摘    要

為了提高行駛里程以及其他安全性和舒適性，無論是在部件還是系統(tǒng)層面，熱管理在電動汽車的發(fā)展中都變得越來越重要。與昂貴的測試相比，熱管理系統(tǒng)復(fù)雜性的顯著增加及其與整車更緊密的相互作用推動了系統(tǒng)仿真的增長趨勢。

在系統(tǒng)級別，不同的子系統(tǒng)在不同程度上相互作用。這種強(qiáng)相互作用的一個(gè)例子是使用電池冷卻器的冷卻劑和交流電路之間的相互作用。熱管理系統(tǒng)仿真模型必須能夠模擬這種交互系統(tǒng)。

在組件級別，確保這些復(fù)雜連接系統(tǒng)中使用的多個(gè)組件的有效性變得越來越重要。準(zhǔn)確預(yù)測電池組內(nèi)部的溫度分布對于避免諸如熱失控之類的損壞情況至關(guān)重要。本研究描述了一種結(jié)合GT-SUITE中電池單體和冷卻板三維熱分析的冷卻板內(nèi)部一維流動集成方法。

此外，還描述了一種新的預(yù)測電化學(xué)和熱電池模型，用于分析和優(yōu)化組件和系統(tǒng)級行為。除了為冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供散熱值外，還允許選擇電池化學(xué)和設(shè)計(jì)。在周期和日歷時(shí)間尺度上的老化預(yù)測都考慮了不同的環(huán)境和操作條件的影響。

繼電子動力系統(tǒng)之后，暖通空調(diào)壓縮機(jī)是最大的電能消耗者。為了在不影響人體熱舒適的情況下優(yōu)化壓縮機(jī)功耗，人們將注意力集中在機(jī)艙內(nèi)部的局部冷卻上。本文概述了一種集成的聯(lián)合仿真方法，該方法允許對乘客舒適度和行駛里程之間的權(quán)衡進(jìn)行調(diào)查，或開發(fā)HVAC系統(tǒng)的智能控制。

01  前    言

在引入FAME(電動汽車的更快采用和制造)-印度第一階段和第二階段計(jì)劃后，由純電動汽車(BEV)，混合動力汽車(HEV)和燃料電池電動汽車(FCEV)組成的電動汽車的發(fā)展加速了。然而，與傳統(tǒng)汽車積累了多年的經(jīng)驗(yàn)不同，電動汽車的發(fā)展是最近才出現(xiàn)的，人們對其經(jīng)濟(jì)可行性、續(xù)航里程、舒適性以及安全性的表現(xiàn)存在很多擔(dān)憂。

在眾多挑戰(zhàn)中，最重要的挑戰(zhàn)之一是電池和燃料電池等儲能設(shè)備的熱管理。車輛不同子系統(tǒng)之間日益增加的復(fù)雜性和不同程度的交互要求在測試中使用基于模型的仿真，以降低開發(fā)成本并縮短開發(fā)周期。

在本文中，我們提出了一種集成的系統(tǒng)建模方法，以幫助加快開發(fā)周期并在許多瞬態(tài)條件下測試系統(tǒng)。以下部分將描述在1D CFD建模工具GT-SUITE中創(chuàng)建此類模型的工作流程。下一節(jié)將描述組件級建模，包括獨(dú)立電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，GT-AutoLion中的電化學(xué)電池建模和GT-TAITherm中的座艙建模。本文還描述了這些獨(dú)立模型的結(jié)果。然后將這些獨(dú)立模型集成到子系統(tǒng)模型中，包括制冷劑、冷卻劑、機(jī)艙、引擎蓋和車輛系統(tǒng)。然后將這些獨(dú)立的子系統(tǒng)組合在一起，創(chuàng)建一個(gè)集成的電動汽車模型，以確定其在不同環(huán)境條件下的行駛循環(huán)性能。集成模型將在后面的部分和附錄中描述。

