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基于系統(tǒng)性仿真的電動汽車熱管理策略
2021-03-10 15:37:07· 來源：AutoAero
一分鐘了解全文 本文主要介紹基于GT-SUITE的一維三維耦合熱仿真方法，并且提出一種新型預測性電池模型，用于分析優(yōu)化電動汽車熱管理仿真時面對的問題，同時可以對電池的循環(huán)壽命和日歷壽命進行預測，最后提出了一種集成式電動汽車熱管理模型。 --------------
一分鐘了解全文
本文主要介紹基于GT-SUITE的一維三維耦合熱仿真方法，并且提出一種新型預測性電池模型，用于分析優(yōu)化電動汽車熱管理仿真時面對的問題，同時可以對電池的循環(huán)壽命和日歷壽命進行預測，最后提出了一種集成式電動汽車熱管理模型。
為了提高電動汽車的續(xù)航里程和安全性、舒適性等方面的性能，熱管理系統(tǒng)在電動汽車的零部件和系統(tǒng)層面上都變得越來越重要。與昂貴的實際測試相比，熱管理系統(tǒng)復雜性的顯著提高以及與整車的交互更加緊密，正推動著整車系統(tǒng)仿真的發(fā)展。在系統(tǒng)層面，不同子系統(tǒng)之間的交互程度不同，熱管理系統(tǒng)仿真模型必須能夠?qū)@樣的交互系統(tǒng)進行仿真。在零部件級別，確保各個復雜連接的系統(tǒng)中所使用組件的有效性變得愈發(fā)重要。下面從幾個方面分別對本文的研究內(nèi)容進行介紹。
一、零部件層面的建模
精確的零部件層面建模對于子系統(tǒng)的詳細設計非常重要，下文分別介紹了電池熱管理系統(tǒng)建模、電池建模和乘員艙建模。
1.電池熱管理系統(tǒng)建模
電池熱管理系統(tǒng)的首要目的是保證整個電池包中溫度分布均勻，通常要求電池包內(nèi)電池的溫度差不超過5K。溫度分布不均勻以及快速放電、過度充電或外部環(huán)境溫度過高導致的電池包過熱會使電池性能迅速退化并縮短電池壽命。在極端情況下，由于熱量不受控制地積聚，電池包中的電池可能會發(fā)生熱失控，從而導致災難性的破壞，例如起火和爆炸。為了避免這種情況，電池熱管理系統(tǒng)必須確保電池溫度的均勻分布。本節(jié)闡述了一種對液冷電池包建模的方法，并將冷卻板內(nèi)部的一維流動與電池包和冷卻板結合的三維模型進行耦合熱仿真。本文所用電池包及其內(nèi)部一個電池模組如圖1所示，其中每個電池模組由20個電池單體及21塊冷卻板構成。
圖1 電池包內(nèi)部組成及單體模塊結構
圖2 Spaceclaim處理冷卻流道
圖3 GEM3D處理電池模組
圖4 GT-ISE進行裝配
對系統(tǒng)模型進行熱仿真，條件參數(shù)如圖5所示，得到仿真結果如圖6、圖7所示。
圖5 模型條件參數(shù)
圖6 電池單體和冷卻流道溫度分布
圖7 電池包內(nèi)流經(jīng)各電池模組的冷卻液溫度
2.電池建模
電池的建模通常遵循兩種方法，即等效模型和電化學模型。兩者的主要區(qū)別在于計算成本以及可預測性。等效模型由與一組電氣元件（例如電阻器和電容器）連接的開路電壓源形成，由于計算效率高，因此被廣泛用于電池SoC的估算，該技術根據(jù)電流的輸入估算電池電壓，并且可以使用不同的電阻電容分支來捕獲電池系統(tǒng)固有的不同時間常數(shù)，如圖8所示，這種模型計算速度很快，但僅對特定的電池類型保證結果可靠。
圖8 電池等效模型示意圖
