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電動汽車能量流仿真分析

2021-10-22 15:09:24·  來源：電動學(xué)堂  作者：臧儒振  
　
文章來源：艾迪捷信息科技（上海）有限公司北京分公司前言續(xù)航里程是純電動車面臨的主要挑戰(zhàn)之一。電動車的續(xù)航里程隨著環(huán)境溫度的變化會出現(xiàn)顯著的變化。尤其在
文章來源：艾迪捷信息科技（上海）有限公司北京分公司

前言
續(xù)航里程是純電動車面臨的主要挑戰(zhàn)之一。電動車的續(xù)航里程隨著環(huán)境溫度的變化會出現(xiàn)顯著的變化。尤其在夏季和冬季，由于駕駛艙以及電池的熱需求，續(xù)航里程會出現(xiàn)顯著的下降。在整車開發(fā)的早期階段、測試條件還不具備時(shí)，利用系統(tǒng)仿真工具進(jìn)行整車水平的能量管理分析對于整車開發(fā)具有重要意義。工程師可以通過這樣的整車能量管理模型，以很低的成本，在開發(fā)早期就可以進(jìn)行硬件的匹配和控制策略的標(biāo)定，滿足續(xù)航、電池溫度、駕駛艙溫度等的設(shè)計(jì)要求。
整車能量管理仿真是一個(gè)典型的多物理集成仿真。針對電動車，其能量形式相對于其他新能源汽車較為簡單，它包含了化學(xué)能、電能、機(jī)械能以及內(nèi)能之間的轉(zhuǎn)化和傳遞。電動車只有一個(gè)能量來源，即鋰電池的化學(xué)能。在放電過程中，鋰電池存儲的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電能經(jīng)過驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能再經(jīng)過傳動系統(tǒng)傳遞至車輪，進(jìn)而推動車輛前進(jìn)。在每一種能量的傳遞過程中以及不同能量形式的轉(zhuǎn)化過程中，都存在一定的能量消耗，如電池、電機(jī)以及一些機(jī)械部件的發(fā)熱等。除此之外，還有一些能量存儲在系統(tǒng)中，如儲存在運(yùn)動部件中的動能、由于溫度變化而導(dǎo)致的內(nèi)能的變化。
本文將基于一個(gè)詳細(xì)的電動車整車能量管理模型，分別在夏季（環(huán)境溫度30℃，駕駛艙溫度目標(biāo)為21℃）和冬季（環(huán)境溫度-10℃,駕駛艙溫度目標(biāo)為25℃），進(jìn)行NEDC循環(huán)的能量流分析，并分析了一些關(guān)鍵部件和附件的能耗。
1整車模型介紹
GT-SUITE是一款世界領(lǐng)先的多物理系統(tǒng)仿真工具，在新能源汽車領(lǐng)域得到了廣泛地使用。本文首先基于GT-SUITE搭建該電動車的整車能量管理模型。如圖1所示，該整車系統(tǒng)的電池冷卻形式為水冷，共由5個(gè)流體回路組成：高低溫兩個(gè)冷卻回路、間接制冷劑回路、駕駛艙空氣回路、動力艙空氣回路。工作原理為：

1)控制系統(tǒng)通過環(huán)境溫度來判斷電池冷卻采用高溫（HT）回路還是低溫（LT）回路。如果環(huán)境溫度高于18℃，則電池冷卻采用LT回路，切斷HT回路與電池的聯(lián)系；反之，則采用HT回路，切斷LT回路與電池的聯(lián)系。
2)當(dāng)電池冷卻處于LT回路時(shí)（如夏季），冷卻液不斷吸收來自駕駛艙、電池的熱量，再將熱量釋放給空調(diào)回路（蒸發(fā)器），從而實(shí)現(xiàn)給駕駛艙和電池降溫的目的。此時(shí)，在HT回路中，冷卻液吸收來自空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器以及動力總成（電機(jī)、DCDC、逆變器）的熱量，通過前艙的散熱器釋放給外部環(huán)境。
3)當(dāng)電池冷卻處于HT回路時(shí)（如冬季），HT回路采用小循環(huán)，冷卻液不流經(jīng)散熱器。冷卻液吸收來自電池加熱器、動力總成以及熱泵循環(huán)冷凝器的熱量，從而給電池加熱。此時(shí)，LT回路充當(dāng)了熱泵系統(tǒng)與環(huán)境之間的中介，熱泵系統(tǒng)從LT回路中吸收熱量，而LT回路通過一個(gè)換熱器從環(huán)境中吸收熱量。
4)當(dāng)制冷劑回路工作在空調(diào)模式時(shí)（如夏季），制冷劑通過蒸發(fā)器，與LT回路換熱，而LT回路從駕駛艙（低溫?zé)嵩矗┲形諢崃?，即制冷劑通過LT回路間接地吸收駕駛艙熱量。而制冷劑通過冷凝器將從低溫?zé)嵩次盏臒崃哭D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩矗碒T回路。
5)當(dāng)制冷劑回路工作在熱泵模式時(shí)（如冬季），制冷劑回路流動方向不變，制冷劑通過蒸發(fā)器從LT回路中吸熱，而LT回路通過一個(gè)換熱器從外部環(huán)境（低溫?zé)嵩矗┲形諢崃浚凑舭l(fā)器通過LT回路間接地吸收環(huán)境中的熱量。而制冷劑通過冷凝器將從低溫?zé)嵩次盏臒崃哭D(zhuǎn)移到高溫?zé)嵩?，即HT回路。
6)在駕駛艙回路中，夏季回風(fēng)率為0.6，駕駛艙熱量通過駕駛艙回路中的蒸發(fā)器將熱量傳遞給LT回路；冬季回風(fēng)率為0.4，駕駛艙通過一個(gè)電加熱器和一個(gè)換熱器（熱量來自HT回路）進(jìn)行加熱。
該模型的熱源來自4個(gè)部件：電池、電機(jī)、逆變器、DC-DC。其中
1)電池采用三元鋰電池（3P100S），單體容量為41Ah，。電池模型為等效電路模型，內(nèi)阻和電容參數(shù)均作為SOC，溫度和電流的Map。
2)電機(jī)為基于Map的模型，其額定功率為151KW，額定轉(zhuǎn)速5000rpm，最大轉(zhuǎn)速8800rpm。
3)逆變器的產(chǎn)熱功率為200W，DCDC的產(chǎn)熱功率為100W。
4)減速器的減速比為7.05，效率為0.95.
5)車重1615kg，額外負(fù)載180kg。
下圖為速度跟隨結(jié)果，模型能夠很好地跟隨目標(biāo)車速。