02  組件級建模

組件級建模對子系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)具有重要意義。例如，在將電池冷卻系統(tǒng)集成到冷卻劑回路中之前，必須對電池組內(nèi)部的溫度分布有足夠的信心。這可以通過優(yōu)化冷卻介質(zhì)在電池組中的分布來保證電池的均勻冷卻。通過對電池組冷卻路徑設(shè)計(jì)的詳細(xì)分析，并將該模型置于不同的負(fù)載條件和邊界條件(如環(huán)境溫度等)下，這是可能的。這種方法在電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(BTMS)小節(jié)中介紹。

雖然上述模型對于熱建模很重要，但要研究電池的循環(huán)和日歷老化，則需要對電池進(jìn)行電化學(xué)建模。電化學(xué)建模工具，即 GT-AutoLion 可以對不同的電池化學(xué)性質(zhì)和幾何形狀進(jìn)行建模，并進(jìn)行老化研究，這將在隨后有關(guān)電化學(xué)電池建模的小節(jié)中進(jìn)行介紹。

接下來的一節(jié)將描述GT-SUITE和TAITherm中的獨(dú)立機(jī)艙模型，用于模擬機(jī)艙內(nèi)的3D流動和溫度分布。研究客艙局部冷卻對優(yōu)化暖通空調(diào)系統(tǒng)的功耗具有重要意義。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)建模

整個(gè)電池組必須嚴(yán)格保持均勻的溫度分布。通常目標(biāo)是電池組的電池單體之間的最大溫差在5k以內(nèi)。快速放電、過度充電或過度的環(huán)境加熱導(dǎo)致的溫度分布不均勻和過熱會導(dǎo)致電池快速退化并縮短電池壽命。在極端情況下，當(dāng)熱量不受控制地積聚時(shí)，模塊或組件可能發(fā)生熱失控，可能導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞，如火災(zāi)和爆炸。為了避免這種情況，BTMS設(shè)計(jì)必須確保均勻的溫度分布。

目前已經(jīng)提出了幾種不同的BTMS設(shè)計(jì)，并正在電動汽車中使用，包括空氣冷卻、液體冷卻或制冷劑冷卻。使用測試迭代不同的方法和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)在成本和交貨時(shí)間方面都是昂貴的。即使是詳細(xì)的3D CFD模擬在運(yùn)行時(shí)間方面也有限制，盡管它們可以確保預(yù)測的最高準(zhǔn)確性。本研究描述了一種液冷電池組建模的集成方法，該方法將冷卻板內(nèi)部的一維流動與電池單體和冷卻板的3D熱分析相結(jié)合。這種方法被廣泛應(yīng)用于汽車和航空航天工業(yè)。本研究中用于 BEV 模型的電池組如圖 1a 所示。圖 1b 表示單個(gè)模塊，描述了電池和冷卻板內(nèi)的冷卻通道。

圖1 圖1A電池包和模塊1b組件內(nèi)電池和冷卻板布置(20個(gè)電池，21個(gè)冷卻板)

如圖1b所示，電池頂部有兩個(gè)紅色的電極，冷卻板與電池接觸。電池和平板以模塊化的方式排列。在GT-SUITE中創(chuàng)建模型時(shí)，使用了不同的預(yù)處理器，如spacecclaim和GEM3D。這些預(yù)處理器打包在同一個(gè)安裝中。創(chuàng)建1D-3D集成模型的工作流程如下所述，并在附錄中以圖形方式表示。

1.spacecclaim:在spacecclaim中導(dǎo)入冷卻板的CAD模型，提取冷卻通道的體積。

2.GEM3D:在GEM3D中導(dǎo)入冷卻板和電池的實(shí)體CAD提取的體積，并將其轉(zhuǎn)換為具有四面體電池的三維有限元網(wǎng)格。冷卻板的性能是各向同性的，而電池的性能是各向異性的。這些定義為沿電池厚度的電導(dǎo)率較低，而在其他正常方向上的電導(dǎo)率相對較高，密度和比熱恒定。通過選擇合適的表面，在電池和冷卻板之間建立了傳導(dǎo)連接。利用離散平面將冷卻通道體積進(jìn)一步離散成更小的體積。然后在冷卻板和冷卻通道體之間建立對流連接。此外，熱孔的創(chuàng)建是為了將不同的表面與周圍空氣連接起來，通過自然對流模擬熱量損失。

