新能源汽車一體化整車熱管理新思路

黃浩 姚大宇

摘要：隨著新能源汽車的高速發展與高能部件在新能源汽車中的應用，新能源汽車的熱管理面臨巨大挑戰。其中，作為高功率能量轉換部件的電機與高密度儲能部件的電池的安全與效率問題最為突出，是新能源汽車熱管理繼續解決的關鍵問題。其次，消費者對車輛安全性、舒適性、高效性與續航能力的日益關注，這些表現亦與新能源汽車實時整車熱管理行為密切相關，影響了整車產品的核心競爭力。本文首先由新能源汽車整車熱管理技術所面臨的挑戰出發，分析了現代整車熱管理技術的多層級優化目標。然后，針對這些目標，為進一步挖掘系統熱慣性潛力，提出了一體化熱管理新框架及優化控制策略，并分析了實現的可行性與優化收益，提出了匹配的技術路線。

關鍵詞：新能源汽車;整車熱管理;系統熱慣性;優化控制

1 整車熱管理現有問題與優化目標

為緩解整車熱管理系統的現有問題，需要首先明確優化目標。然而，車輛熱管理問題存在多個并行獨立的方面，本文將其總結為如下5個方面：

1.1安全性目標：要求更為合理調配與控制，使得所有的關鍵部件溫升具有較高的安全裕度。

1.2動力性目標：要求提升綜合溫控能力和多情景應激能力，為動力需求提供強有力的保證。動力性基本由“三電”決定，而整車熱管理是保障汽車“三電”系統性能的重要手段。在電機電控方面，合理控制溫度，可以在允許電機在更高速、高功率運行的情況下防止磁鋼退磁和絕緣擊穿。在電池方面，可以允許電池更好地控制電池內部電化學參數、增強輸出能力，在電控方面，可以顯著增強散熱，提高逆變器承載能力，并允許更高頻電力電子元器件在車載電機驅動器中的應用。

1.3續航能力目標：要求繼續提升系統集成度，降低電驅動系統及其冷卻部件的整體功耗以提升效率[4]：優化空調能耗，提高效能系數，增強整車續航能力;優化電池工作溫度區間，使得電池容量始終保持在較高水平。

1.4舒適性目標：要求綜合考慮環境變化與乘客需求，以最低能耗獲取車廂舒適溫度和諸多車內服務，如座椅加熱、方向盤加熱、車窗除霧、后視鏡加熱等。

1.5耐久性目標：要求系統級優化溫度平衡，降低電機絕緣損傷，延緩電池老化與容量衰退過程。研究指出，車用鋰離子電池老化的電化學機理為SEI增長和鋰沉積，如圖2所示。

SEI膜電流密度：

鋰沉積電流密度：

式（1）、式（2）中， 、 表示SEI膜和鋰沉積的電流密度（ ）， ，SEI、 分別表示SEI膜和鋰沉積的傳遞系數（單位為1）， 為固相電極的電勢分布函數（V）， 表示電解液電勢分布函數（V）， 為鋰沉積反應交換電流密度（ ）， 為電池SEI產生的膜阻（Ω·m2）， 為電池處于平衡狀態下的SEI平衡電勢（V）。

2 構建一體化熱管理新框架及策略

為應對新能源汽車高速發展所帶來的諸多挑戰和解決整車熱管理系統的現有問題，本文基于國內外相關熱分析與建模工作的進展，提出一體化整車熱管理新框架及策略的構想，以更充分地挖掘車輛系統熱慣性潛力，進而實現多層次、廣領域的優化目標。

為實現上述目標，需要分別在在軟件上完成分析、建模與量化工作，在硬件上促成一體化的結構設計。

2.1 精確化子系統控制導向熱模型建立

對分立系統實現全面監測，精細化控制與合理分配，首先需要對電機、逆變器、電池、空調等關鍵子系統產熱機理、冷卻功耗等進行精確化建模。在建模過程中，需要依靠多種分析手段，確定主要影響參數的數值，建立方便用于實時控制的降階解析模型。

2.2 關鍵部件熱耦合影響量化分析

將孤立的系統連接與利用，形成統一調配與分析，需要對于關鍵部件的熱耦合因素與影響進行分析與量化。其中，許多研究指出，電機、逆變器、電池及空調等發熱部件由于布局位置、功率傳遞等原因相互耦合，導致子系統溫升模型相互依賴度較高，需要通過精確化建模進行量化分析。

3 整車熱管理潛力挖掘與熱慣性利用

汽車熱管理系統慣性較大，溫度瞬態響應慢，“儲熱”較豐富，動態實時規劃的空間和可操作性較強，是汽車在綜合熱管理方面具有的天然優勢。如果可以充分利用該系統慣性，不僅可以在不影響舒適度的前提下減輕能耗，還能實現調溫功率“平滑化”，幫助冷卻系統工作在高能效比區間，從而提升冷卻與加熱系統的效率。

4 一體化框架下的軟、硬件對接與統籌

在上述工作的基礎上，最終將分散的冷卻系統互聯，構建出可統籌全局的整車熱管理系統與控制層級策略。

將該一體化系統與精確的整車熱管理模型結合，充分考慮子系統間熱耦合效應，采用實時優化手段展開溫度預測與規劃，實現整車熱管理核心目標。

綜上，整車熱管理系統控制導向（control-oriented）建模基本思路建議如下：首先基于已有材料參數建立子系統FEM 模型，然后深入分析損耗與熱傳導機理，建立解析模型，然后對模型進行深度降階，并利用測試結果進行參數標定，最后，分析子系統間耦合特性，量化影響系數，連接子系統，形成完整的一體化整車可嵌入式多物理場耦合熱模型。

結束語

隨著新能源汽車集成化技術的發展，熱管理系統正面臨諸多挑戰，對冷卻系統的要求也水漲船高。熱管理系統與汽車的多方面關鍵性能（安全性、動力性、續航能力、舒適性、耐久性）息息相關，是制約其發展的重要瓶頸之一。

通過整車精準化建模與控制，可以充分挖掘系統熱慣性潛力，構建一體化整車熱管理新策略。驅動電機、逆變器、空調、動力電池等關鍵高能子部件的熱管理是整車熱管理能力提升的根基。

參考文獻：

[1]張希，董騰輝，朱翀，郭邦軍，王東升.新能源汽車一體化整車熱管理新思路[J].制冷與空調，2020，20（05）：76-83.

[2]王文偉，孫逢春.全氣候新能源汽車關鍵技術及展望[J].中國工程科學，2019，21（03）：47-55.