溫回路和低溫回路，其中低溫回路包括電機回路和電池回路，通過閥門控制實現(xiàn)電池回路與電機回路的串并聯(lián)控制。

圖3 Audi Q7 e-tron PHEV熱管理拓撲結(jié)構(gòu)[2]

整車采用的是熱泵空調(diào)系統(tǒng)，可實現(xiàn)空調(diào)制冷和熱泵制熱兩種模式。在空調(diào)制冷模式下，空調(diào)冷媒先后經(jīng)壓縮機進行壓縮，外界冷凝器散熱，然后通過膨脹閥引入乘員艙蒸發(fā)器內(nèi)進行相變吸熱過程，完成制冷循環(huán)。在熱泵制熱模式下，空調(diào)冷媒經(jīng)過壓縮后，引入間接冷凝器進行散熱，經(jīng)膨脹閥引入到低溫回路的Chiller進行相變吸熱，把低溫回路的熱量經(jīng)由間接換熱器轉(zhuǎn)移到乘員艙暖風(fēng)芯體回路，實現(xiàn)乘員艙制熱。

高溫回路是在傳統(tǒng)燃油車暖風(fēng)芯體回路的基礎(chǔ)上進行改動，回路上增加了間接冷凝器和高壓PTC，在車輛運行中，首選發(fā)動機高溫冷卻水進行乘員艙加熱，在發(fā)動機不工作情況下，采用熱泵循環(huán)和高壓PTC進行暖風(fēng)芯體回路加熱。

低溫回路通過閥門控制，實現(xiàn)電池與電機回路的串聯(lián)和并聯(lián)模式。在串聯(lián)模式下，電池可采用電機回路的余熱進行加熱，也可采用電機回路的室外散熱器進行散熱。在并聯(lián)模式下，電池回路獨立循環(huán)實現(xiàn)電池溫度平衡的作用，也可通過Chiller進行散熱。電機回路可獨立采用低溫散熱器進行散熱。

空調(diào)回路可通過Chiller與低溫回路進行集成，可實現(xiàn)低溫回路的余熱回收利用。高溫回路通過間接換熱器與空調(diào)回路集成，可實現(xiàn)乘員艙加熱模式的能量節(jié)約。低溫回路通過閥門控制實現(xiàn)電機回路和電池回路集成，可最大程度的利用電機回路實現(xiàn)電池回路的加熱或冷卻，節(jié)約電能。

3.2 Kia Soul BEV熱管理系統(tǒng)分析

傳統(tǒng)純電動汽車熱管理系統(tǒng)主要包括電池回路、電機回路和空調(diào)回路三部分。圖4所示為Kia Soul BEV熱管理拓撲結(jié)構(gòu)，其電池采用主動風(fēng)冷系統(tǒng)，電機回路采用液冷方式，空調(diào)系統(tǒng)采用熱泵空調(diào)系統(tǒng)[3]。

圖4 Kia Soul BEV熱管理拓撲結(jié)構(gòu)[3]

空調(diào)系統(tǒng)可實現(xiàn)空調(diào)制冷和熱泵制熱兩種模式。在空調(diào)制冷模式下，空調(diào)冷媒先后經(jīng)壓縮機壓縮、室外冷凝器散熱，然后通過膨脹閥引入乘員艙蒸發(fā)器內(nèi)進行相變吸熱過程，完成制冷循環(huán)。在熱泵制熱模式下，空調(diào)冷媒經(jīng)過壓縮后，引入室內(nèi)冷凝器進行散熱，經(jīng)膨脹閥引入到室外冷凝器進行相變吸熱，把外界環(huán)境的熱量轉(zhuǎn)移到乘員艙室內(nèi)冷凝器散熱，實現(xiàn)乘員艙制熱。

通過電機回路的Chiller可實現(xiàn)熱泵空調(diào)系統(tǒng)與電機回路的集成，在乘員艙有制熱需求的情況下，同時電機回路有散熱需求情況下，實現(xiàn)電機回路的余熱回收，用于乘員艙加熱。結(jié)合不同的閥門控制和回路設(shè)計，也可實現(xiàn)熱泵空調(diào)除濕模式下的再加熱過程，最大程度的節(jié)約電能消耗，實現(xiàn)能量優(yōu)化利用。

可以看出，熱泵空調(diào)系統(tǒng)可實現(xiàn)乘員艙制冷和制熱模式的靈活切換，結(jié)合液態(tài)傳熱工質(zhì)和熱交換器，可實現(xiàn)整車各子系統(tǒng)的熱量轉(zhuǎn)移，為整車能量統(tǒng)籌管理提供基礎(chǔ)。針對不同的應(yīng)用工況進行熱管理控制策略優(yōu)化，可實現(xiàn)整車系統(tǒng)層面的能量管理。電池回路與電機回路的集成設(shè)計，以及熱泵空調(diào)系統(tǒng)與電池電機冷卻系統(tǒng)的集成將成為未來電動汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計的方向。

4 電動汽車熱管理聯(lián)合仿真技術(shù)研究

為了實現(xiàn)整車能量的合理利用，電動汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計集成化程度越來越高，而同時也會實現(xiàn)越來越多的熱管理功能。熱管理系統(tǒng)對能量的利用更加精細化，這就需要對熱管理系統(tǒng)控制模式進行細化，而通過實車對眾多的工作模式進行標定將需要大幅度增加整車標定工作量，為了解決這一問題，電動汽車熱管理系統(tǒng)與數(shù)字樣車聯(lián)合仿真將成為電動汽車能量管理未來的發(fā)展方向。