GT-ISE (GT-SUITE的集成仿真環(huán)境):在 GEM3D 中創(chuàng)建一套冷卻板和電池的模型后，將其導(dǎo)出到 GT-ISE 并進(jìn)行裝配。圖 2 顯示了離散化后創(chuàng)建的組件。熱量排出率可以作為源明確施加在電池 3D FE 網(wǎng)格上，也可以使用電池或整個(gè)電池組的電氣等效模型或電化學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，這將在下一小節(jié)中解釋。在本分析中，使用的是電池的電氣等效模型。如圖 1 所示，一個(gè)電池和一個(gè)冷卻板的整個(gè)組件重復(fù)連接，形成一個(gè)模塊，然后形成一個(gè)電池組。

圖2 GT-ISE中的工作流程:創(chuàng)建模塊和包模型

一旦建立了模型，冷卻劑的質(zhì)量流量和溫度就會在電池組的入口和出口的壓力邊界條件下施加。隱式求解器用于時(shí)間步長為0.1 s的流動和熱模擬。GT-SUITE求解的控制方程為1D- Navier Stokes連續(xù)性、動量和能量(或焓)方程，如下所示:

在不同的冷卻劑質(zhì)量流量和不同的c -速率下運(yùn)行了幾個(gè)不同的情況。比較了整個(gè)電池組以及所有電池和冷卻板的詳細(xì)溫度分布。本文僅給出以下條件下的結(jié)果，如圖3和圖4所示。

圖3 電池溫度分布

同樣，對于電動機(jī)以及逆變器、DC-DC變換器等電力電子元件，也可以進(jìn)行這樣的分析，以確保整個(gè)電力動力總成周圍冷卻系統(tǒng)的有效性。

表1 用于該模型的邊界條件

電池建模

在設(shè)計(jì) BTMS 時(shí)，可以將熱量排出率指定為最壞情況下的穩(wěn)態(tài)值（即在較熱的環(huán)境中電池組的負(fù)載較高），也可以指定為瞬態(tài)曲線。前者可能會導(dǎo)致過度設(shè)計(jì)，因?yàn)樵谝粋€(gè)驅(qū)動循環(huán)中，熱率可能不會經(jīng)常達(dá)到那么高的值，而后者則需要在不同的測試條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，這可能是一項(xiàng)成本高昂的工作。這種方法也難以設(shè)計(jì) BTMS 或電池管理系統(tǒng) (BMS) 的控制策略。因此，為單個(gè)電池或電池組建立數(shù)學(xué)模型是有益的。電池的數(shù)學(xué)建模通常采用兩種方法，即經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃碗娀瘜W(xué)模型。這兩種方法的區(qū)別主要在于計(jì)算費(fèi)用和可預(yù)測性。為了預(yù)測上述BTMS分析的產(chǎn)熱率，使用了電池單體的電等效模型。該模型基于經(jīng)驗(yàn)相關(guān)性，該相關(guān)性使用內(nèi)阻和開路電壓數(shù)據(jù)對抗充電狀態(tài)(SOC)和溫度。這兩者的區(qū)別主要在于計(jì)算費(fèi)用和可預(yù)測性。為預(yù)測上述 BTMS 分析的發(fā)熱率，使用了電池單元的電氣等效模型。該模型基于經(jīng)驗(yàn)相關(guān)性，利用內(nèi)阻和開路電壓數(shù)據(jù)與荷電狀態(tài)（SOC）和溫度進(jìn)行比較。

