基于整車能量管理的電動汽車熱管理技術(shù)發(fā)展趨勢

胡志林 張昶 楊鈁 付磊

（中國第一汽車集團(tuán)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(xì)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?yán)m(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(jìn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其主要包含發(fā)動機冷卻回路、進(jìn)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(jìn)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?fù)浣Y(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(fù)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(jìn)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(jìn)行冷卻，提升進(jìn)氣工質(zhì)密度，實現(xiàn)較大的進(jìn)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(jìn)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(jìn)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?fù)浣Y(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?yán)鋮s回路類似，但各回路的目標(biāo)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(jìn)行制冷，另外在某些工況下，通過Chiller（冷卻裝置）對電池回路進(jìn)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(jìn)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?fù)浣Y(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(jìn)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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(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(jìn)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(jìn)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(jìn)行散熱，經(jīng)膨脹閥引入到低溫回路的Chiller進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行加熱，也可采用電機回路的室外散熱器進(jìn)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(jìn)行散熱。電機回路可獨立采用低溫散熱器進(jìn)行散熱。

空調(diào)回路可通過Chiller與低溫回路進(jìn)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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(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(jìn)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(jìn)行散熱，經(jīng)膨脹閥引入到室外冷凝器進(jìn)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(jìn)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(xì)化，這就需要對熱管理系統(tǒng)控制模式進(jìn)行細(xì)化，而通過實車對眾多的工作模式進(jìn)行標(biāo)定將需要大幅度增加整車標(biāo)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(jìn)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(jìn)行實時迭代。

整車模型采用Simulink進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(zhǔn)，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?yán)m(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(jìn)行仿真，主要用于整車熱管理系統(tǒng)工程師進(jìn)行聯(lián)合仿真研究，所有子系統(tǒng)均由熱管理仿真軟件進(jìn)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(jìn)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(jìn)行建模，通過特定的專用接口，與主模型進(jìn)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(jìn)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(xì)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(jìn)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(jìn)行建模，通過標(biāo)準(zhǔn)化接口，對各子系統(tǒng)進(jìn)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(jìn)行建模；由于采用標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的限制。

針對于項目進(jìn)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(jìn)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(xì)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(jìn)行優(yōu)化和預(yù)標(biāo)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。