4.1 Mentor Graphics聯(lián)合仿真技術(shù)研究

Mentor Graphics公司對Nissan Leaf進行了熱管理系統(tǒng)與整車聯(lián)合仿真的計算研究。熱管理系統(tǒng)仿真模型采用Flowmaster軟件搭建，主要用于計算流經(jīng)電池包冷卻空氣的溫度、冷卻風(fēng)扇以及各附屬部件的功率需求，與整車模型中的系統(tǒng)功率進行實時迭代。

整車模型采用Simulink進行搭建，其作用主要是作為模型間的數(shù)據(jù)分配平臺。設(shè)置仿真初始條件，包括環(huán)境參數(shù)、乘員艙、電池溫度、乘員艙設(shè)置點、駕駛循環(huán)和駕駛員操作參數(shù)。整車模型決定整車總的功率需求，包括牽引、剎車、動力總成和電機驅(qū)動/回收能量。

采用駕駛員操作參數(shù)、乘員艙設(shè)定溫度和環(huán)境溫度進行研究，并把仿真計算結(jié)果與實車數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果進行對比，如圖5所示。

圖5 整車行駛里程預(yù)測與實測數(shù)據(jù)對比[4]

取頻率較大的中間50%的采集數(shù)據(jù)帶作為基準，仿真結(jié)果與實車統(tǒng)計結(jié)果趨勢一致，但結(jié)果有一定偏差，考慮原因為乘員艙材料特性和HVAC（空調(diào)暖通系統(tǒng)）的空調(diào)性能與真實情況存在偏差，通過模型校正可實現(xiàn)真實環(huán)境下的整車續(xù)駛里程預(yù)測。

4.2 Magna Powertrain聯(lián)合仿真技術(shù)研究[5]

在2018年國際自動機工程師學(xué)會（SAE Interna?tional）組織的熱管理系統(tǒng)會議上，Magna Powertrain公司介紹了熱管理系統(tǒng)與整車聯(lián)合仿真的相關(guān)案例。針對于不同的應(yīng)用場景，提出三種不同的聯(lián)合仿真方法。

4.2.1 “All In One”聯(lián)合仿真

采用一種軟件進行仿真，主要用于整車熱管理系統(tǒng)工程師進行聯(lián)合仿真研究，所有子系統(tǒng)均由熱管理仿真軟件進行搭建，在一個軟件平臺下實現(xiàn)熱管理系統(tǒng)與整車聯(lián)合仿真。

優(yōu)點：不需要與其他的仿真工具進行耦合，簡化了仿真環(huán)境；只需要一款仿真軟件的License；仿真工程師不需要了解其他仿真工具；不同子系統(tǒng)之間信息交互方便，計算速度較快。

缺點：所有子系統(tǒng)都需要轉(zhuǎn)化成為統(tǒng)一的仿真平臺，需要額外的工作量，有時不能完全體現(xiàn)子系統(tǒng)的功能；在不同領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制。

4.2.2 “White Box”聯(lián)合仿真

各子系統(tǒng)采用不同的仿真工具進行建模，通過特定的專用接口，與主模型進行信號交互，實現(xiàn)聯(lián)合仿真。

優(yōu)點：每一個子系統(tǒng)都可以采用最適合的仿真工具進行建模；專用接口可實現(xiàn)主模型對各子系統(tǒng)的直接控制；可通過專用接口實現(xiàn)較為詳細的信號交互。

缺點：各子系統(tǒng)對應(yīng)的模型與主模型之間都需要進行接口定義；在仿真過程中，多軟件平臺同時運行，每個平臺都需要對應(yīng)的License。

4.2.3 “Black Box”聯(lián)合仿真

各子系統(tǒng)采用不同的仿真工具進行建模，通過標準化接口，對各子系統(tǒng)進行封裝，對模型打包。

優(yōu)點：每一個子系統(tǒng)都可以采用最適合的仿真工具進行建模；由于采用標準化接口，各子系統(tǒng)相互之間交互信息較為方便。

缺點：與“All In One”方法相比，仍然需要一個主模型；與“White Box”方法相比，與子模型的信息交互受到接口標準的限制。

針對于項目進展的不同階段，可針對性的選擇不同的聯(lián)合仿真方法，應(yīng)用于整車能量管理系統(tǒng)開發(fā)。

5 結(jié)論

（1）隨著汽車向電動化和智能化方向發(fā)展，整車能量管理涵蓋內(nèi)容增多，對電動汽車能量管理的要求也從粗放型設(shè)計向精益化設(shè)計轉(zhuǎn)變。從整車層面對各子系統(tǒng)進行能量統(tǒng)籌管理將成為電動汽車未來的發(fā)展趨勢。

（2）電動汽車熱管理系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)燃油車熱管理系統(tǒng)，溫度控制范圍更為細化，各回路之間的能量交互使得熱管理系統(tǒng)設(shè)計更為復(fù)雜，熱管理系統(tǒng)設(shè)計向集成化方向發(fā)展。

（3）為了對電動汽車能量管理控制模式進行優(yōu)化和預(yù)標定，減少整車試驗工作量，電動汽車熱管理系統(tǒng)與數(shù)字樣車聯(lián)合仿真將成為電動汽車能量管理的未來發(fā)展方向。