等效電池模型：

該模型由一個(gè)開路電壓源與一組電氣元件(如電阻和電容器)連接而成，以模擬電池的電氣行為。電學(xué)等效模型(EEM)因其計(jì)算效率高而被廣泛應(yīng)用于電池荷電狀態(tài)（SOC）估計(jì)。該技術(shù)根據(jù)電流輸入估計(jì)電池電壓，不同的電阻電容器(RC)分支可用于捕獲電池系統(tǒng)中固有的不同時(shí)間常數(shù)，如圖5所示。這些模型的計(jì)算速度很快，但僅適用于所測試的特定電池類型和化學(xué)成分，以及在進(jìn)行測試的放電速率和溫度范圍內(nèi)。

圖5 電池電等效模型

電池電化學(xué)建模：

雖然EEM在設(shè)計(jì)BTMS和BMS時(shí)使用，但由于其經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)，它對電池內(nèi)部的電化學(xué)過程提供的見解很少。相比之下，電化學(xué)模型使用偏微分方程(PDEs)來模擬電池的物理特性;它可以用來計(jì)算電池內(nèi)部的電化學(xué)狀態(tài)，并提供關(guān)于鋰濃度和過電位的準(zhǔn)確信息，這可以用來防止有害的副反應(yīng)。該方法采用考慮電池內(nèi)化學(xué)動力學(xué)和傳輸/擴(kuò)散現(xiàn)象的連續(xù)模型。它們通常比EEM更準(zhǔn)確，但速度更慢。在這種方法中，也有許多保真度，從單粒子模型一直到分子模型。然而，最流行的方法是基于John Newman工作的鋰離子(Li-ion)電池的“偽2D”(P2D)電化學(xué)模型。GT-AutoLion中也使用了相同的方法。該模型捕捉了鋰離子電池內(nèi)部發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，并預(yù)測了終端電壓、電流、功率、散熱和整個(gè)電池的鋰量。

鋰離子電池通常采用如圖 6 所示的排列方式。如圖所示，P2D 模型使用有限控制體積方法對鋰離子電池的控制方程進(jìn)行離散化。在 P2D 模型中，陰極、分離器和陽極沿 "厚度 "方向離散。在陰極和分離器的每個(gè)有限控制體積中，都有一個(gè)球形的活性材料，每個(gè)球形材料在徑向都被離散為恒定體積。

圖6 電池電化學(xué)建模

該電化學(xué)模型可以預(yù)測如圖7所示的循環(huán)老化和日歷老化，并便于對不同的電池化學(xué)成分進(jìn)行虛擬測試和選擇，如圖8所示。

圖7 使用GT-AutoLion預(yù)測周期和日歷老化

圖8 使用GT-AutoLion預(yù)測不同化學(xué)物質(zhì)的電池性能

將電化學(xué)模型與BTMS模型相結(jié)合可以得到最準(zhǔn)確的結(jié)果。然而，由于電化學(xué)模型比EEM慢，因此這些模型以解耦的方式進(jìn)行模擬。驗(yàn)證后的電化學(xué)模型可以在GT-SUITE中通過混合脈沖功率表征(HPPC)測試將電化學(xué)模型轉(zhuǎn)化為EEM，然后使用電池表征來創(chuàng)建EEM。該方法在本研究中未作進(jìn)一步討論。

客艙建模

繼電子動力系統(tǒng)之后，暖通空調(diào)系統(tǒng)是最大的電能消耗者。為了優(yōu)化利用這些能源，在不影響人體熱舒適的情況下減少壓縮機(jī)的功率消耗變得至關(guān)重要，因此專注于客艙內(nèi)部的局部冷卻。

為了準(zhǔn)確預(yù)測客艙內(nèi)的溫度，使用 3D CFD 工具已廣為人知并得到廣泛應(yīng)用。然而，這種準(zhǔn)確性是以巨大的運(yùn)行時(shí)間為代價(jià)的。為了優(yōu)化運(yùn)行時(shí)間，從而縮短電氣化車輛典型 V 設(shè)計(jì)流程的準(zhǔn)備時(shí)間，本文介紹了 GT-SUITE 和 TAITherm 之間的聯(lián)合仿真方法。

