新能源汽車能量管理前沿技術(shù)

傳統(tǒng)汽車熱源單一，能量管理雖然重要，但系統(tǒng)開發(fā)難度相對(duì)較小。隨著新能源汽車的發(fā)展，能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求和難度不斷增加，已經(jīng)成為新能源汽車核心系統(tǒng)之一，關(guān)系到新能源汽車可靠性、能源消耗、駕駛性和舒適性等多個(gè)方面。為此，新能源汽車相關(guān)的能量管理技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐不斷涌現(xiàn)。基于第27屆亞琛技術(shù)與發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)論壇，本文將從系統(tǒng)、總成、方法等角度總結(jié)分析了歐洲新能源汽車能量和熱管理的最新技術(shù)。

1 基于路徑預(yù)測(cè)的混合動(dòng)力汽車能量管理[1]

結(jié)合車輛行駛路徑預(yù)測(cè)，進(jìn)行整車能量管理，可以考慮多種目標(biāo)，如排放、油耗、車輛運(yùn)行終止時(shí)電池SOC等。該方法包括兩部分，第一部分是全局性預(yù)測(cè)，即根據(jù)路況預(yù)測(cè)和能量管理設(shè)定的目標(biāo)，制定粗略的能量管理策略；第二部分是以實(shí)時(shí)最優(yōu)原則，確定實(shí)際能量管理策略，即系統(tǒng)扭矩分配策略，如圖1所示，由前處理模塊，對(duì)扭矩和轉(zhuǎn)速需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，與駕駛員需求一起傳給能量管理單元，能量管理單元根據(jù)實(shí)時(shí)最優(yōu)原則，優(yōu)化并確定發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩和電機(jī)扭矩。

圖1 能量管理策略[1]

以運(yùn)行結(jié)束SOC控制為目標(biāo)的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示。可以看出，以SOC控制為目標(biāo)，在WLTC測(cè)試循環(huán)下，SOC控制與預(yù)設(shè)目標(biāo)一致。

圖2 運(yùn)行結(jié)束SOC控制驗(yàn)證[1]

2 新能源汽車動(dòng)力總成能量管理虛擬開發(fā)[2]

新能源汽車電驅(qū)系統(tǒng)性能受各總成和部件溫度影響很大，因此，為了優(yōu)化動(dòng)力系統(tǒng)效率，提高整車性能，在車輛開發(fā)前期，通過軟件進(jìn)行詳細(xì)的虛擬研究非常必要。如圖3所示，建立了一個(gè)包含冷卻管路、水泵、電機(jī)和逆變器等部件的仿真模型，進(jìn)行熱管理系統(tǒng)研究，組件模型及其參數(shù)來源于3D模擬、測(cè)量和供應(yīng)商數(shù)據(jù)。

圖3 電驅(qū)系統(tǒng)仿真模型[2]

在模擬方法方面，搭建的冷卻系統(tǒng)模型應(yīng)能預(yù)測(cè)系統(tǒng)中不同位置在不同條件下的溫度、壓力和質(zhì)量流量。冷卻管路、水泵、控制系統(tǒng)的性能也是必要因素，同時(shí)，電子元件與冷卻系統(tǒng)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(chǎn)生的熱量，條件包括車速、扭矩、環(huán)境溫度和電池荷電狀態(tài)等；2）能量從冷卻系統(tǒng)輸送到冷卻劑的情況，如管路長(zhǎng)度和表面積；3）系統(tǒng)的熱容，大型電子元件(如電機(jī))中，溫度的升降需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。

在總成及部件模擬方面，主要包括電機(jī)模擬、逆變器模擬和電池模擬。其中電機(jī)模擬較為復(fù)雜，需要進(jìn)行電機(jī)損失分析、電磁和熱分析等三維仿真分析，最后建立電機(jī)的熱網(wǎng)絡(luò)模型，進(jìn)行熱管理系統(tǒng)分析。

最后進(jìn)行系統(tǒng)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(shù)據(jù)集成在相應(yīng)的子模型中，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)聯(lián)合仿真。

該分析方法的優(yōu)勢(shì)在于，基于現(xiàn)有零部件和總成狀態(tài)，完全通過仿真手段，分析電驅(qū)系統(tǒng)的熱特性，減少了試驗(yàn)環(huán)節(jié)、開發(fā)時(shí)間和成本，適應(yīng)于未來汽車快速迭代的大趨勢(shì)。

3 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)[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?zé)峁芾硎切履茉雌囬_發(fā)的重要組成部分。在目前產(chǎn)品開發(fā)中，一般建立電池的全模型，結(jié)合整車應(yīng)用工況進(jìn)行分析，這種方法相對(duì)復(fù)雜，開發(fā)所用時(shí)間成本較多。合理的開發(fā)方法如圖4所示，在開發(fā)初期做概念設(shè)計(jì)，后期做詳細(xì)設(shè)計(jì)，這里所介紹的就是在熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，采用簡(jiǎn)單的計(jì)算，進(jìn)行電池?zé)峁芾砀拍钤O(shè)計(jì)的方法。

圖4 電驅(qū)系統(tǒng)熱管理頂層模型[2]

圖5 電池?zé)峁芾黹_發(fā)概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)關(guān)系[3]

電池?zé)峁芾砀拍罘治鲋饕ㄒ韵聨追矫婀ぷ鳎?、確定熱管理系統(tǒng)外部邊界條件，如散熱能力和水泵的性能；2、熱管理系統(tǒng)抽象化。如圖6所示，熱管理系統(tǒng)抽象成為幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圓管回路，用管路直徑，回路數(shù)量等描述；3、電流生熱研究，主要研究不同電流產(chǎn)生熱量的情況；4、電流生熱與冷卻系統(tǒng)耦合分析；5、冷卻系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。這樣就完成了電池冷卻系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)。

圖6 熱管理抽象化[3]