電化學模型使用偏微分方程來對電池內(nèi)部的狀態(tài)進行建模，它可用于計算電池內(nèi)部的電化學狀態(tài)，通常比等效模型更準確，但計算速度較慢。電化學模型可以用來預測電池的循環(huán)壽命和日歷壽命，本文使用GT-AutoLion對給出的新型電池模型進行循環(huán)壽命和日歷壽命的預測，并且對不同電芯材料的電池也進行了仿真，結果如圖9、圖10所示。
圖9 使用GT-AutoLion預測循環(huán)壽命和日歷壽命
圖10 使用GT-AutoLion預測不同材料的電池性能
將電化學模型與電池熱管理系統(tǒng)模型集成在一起進行仿真將得到最準確的結果。但是，由于電化學模型計算速度比等效模型慢，因此以解耦方式模擬了這些電化學模型。
上一小節(jié)電池熱管理系統(tǒng)生熱速率的得出，使用了電池單元的等效模型，該模型基于經(jīng)驗相關性，利用內(nèi)部電阻和開路電壓數(shù)據(jù)與充電狀態(tài)和溫度之間的關系得出整個系統(tǒng)的生熱速率。
3.乘員艙建模
對于電動汽車，電驅(qū)總成及空調(diào)系統(tǒng)消耗的電能最多，為了提高電能的利用效率，可以對空調(diào)系統(tǒng)進行優(yōu)化。目前的優(yōu)化方向是必須在不損害人體熱舒適性的前提下，降低空調(diào)壓縮機的功耗，因此需要對乘員艙內(nèi)進行熱舒適性的研究（此處不考慮空調(diào)加熱工況）。為了能夠精確地預測乘員艙內(nèi)的溫度分布，CFD工具被廣泛應用，但是，這種準確性是以巨大的運算時間為代價的。為了優(yōu)化運算時間，本文使用了GT-SUITE和TAITherm協(xié)同仿真的方法，GT-SUITE可以迅速處理乘員艙內(nèi)部的流體區(qū)域，TAITherm提供了快速求解三維結構溫度的能力，包括三維熱傳導，熱對流和多次反射輻射，對于此部分的計算，TAITherm需要對流邊界條件。GT-SUITE為TAITherm中的計算提供了這些對流邊界條件，如圖11所示。
圖11 GT-SUITE與TAITherm之間的數(shù)據(jù)交換
乘員艙內(nèi)部的邊界由TAITherm中的模型表示，而艙內(nèi)的流量由COOL3D中的模型來表示，乘員艙的CAD幾何數(shù)據(jù)導入到GT-SUITE的預處理器COOL3D中。在COOL3D中，乘員艙體積被離散為幾個子體積，風道入口和出口的邊界由軟件創(chuàng)建完成。在TAITherm中，導入COOL3D生成的乘員艙網(wǎng)格文件，其中乘員艙的不同表面（例如門，擋風玻璃，側窗，頂蓋，地板等）被網(wǎng)格化。在TAITherm定義艙內(nèi)表面的不同層及其使用材料，例如，乘員艙頂外部材料定義為鋼，中間層為空氣，內(nèi)部層為泡沫。
如上所述，在GT-ISE中，COOL3D模型和TAITherm模型都被連接以交換數(shù)據(jù)。創(chuàng)建的耦合模型可以作為獨立的乘員艙模型運行，其中對乘員艙入口溫度（在通風口處）和流量進行設定，如圖12所示。
圖12集成GT-SUITE和TAITherm模型的獨立乘員艙模型
從圖13中可以看到GT-TAITherm和CFD仿真的結果之間有很好的比較。雖然GT-SUITE可以自行計算求解，但在此模型中，將CFD流場耦合到了在COOL3D中創(chuàng)建的網(wǎng)格上，然后使用GT-TAITherm良好地解決了溫度分布問題。
圖13 GT-TAITherm和CFD仿真結果比較
二、系統(tǒng)建模