GT-SUITE 可以快速求解汽車客艙內(nèi)的流體域。計(jì)算時(shí)需要熱壁邊界條件。TAITherm 能夠快速求解三維結(jié)構(gòu)的溫度，包括三維傳導(dǎo)、對流和多彈輻射。在求解過程中，TAITherm 需要對流邊界條件。GT-SUITE 為 TAITherm 中的能量計(jì)算提供了這些對流邊界條件，如圖 9 所示?？团摵蛢?nèi)部的實(shí)體外部邊界（墻壁）由 TAITherm 中的模型表示，而客艙內(nèi)的流動體積則由 COOL3D 中的模型表示。

圖9 GT-SUITE與TAITherm之間的數(shù)據(jù)交換

客艙的3D CAD幾何形狀被導(dǎo)入到GT-SUITE即COOL3D的一個(gè)預(yù)處理器中，其中客艙體積被離散(或網(wǎng)格化)成幾個(gè)子體積。創(chuàng)建了排氣入口和出口的邊界。在TAITherm中，導(dǎo)入艙室的網(wǎng)格文件，其中艙室的不同表面(如門，擋風(fēng)玻璃，窗戶，屋頂，地板等)被網(wǎng)格化。定義了表面的不同層及其材料。例如，屋頂外層材料定義為鋼，中間層為空氣，內(nèi)層為泡沫。

在GT-ISE中，COOL3D模型和TAITherm模型都鏈接到如上所述的交換數(shù)據(jù)。所創(chuàng)建的耦合模型可以作為獨(dú)立的艙室模型運(yùn)行，其中艙室入口溫度(在排氣口)和流量被施加，如圖10所示?；蛘咚梢择詈系揭粋€(gè)空氣回路，通過蒸發(fā)器與制冷劑回路交換熱量。可以運(yùn)行獨(dú)立模型，通過測試或 3D CFD 驗(yàn)證機(jī)艙溫度分布。從圖 11 中我們可以看到 GT-TAITherm 和 3D CFD 的結(jié)果對比良好。GT-SUITE 可以計(jì)算自己的流動解決方案，而在本模型中，3D CFD 工具的流場被強(qiáng)加在 COOL3D 創(chuàng)建的網(wǎng)格上，然后使用 GT-TAITherm 解決溫度分布問題。

圖10 獨(dú)立艙模型與集成的GT-SUITE和TAITherm模型

圖11 艙內(nèi)溫度分布及與CFD結(jié)果的比較，與InDesA公司合作的內(nèi)部研究結(jié)果

GT-SUITE根據(jù)由不同子系統(tǒng)組成的模型所需的精度級別，提供了不同的方法來對機(jī)艙進(jìn)行建模。對于只要求平均客艙溫度的系統(tǒng)，采用集總?cè)莘e法，將客艙近似為單個(gè)容積。在更詳細(xì)的方法中，客艙被離散成39個(gè)體量，為客艙的不同區(qū)域提供溫度。這兩種方法利用了GT-SUITE環(huán)境中可用的模板，不需要任何其他工具。最高級別的保真度方法是上面描述的方法。這些方法正被汽車行業(yè)領(lǐng)先的原始設(shè)備制造商所采用。

