新能源汽車能量管理前沿技術

傳統汽車熱源單一，能量管理雖然重要，但系統開發難度相對較小。隨著新能源汽車的發展，能量管理系統設計的要求和難度不斷增加，已經成為新能源汽車核心系統之一，關系到新能源汽車可靠性、能源消耗、駕駛性和舒適性等多個方面。為此，新能源汽車相關的能量管理技術創新與實踐不斷涌現。基于第27屆亞琛技術與發動機技術論壇，本文將從系統、總成、方法等角度總結分析了歐洲新能源汽車能量和熱管理的最新技術。

1 基于路徑預測的混合動力汽車能量管理[1]

結合車輛行駛路徑預測，進行整車能量管理，可以考慮多種目標，如排放、油耗、車輛運行終止時電池SOC等。該方法包括兩部分，第一部分是全局性預測，即根據路況預測和能量管理設定的目標，制定粗略的能量管理策略；第二部分是以實時最優原則，確定實際能量管理策略，即系統扭矩分配策略，如圖1所示，由前處理模塊，對扭矩和轉速需求進行預測，與駕駛員需求一起傳給能量管理單元，能量管理單元根據實時最優原則，優化并確定發動機扭矩和電機扭矩。

圖1 能量管理策略[1]

以運行結束SOC控制為目標的試驗驗證結果如圖2所示。可以看出，以SOC控制為目標，在WLTC測試循環下，SOC控制與預設目標一致。

圖2 運行結束SOC控制驗證[1]

2 新能源汽車動力總成能量管理虛擬開發[2]

新能源汽車電驅系統性能受各總成和部件溫度影響很大，因此，為了優化動力系統效率，提高整車性能，在車輛開發前期，通過軟件進行詳細的虛擬研究非常必要。如圖3所示，建立了一個包含冷卻管路、水泵、電機和逆變器等部件的仿真模型，進行熱管理系統研究，組件模型及其參數來源于3D模擬、測量和供應商數據。

圖3 電驅系統仿真模型[2]

在模擬方法方面，搭建的冷卻系統模型應能預測系統中不同位置在不同條件下的溫度、壓力和質量流量。冷卻管路、水泵、控制系統的性能也是必要因素，同時，電子元件與冷卻系統相互作用的模型也是模擬所必需的。為此，需要考慮三方面因素：1）在各種駕駛條件下產生的熱量，條件包括車速、扭矩、環境溫度和電池荷電狀態等；2）能量從冷卻系統輸送到冷卻劑的情況，如管路長度和表面積；3）系統的熱容，大型電子元件(如電機)中，溫度的升降需要相當長的時間。

在總成及部件模擬方面，主要包括電機模擬、逆變器模擬和電池模擬。其中電機模擬較為復雜，需要進行電機損失分析、電磁和熱分析等三維仿真分析，最后建立電機的熱網絡模型，進行熱管理系統分析。

最后進行系統集成分析，如圖4所示，各總成及部件的熱特性和效率仿真數據集成在相應的子模型中，進行系統級聯合仿真。

該分析方法的優勢在于，基于現有零部件和總成狀態，完全通過仿真手段，分析電驅系統的熱特性，減少了試驗環節、開發時間和成本，適應于未來汽車快速迭代的大趨勢。

3 電池熱管理系統設計[3]

電池溫度直接影響電池效率、壽命、功率等多方面性能，直接影響車輛的壽命及性能，因此，電池熱管理是新能源汽車開發的重要組成部分。在目前產品開發中，一般建立電池的全模型，結合整車應用工況進行分析，這種方法相對復雜，開發所用時間成本較多。合理的開發方法如圖4所示，在開發初期做概念設計，后期做詳細設計，這里所介紹的就是在熱管理系統設計初期，采用簡單的計算，進行電池熱管理概念設計的方法。

圖4 電驅系統熱管理頂層模型[2]

圖5 電池熱管理開發概念設計和詳細設計關系[3]

電池熱管理概念分析主要包括以下幾方面工作：1、確定熱管理系統外部邊界條件，如散熱能力和水泵的性能；2、熱管理系統抽象化。如圖6所示，熱管理系統抽象成為幾何結構簡單的拓撲結構，如圓管回路，用管路直徑，回路數量等描述；3、電流生熱研究，主要研究不同電流產生熱量的情況；4、電流生熱與冷卻系統耦合分析；5、冷卻系統參數優化。這樣就完成了電池冷卻系統的概念設計。

圖6 熱管理抽象化[3]