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新能源汽車如何實(shí)現(xiàn)一體化整車熱管理？

2021-11-04 22:02:30·  來(lái)源：AUTO行家  
　
車輛熱管理系統(tǒng)與汽車關(guān)鍵部件的性能息息相關(guān)，是制約其向更高性能發(fā)展的主要瓶頸之一。當(dāng)前主流新能源汽車整車熱管理系統(tǒng)的現(xiàn)有問題和可優(yōu)化空間主要分為軟、硬
車輛熱管理系統(tǒng)與汽車關(guān)鍵部件的性能息息相關(guān)，是制約其向更高性能發(fā)展的主要瓶頸之一。當(dāng)前主流新能源汽車整車熱管理系統(tǒng)的現(xiàn)有問題和可優(yōu)化空間主要分為軟、硬件兩部分。在硬件結(jié)構(gòu)上，各關(guān)鍵部件冷卻系統(tǒng)分立，體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜而冗余。其次，制熱系統(tǒng)效率低下。在軟件的控制策略上，基于經(jīng)驗(yàn)、規(guī)則的單一溫度管理機(jī)制，缺乏精細(xì)化過(guò)程控制策略和一體化管理思路，系統(tǒng)能效比較低。因此，今天我們就一起來(lái)看看通過(guò)技術(shù)手段如何實(shí)現(xiàn)一體化整車熱管理。

整體策略

一體化整車熱管理新框架及策略的構(gòu)想如下圖。


我們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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
1、精確化子系統(tǒng)控制導(dǎo)向熱模型建立
首先對(duì)電機(jī)、逆變器、電池、空調(diào)等關(guān)鍵子系統(tǒng)產(chǎn)熱機(jī)理、冷卻功耗等進(jìn)行精確化建模，對(duì)分立系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全面監(jiān)測(cè)，精細(xì)化控制與合理分配。在建模過(guò)程中，依靠不同方式來(lái)確定主要影響參數(shù)，建立實(shí)時(shí)分析的降階解析模型。
2、關(guān)鍵部件熱耦合影響量化分析
對(duì)于關(guān)鍵部件的熱耦合因素與影響進(jìn)行分析與量化，將孤立的系統(tǒng)連接與利用，形成統(tǒng)一調(diào)配與分析。其中，許多研究指出，電機(jī)、逆變器、電池及空調(diào)等發(fā)熱部件由于布局位置、功率傳遞等原因相互耦合，導(dǎo)致子系統(tǒng)溫升模型相互依賴度較高，需要通過(guò)精確化建模進(jìn)行量化分析。

整車熱管理潛力挖掘與熱慣性利用
汽車熱管理系統(tǒng)慣性較大，溫度瞬態(tài)響應(yīng)慢，“儲(chǔ)熱”較豐富，動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)規(guī)劃的空間和可操作性較強(qiáng)，因此，可以充分利用系統(tǒng)慣性，在不影響舒適度的前提下減輕能耗，還能實(shí)現(xiàn)調(diào)溫功率“平滑化”，幫助冷卻系統(tǒng)工作在高能效比區(qū)間，提升加熱冷卻系統(tǒng)效率。

一體化框架下的軟硬件對(duì)接與統(tǒng)籌
我們將該一體化系統(tǒng)與精確的整車熱管理模型結(jié)合，充分考慮子系統(tǒng)間熱耦合效應(yīng)，采用實(shí)時(shí)優(yōu)化手段展開溫度預(yù)測(cè)與規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)整車熱管理核心目標(biāo)。



一體化實(shí)時(shí)整車熱管理潛力
整車熱管理系統(tǒng)對(duì)新能源汽車的安全和效率帶來(lái)了巨大的潛力：
1）對(duì)子系統(tǒng)熱耦合效應(yīng)進(jìn)行量化建模，可提升關(guān)鍵部件溫升模型可信度；
2）多端串聯(lián)的冷卻系統(tǒng)可以及時(shí)地針對(duì)瞬時(shí)出現(xiàn)的短板調(diào)集優(yōu)勢(shì)冷卻資源進(jìn)行優(yōu)先保護(hù)；
3）利用對(duì)有限的冷卻資源的合理調(diào)控，平衡系統(tǒng)溫升，優(yōu)化溫升曲線，從而降低絕緣系統(tǒng)與電化學(xué)物質(zhì)的老化速率；
4）利用模型實(shí)時(shí)運(yùn)算與預(yù)測(cè)能力，實(shí)現(xiàn)溫度規(guī)劃，提升整車效率；
5）以最小的成本提升車內(nèi)空間的溫度舒適度。

整車熱管理控制導(dǎo)向建模
整車熱管理系統(tǒng)控制導(dǎo)向（control-oriented）建?；舅悸方ㄗh如下：
1、基于已有材料參數(shù)建立子系統(tǒng)FEM模型；
2、深入分析損耗與熱傳導(dǎo)機(jī)理，建立解析模型；
3、對(duì)模型進(jìn)行深度降階，并利用測(cè)試結(jié)果進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定；
4、分析子系統(tǒng)間耦合特性，量化影響系數(shù)，連接子系統(tǒng)，形成完整模型，如下圖所示。

基于一體化整車熱管理模型的預(yù)測(cè)控制和性能提升
在多場(chǎng)耦合熱模型基礎(chǔ)上，不僅可以結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫升預(yù)測(cè)，還可以結(jié)合子系統(tǒng)獨(dú)立優(yōu)化進(jìn)程，深化挖掘熱管理效率提升潛力，從系統(tǒng)集成化角度進(jìn)一步優(yōu)化整車熱管理系統(tǒng)。
結(jié)合新能源汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化能力、開發(fā)進(jìn)行，通過(guò)未來(lái)長(zhǎng)時(shí)間尺度工況分析，可以根據(jù)整車熱管理模型預(yù)測(cè)關(guān)鍵部件溫度，對(duì)具有較大時(shí)滯特性的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)超前感知、溫度提前調(diào)控。其技術(shù)路線分別由下面兩圖所示。