系統(tǒng)建模

幾個(gè)子系統(tǒng)同時(shí)工作，并且彼此之間具有不同程度的交互。有必要對這些相互作用進(jìn)行建模，以確保所有子系統(tǒng)以一致、緊密耦合的方式協(xié)同工作，使電動汽車在廣泛的負(fù)載和運(yùn)行條件下以最高的性能和效率運(yùn)行。因此，不能孤立地開發(fā)電池組的性能，而是要仔細(xì)地與所有其他電池組的屬性和特性相匹配。然而，這樣的集成模型在分析和支持組件選擇方面會比較慢，有時(shí)還會比較復(fù)雜。同樣，只有當(dāng)我們對不同子系統(tǒng)的獨(dú)立性能有足夠的信心時(shí)，對集成系統(tǒng)建模才會有益。這些子系統(tǒng)可以通過為其他子系統(tǒng)提供邊界條件來單獨(dú)建模。例如，在純電動汽車中，通過冷卻器的制冷劑和冷卻劑回路之間存在強(qiáng)耦合。然而，這兩個(gè)循環(huán)可以通過給出另一個(gè)循環(huán)的流量和溫度邊界條件來單獨(dú)建模，如圖12所示。制冷劑回路的建模為蒸發(fā)器艙室空氣回路、冷水機(jī)冷卻液回路和冷凝器罩下空氣回路提供了邊界條件。

圖12 獨(dú)立制冷回路與邊界條件的冷水機(jī)冷卻劑，客艙空氣和罩下空氣回路

同樣，其他電路也可以進(jìn)行分析。最后，對這些子系統(tǒng)進(jìn)行了集成，并對該模型進(jìn)行了一個(gè)驅(qū)動周期的仿真。該模型可用于設(shè)計(jì)和測試控制某些部件運(yùn)行的控制策略。例如，三通閥根據(jù)冷卻劑的溫度控制冷卻劑通過低溫散熱器(LTR)或通過冷水機(jī)的流量。該綜合模型有助于找到合適的溫度截止值來控制冷水機(jī)組和LTR之間的流量切換，并對泵和壓縮機(jī)的運(yùn)行控制策略進(jìn)行了測試。使用PID控制器來改變泵的速度，以保持電池組的溫差低于5K的目標(biāo)值。最初，為了同時(shí)達(dá)到電池出口冷卻液溫度(290℃)和艙內(nèi)平均溫度(210℃)的目標(biāo)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行了調(diào)整。壓縮機(jī) PID 控制器的目標(biāo)是冷卻液溫度或平均機(jī)艙溫度。然而，在達(dá)到機(jī)艙和電池冷卻液出口溫度目標(biāo)值的同時(shí)，蒸發(fā)器出口的空氣溫度接近 00 C 以下。在實(shí)際系統(tǒng)中，這可能會導(dǎo)致蒸發(fā)器結(jié)霜，最終降低其性能，并最終導(dǎo)致堵塞。后來對壓縮機(jī)控制進(jìn)行了修改，將蒸發(fā)器出口空氣溫度限制在正值。控制裝置和不同的流體回路見附錄。

在集成模型中，所有組件的功率需求都施加在電池上。根據(jù)電池在驅(qū)動循環(huán)時(shí)間內(nèi)所需的功率，如前面關(guān)于BTMS的部分所述，由電池產(chǎn)生的可分解的熱量被施加到冷卻板上。電機(jī)的建模使用性能圖，如關(guān)于RPM和扭矩要求的效率圖?？紤]到車速(基于驅(qū)動周期)、車輛質(zhì)量、氣動系數(shù)、輪胎滾動阻力和傳動比，車輛模型定義了電機(jī)所需的轉(zhuǎn)速和扭矩。電動機(jī)的熱部分由各部件之間的導(dǎo)電連接(如永磁體與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、繞組與定子結(jié)構(gòu)等)和冷卻劑流經(jīng)冷卻劑夾套與截流空氣之間的對流連接組成[8]。創(chuàng)建這樣一個(gè)模型的工作流程與BTMS模型的描述相似。在不同的驅(qū)動循環(huán)和環(huán)境條件下，對該模型進(jìn)行了多次測試。本文給出了四輪車的印度驅(qū)動循環(huán)(IDC)和兩種不同環(huán)境條件的結(jié)果，即400℃溫度和40%相對濕度(熱)和00℃和40%相對濕度(冷)。熱的情況下，機(jī)艙浸泡到600攝氏度，冷的情況下浸泡到00攝氏度。假設(shè)電池在熱環(huán)境和冷環(huán)境中初始溫度分別為350℃和50℃。集成模型如圖13所示，結(jié)果如圖14、15、16所示。