整車系統(tǒng)中，經(jīng)常存在著多個子系統(tǒng)同時工作，并且彼此之間具有不同級別的交互，所以有必要對這些相互作用進行建模，以確保所有子系統(tǒng)以連貫、緊密耦合的方式協(xié)同工作，使電動汽車在各種負載和運行條件下以峰值性能和效率工作。因此，電池包的性能要與其他相關結構的屬性特征認真匹配。但是，這樣的集成模型進行仿真分析時會非常復雜和緩慢，而且只有當開發(fā)者對不同子系統(tǒng)的獨立性能有足夠的信心時，集成系統(tǒng)建模才是有益的。本文提出了一種集成式電動汽車熱管理模型，并在一個行駛周期內(nèi)對模型進行了仿真，創(chuàng)建這樣一個模型的工作流程與創(chuàng)建電池熱管理系統(tǒng)模型的工作流程相似，在不同的行駛循環(huán)和環(huán)境條件下對該模型進行了多次試驗。集成模型如圖14所示。
圖14 集成式電動汽車熱管理模型
在模型中，使用PID控制器改變冷卻液流速，使整個電池包的溫差保持在5K的目標值以下，同時電池包冷卻液出口平均溫度接近目標溫度（29℃），乘員艙平均溫度也接近目標溫度（21℃）。然而從圖15可以看到，蒸發(fā)器出口處的空氣溫度接近0℃以下的值，在實際系統(tǒng)中，這可能導致蒸發(fā)器結霜降低其性能，并最終導致堵塞。隨后對壓縮機控制裝置進行了調(diào)整，以將蒸發(fā)器出口空氣溫度調(diào)節(jié)至正值。
圖15 兩種工況下平均電池溫度、平均乘員艙溫度和平均蒸發(fā)器溫度
圖16 測試工況下模型內(nèi)各監(jiān)測點數(shù)據(jù)
根據(jù)圖16所示的數(shù)據(jù)可以看出，在低溫環(huán)境中行駛時，整車消耗的能量較多，因為電池包加熱器和乘員艙加熱器工作消耗了更多的電能。在測試工況的后半部分，由于電池包加熱器關閉，乘員艙加熱器耗電減少，請求的蓄電池功率降低。此外，隨著冷卻液和座艙溫度接近目標值，壓縮機請求的轉(zhuǎn)速和功率也會降低。當電池組入口和出口之間的溫差接近目標值時，觀察到水泵也有相似的請求。此外可以注意到，由于電池包在低溫下工作時功耗較高從而產(chǎn)生更多的熱，電池包在低溫環(huán)境中的散熱率更高。
總結
在任何原型構建和實驗測試之前，GT-SUITE為開發(fā)人員開發(fā)電動汽車熱管理控制策略提供了有效的幫助，對具有不同邊界條件的獨立模型中的電池熱管理系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等不同組件進行一維三維耦合分析，以使開發(fā)者對系統(tǒng)性能有足夠的信心?；陔姵氐碾娀瘜W特性和幾何細節(jié)，在GT-AutoLion中創(chuàng)建了一個電化學電池模型，該模型有助于預測電池的循環(huán)壽命和日歷壽命。使用GT-TAITherm進行了協(xié)同仿真分析，以預測乘員艙內(nèi)部的溫度場。然后將這些獨立的零部件模型集成到不同的子系統(tǒng)模型中，最后將子系統(tǒng)模型組合在一起，以創(chuàng)建一個集成的電動汽車模型，最終利用該模型在不同的測試周期和環(huán)境條件下進行仿真，不斷優(yōu)化電動汽車熱管理系統(tǒng)的策略。
來源文獻：
Shah, S., Vijay,D., and Lehocky, M., “Thermal Management of Electrified Vehicle by Means ofSystem Simulation,” SAE Technical Paper 2020-28-0033, 2020,doi:10.4271/2020-28-0033.
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