在此基礎(chǔ)上，可以將傳統(tǒng)的分立式被動(dòng)控制轉(zhuǎn)換為主動(dòng)控制，基于多目標(biāo)優(yōu)化溫升曲線，提升綜合性能如下圖。



子系統(tǒng)效率提升與精細(xì)化建模
使用一體化整車熱管理，由于子系統(tǒng)間的聯(lián)系加強(qiáng)，局部性能可以得到升，還通過(guò)系統(tǒng)耦合關(guān)系對(duì)周邊各子系統(tǒng)產(chǎn)生顯著影響。因此，在對(duì)整體控制優(yōu)化的同時(shí)，還需要對(duì)子系統(tǒng)的熱管理進(jìn)行細(xì)化與提升。
在這里需要注意的是，在電機(jī)建模中要格外關(guān)注真實(shí)行駛路況中的模型跟隨準(zhǔn)確性，如下圖所示。


在冷卻系統(tǒng)方面，為適應(yīng)大功率和高轉(zhuǎn)速需求，需要提升電機(jī)換熱能力。其中，冷卻水套性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化最為關(guān)鍵。
同時(shí)，冷卻效果隨冷卻水溫呈現(xiàn)非線性變化，其在多工作狀態(tài)下的性能量化，對(duì)于尋找最佳水溫，提高整車調(diào)控能力具有重要意義。

車載空調(diào)技術(shù)
采用熱泵系統(tǒng)取代PTC暖風(fēng)空調(diào)，可以緩解冬季采暖對(duì)新能源汽車?yán)m(xù)航里程的不利影響。其工作原理如下圖。



逆變器
新能源汽車驅(qū)動(dòng)逆變器熱管理問題的核心是提升能量轉(zhuǎn)換效率。
近年來(lái)，新材料取得快速發(fā)展，采用寬禁帶半導(dǎo)體器件（SiC、GaN），可以顯著降低逆變器開關(guān)損耗及導(dǎo)通損耗，抑制系統(tǒng)溫升。
其次，采用多電平拓?fù)浠蛐滦蛙涢_關(guān)拓?fù)?，從系統(tǒng)層級(jí)上提升驅(qū)動(dòng)逆變器整體效率。
再次，改進(jìn)PWM調(diào)制算法，減小1/3~1/2開關(guān)損耗，以極小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)需求降級(jí)。

動(dòng)力電池
動(dòng)力電池產(chǎn)熱機(jī)理較為復(fù)雜（公式（3）），需要建立精確電化學(xué)模型表征其產(chǎn)熱行為。
公式如下：


式（3）中，ρ 表示密度（kg/m），cP 表示比熱容（J/（kg·K）），T 表示溫度（K），λ 表示表面材料導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·K）），qi 表示各種產(chǎn)熱率（W/m）。as 表示電極反應(yīng)的比表面積（1/m），F 表示法拉第常數(shù)（96485C/mol），jj 表示鋰離子的摩爾通量（mol/（m·s）），ηj 表示過(guò)電勢(shì)（V），φs 為固相電極的電勢(shì)分布函數(shù)（V），σeff 表示固相多孔電極的有效電導(dǎo)率（S/m），φe 表示電解液電勢(shì)分布函數(shù)（V），∂Uocp,j /∂T表示電動(dòng)勢(shì)溫度系數(shù)（V/K），κeff 表示電解液的有效電導(dǎo)率（S/m），κD,eff 表示電解液的有效離子擴(kuò)散電導(dǎo)率（S/m），ce 表示液相的鋰離子濃度（mol/m）。
繼而針對(duì)其特殊的層狀結(jié)構(gòu)，建立電池溫度場(chǎng)分布解析模型，從而制定相應(yīng)熱控策略進(jìn)行管理如下圖。


另一方面，為了實(shí)現(xiàn)電池溫升狀態(tài)的更佳匹配與控制，需要深入探究電池老化與電池溫升的互耦關(guān)系。隨著電池的循環(huán)老化，電池的內(nèi)阻和容量損失加大，電池的充放電平均產(chǎn)熱速率和總產(chǎn)熱速率均增加，且熱量從中間向兩側(cè)急劇擴(kuò)散，易發(fā)生熱失控，如下圖所示。


在整車中，還需要對(duì)電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)分析測(cè)試與優(yōu)化，提升其散熱能力和可控性。
低溫狀態(tài)下，動(dòng)力電池容量大幅下降。為解決上述問題，近年來(lái)多種電池加熱新技術(shù)涌現(xiàn)。其中，利用電池內(nèi)部阻抗的交流自加熱技術(shù)，可以有效提高加熱速度及能效比動(dòng)力電池低溫預(yù)熱，相較于傳統(tǒng)放大可以降低50%甚至更多的能耗。

整車熱管理一體化性能評(píng)估
針對(duì)整車熱管理的多層級(jí)優(yōu)化目標(biāo)（安全性、動(dòng)力性、續(xù)航能力、舒適性、耐久性），基于嵌入式整車熱管理系統(tǒng)控制導(dǎo)向（control-oriented）解析模型預(yù)測(cè)結(jié)果，可以進(jìn)行空間尺度與時(shí)間尺度上的雙重優(yōu)化。
然而，在一體化整車熱管理框架下進(jìn)行優(yōu)化，需要基于系統(tǒng)性能評(píng)估來(lái)設(shè)置，如下圖。

 
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