2結(jié)果分析
2.1夏季能量流分析
能量流分析本質(zhì)上是對各個(gè)熱力系統(tǒng)進(jìn)行能量平衡分析。這里的關(guān)鍵是熱力系統(tǒng)的選擇。本文分別針對一個(gè)NEDC循環(huán)和十個(gè)NEDC循環(huán)進(jìn)行能量流分析。由于兩者基本相同，故只列舉一例，如0所示。該分析的環(huán)境溫度為30℃，空調(diào)溫度目標(biāo)設(shè)置為21℃。圖中的實(shí)線框表示一個(gè)熱力系統(tǒng)，虛線框表示進(jìn)出該熱力系統(tǒng)的能量。實(shí)線框中的數(shù)值表示該熱力系統(tǒng)儲存能量的變化，正值表示該熱力系統(tǒng)的能量有所增加。

從圖中可以看出，夏季（打開空調(diào)）時(shí)，動力總成的效率為50.5%。從0中可以看出。壓縮機(jī)是電池能量效率的主要限制因素，消耗了23%的電能，故應(yīng)避免將空調(diào)溫度調(diào)得過低?？照{(diào)壓縮機(jī)之外的其他附件耗功都很小。電池本身的損耗（產(chǎn)熱）只占1%。

模型采用了最大能量回收策略，即只有當(dāng)電機(jī)不能滿足制動需求時(shí)，才通過剎車片提供制動力。從0中可以看出，在這種策略下剎車片浪費(fèi)的制動能量只占整個(gè)制動需求的9.6%，制動能量回收節(jié)約了13%的能量。另外，夏季時(shí)，兩個(gè)冷卻液回路中最大的熱源均來自駕駛艙的制冷需求。
2.2冬季能量流分析
0為冬季將空調(diào)溫度設(shè)置為25℃時(shí)的能量流分析。冬季時(shí)，制冷劑回路工作在熱泵模式。此時(shí)動力總成的效率僅為22.4%，制動能量回收節(jié)約了6%的能量，電池加熱器和暖風(fēng)消耗了大量的電能。
從0可以看出，電池加熱器和駕駛艙暖風(fēng)成為電池能量效率的主要限制因素，分別消耗了33%和23%的電能，其中電池加熱器的能耗甚至與驅(qū)動電機(jī)的能耗相當(dāng)。另外，電池本身的損耗也有所增加，這是由于低溫時(shí)電池內(nèi)阻的增加。

電池加熱器之所以耗功如此大，是因?yàn)楫?dāng)前的能量流分析針對的是一個(gè)NEDC周期，在冷啟動期間電池一直處于預(yù)熱狀態(tài)，如0所示，當(dāng)電池溫度達(dá)到23℃時(shí)電池加熱器停止加熱。這意味著，冬季短途行駛時(shí)能量利用率會非常低，故一個(gè)高效的電池加熱對于冬季提高續(xù)航是非常關(guān)鍵的。

0為針對10個(gè)NEDC循環(huán)進(jìn)行的能量流分析，結(jié)果與1個(gè)NEDC循環(huán)的結(jié)果大不相同。此時(shí)動力總成的效率達(dá)到50.4%，制動能量回收節(jié)約了13%的能量，駕駛艙電加熱器消耗了大量的電能，而電池加熱器耗功不再顯著。
從0可以看出，駕駛艙電加熱器成為電池能量效率的主要限制因素，消耗了16%電能，而電池加熱器的耗功消耗了7%的電能，這是由于冷啟動過后，電池加熱器不再工作了。

3總結(jié)
本文基于GT-SUITE，分別在夏季（30℃）和夏季（-10℃）針對一個(gè)EV整車能量管理模型進(jìn)行了能量流分析，重點(diǎn)分析了夏季和冬季導(dǎo)致續(xù)航下降的原因。夏季時(shí)，動力總成的效率為50.5%，壓縮機(jī)是電池能量效率的主要限制因素，消耗了23%的電能。冬季時(shí)，當(dāng)短途行駛時(shí)（如1個(gè)NEDC），動力總成的效率僅為22.4%，由于電池的冷啟動，導(dǎo)致電池加熱器消耗了近33%的電能，與驅(qū)動電機(jī)的能耗相當(dāng)；當(dāng)長途行駛時(shí)（如10個(gè)NEDC），電池在冷啟動后，不再工作，故動力總成的效率達(dá)到了50.4%，駕駛艙電加熱器成為最大的能耗附件，消耗了16%的電能。
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