圖13 集成電動汽車熱管理模型

圖14 在炎熱和寒冷的環(huán)境條件下，印度駕駛循環(huán)所需的電量和電池的SOC

圖15 IDC過程中冷熱環(huán)境下電池散熱情況

圖16 電池平均溫度、艙內(nèi)平均溫度和蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度

由于電池加熱器和艙室加熱器消耗了額外的功率，因此在較冷的環(huán)境中，電池組所需的總功率更高。在IDC的后半部分，由于電池加熱器關(guān)閉，客艙加熱器功耗降低，冷情況下對電池電量的要求降低。此外，當(dāng)冷卻劑和機(jī)艙溫度接近目標(biāo)值時(shí)，壓縮機(jī)要求的轉(zhuǎn)速和功率也會降低。當(dāng)電池組進(jìn)出口溫差接近目標(biāo)值時(shí)，泵也有類似的行為。此外，可以注意到，由于電池在較低溫度下的功耗更高，歐姆電阻更高，因此電池在較冷環(huán)境中的散熱率更高。還可以看出，蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度保持在0℃以上。

04  總    結(jié)

GT-SUITE 是一種基于模型的系統(tǒng)工程工具，它為在原型制造和實(shí)驗(yàn)測試之前制定 BEV 熱管理控制策略提供了一種有效的方法。我們對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和電動馬達(dá)冷卻系統(tǒng)等不同組件進(jìn)行了 3D-1D 集成組件級分析，以便在具有適當(dāng)邊界條件的獨(dú)立模型中對這些組件的性能有足夠的信心。根據(jù)電池的電化學(xué)和幾何細(xì)節(jié)，在 GT-AutoLion 中創(chuàng)建了一個(gè)電化學(xué)電池模型。該模型有助于預(yù)測電池組的循環(huán)和日歷老化。使用 GT-TAITherm 中的協(xié)同仿真進(jìn)行了分析，以預(yù)測客艙內(nèi)的 3D 速度和溫度場。這些模型可以在任何負(fù)載情況和現(xiàn)實(shí)的外部邊界條件下處理電池冷卻和座艙調(diào)節(jié)。這種方法為物理系統(tǒng)建模和解決早期開發(fā)階段的設(shè)計(jì)選擇問題提供了有效手段。然后，這些獨(dú)立的組件模型被集成到不同的子系統(tǒng)模型中，如制冷劑系統(tǒng)、冷卻劑系統(tǒng)和為其他子系統(tǒng)提供邊界條件的座艙空氣循環(huán)系統(tǒng)。隨后，將這些子系統(tǒng)模型組合起來，創(chuàng)建一個(gè)集成的電動汽車模型，在不同的測試周期和不同的環(huán)境條件下進(jìn)行模擬。本文介紹了 IDC 測試的結(jié)果。為控制不同組件的行為而定義的控制邏輯在集成模型中得到了驗(yàn)證。

05  附    錄

創(chuàng)建 BTMS 模型的工作流程：

圖1 Spaceclaim 中的工作流程：提取冷卻通道體積

圖2 GEM3D 工作流程：創(chuàng)建 3D FE 網(wǎng)格和連接

制冷劑回路：

圖3 帶壓縮機(jī)控制的制冷劑回路

電池冷卻液回路：

圖4 帶泵控制的電池冷卻回路

E-Components 冷卻液回路：

圖5 帶恒速泵的 E-Components 冷卻液回路

圖6 ?帶鼓風(fēng)機(jī)控制器的機(jī)艙空氣循環(huán)系統(tǒng)

圖7 ?帶有輪胎與路面相互作用、駕駛員輸入和變速器的車輛模型