引言

上述研究一般僅著重于單個(gè)子系統(tǒng)的能耗優(yōu)化，未對(duì)整車能耗作深入的探索。另一方面，在部分整車能量流分析研究中，缺乏仿真手段的介入，無(wú)法預(yù)估各子系統(tǒng)優(yōu)化后整車能耗的變化。本文在 AMESim 提供的多物理場(chǎng)系統(tǒng)仿真環(huán)境下，搭建機(jī)-電-熱耦合的整車一體化功熱耦合能耗分析模型，探究電動(dòng)汽車在 高溫工況下各子系統(tǒng)的能耗占比以及整車?yán)m(xù)駛里程的估計(jì)。

01、整車功熱耦合模型

1.1 動(dòng)力學(xué)模型

    車輛動(dòng)力學(xué)模型是整車能耗分析的基礎(chǔ)，為了兼顧仿真精度及計(jì)算效率，采用一維縱向動(dòng)力學(xué)模型模 擬真實(shí)車輛的動(dòng)力學(xué)特性。仿真分析之前收集車輛質(zhì)量，前后軸荷，車輪半徑及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等基本參數(shù)。本 文在 AMESim 中搭建的車輛動(dòng)力學(xué)模型如圖 1 所示。該模塊考慮了風(fēng)速、空氣密度、路面摩擦系數(shù)、坡度 等外部環(huán)境的影響，同時(shí)也考慮了電驅(qū)零扭矩這一內(nèi)部因素的影響。

    在底盤測(cè)功機(jī)上模擬道路滑行試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)滑行時(shí)間的迭代可以消除電驅(qū)零扭矩這一內(nèi)部阻力的影響。然而，仿真環(huán)境中不具備迭代滑行的條件，因此需要將滑行試驗(yàn)中電驅(qū)零扭矩產(chǎn)生的額外阻力，以外部動(dòng) 力的方式補(bǔ)充回動(dòng)力學(xué)模型中，用以消除道路滑行試驗(yàn)和轉(zhuǎn)轂臺(tái)架試驗(yàn)這一邊界條件的差異。本文研究車 輛涉及的電驅(qū)零扭矩等效動(dòng)力如圖 2 所示。由圖可見，該等效動(dòng)力在車速 80km/h 以下時(shí)隨車速線性增長(zhǎng)， 在 80km/h 以后維持在約 60N 左右。

    本文基于前向仿真的方式搭建整車能量流分析模型，因此需要建立駕駛員模型控制車輛模型按照外部 工況要求的速度曲線行駛。在 AMESim 中搭建的駕駛員模型如圖 3 所示。駕駛員模型實(shí)時(shí)接收車輛的速度 信號(hào)以及電驅(qū)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、扭矩、最大正向扭矩、最大負(fù)向扭矩等信號(hào)，通過(guò)內(nèi)置的 PID 控制器控制加速 踏板開度、制動(dòng)踏板開度和擋位。加速踏板信號(hào)連同車速信號(hào)輸入至油門踏板圖，以查找表的方式計(jì)算出 駕駛員需求的輪端扭矩，如圖 4 所示。將需求輪端扭矩傳遞至 VCU 整車控制器后，由 VCU 請(qǐng)求電驅(qū)執(zhí)行 相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)扭矩或制動(dòng)扭矩命令。當(dāng)電驅(qū)的再生制動(dòng)扭矩不滿足車輛制動(dòng)加速度要求時(shí)，會(huì)進(jìn)一步對(duì)車輛 的機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)下達(dá)制動(dòng)扭矩命令，由兩者共同達(dá)成駕駛員請(qǐng)求的制動(dòng)需求。

1.2 電力學(xué)模型

    本文重點(diǎn)關(guān)注影響續(xù)駛里程的整車能量流轉(zhuǎn)情況，對(duì)電驅(qū)子系統(tǒng)內(nèi)部不作深入探究，因此以功能性電 機(jī)元件為基礎(chǔ)對(duì)電驅(qū)系統(tǒng)進(jìn)行建模。在 AMESim 中搭建的電驅(qū)模型如圖 5 所示。以電驅(qū)臺(tái)架試驗(yàn)效率 Map 作為電機(jī)模型的輸入?yún)?shù)，按照接收的 VCU 扭矩請(qǐng)求執(zhí)行扭矩輸出或者扭矩輸入的命令。其中，電機(jī)效 率 Map 如圖 6 所示。本文涉及的傳動(dòng)構(gòu)型為單級(jí)減速器，減速器輸入端連接電機(jī)輸出端，輸出端連接車輛 模型的車輪端口，為其提供驅(qū)動(dòng)扭矩或者接收其再生制動(dòng)時(shí)傳遞過(guò)來(lái)的制動(dòng)扭矩。

    電池是純電動(dòng)汽車行駛過(guò)程中的主要能量來(lái)源，其建模精度直接影響到最終整車能耗及續(xù)駛里程分析 的精度。在 AMESim 中搭建的電池包模型如圖 7 所示，每個(gè)電池包元件由 54 個(gè)電芯串聯(lián)而成，兩個(gè)電池 包元件共同構(gòu)成 1P108S 的電池包整體架構(gòu)。在與外界環(huán)境能量交換方面，主要考慮電池包水冷系統(tǒng)工作 帶來(lái)的液體換熱以及車底空氣對(duì)流引發(fā)的氣體換熱。電池包整體的熱力學(xué)參數(shù)，如等效比熱容，固-液換熱 系數(shù)、固-氣換熱系數(shù)等，由恒溫倉(cāng)中的電池包熱平衡試驗(yàn)測(cè)試得到。首先由恒溫箱試驗(yàn)確定單個(gè)電芯的電 力學(xué)特性，主要包括不同環(huán)境溫度（-20、-10、0、10、25 和 45）、不同充放電倍率（1/3C、1C）下的容 量測(cè)試，開路電壓測(cè)試和混合脈沖功率特性 HPPC 測(cè)試；然后用 1 階 RC 等效電路模型進(jìn)行參數(shù)擬合，用 以計(jì)算單個(gè)電芯的發(fā)熱量；最后結(jié)合標(biāo)定出的固-氣換熱系數(shù)，校核預(yù)測(cè)的電芯溫度是否與測(cè)試數(shù)據(jù)吻合。容量測(cè)試和開路電壓測(cè)試為電芯的等效電路建模提供基本的參數(shù)，而 HPPC 測(cè)試則主要考察電芯的歐姆內(nèi) 阻、極化內(nèi)阻情況。環(huán)溫 25℃下的 HPPC 測(cè)試結(jié)果如圖 8 所示。

1.3 熱力學(xué)模型

    整車熱管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)高溫工況下乘員艙的熱舒適性，以及電驅(qū)、電池等各子系統(tǒng)的正常工作，其原理 如圖 9 所示。本文研究車型在空調(diào)冷媒回路方面，為一典型的非熱泵式并聯(lián)架構(gòu)。低壓低溫制冷劑經(jīng)壓縮 機(jī)壓縮做功后變?yōu)楦邷馗邏簹鈶B(tài)制冷劑，進(jìn)入冷凝器后經(jīng)冷凝作用形成高溫高壓液態(tài)制冷劑，然后并聯(lián)兩路，一路進(jìn)入暖通空調(diào)系統(tǒng)中的熱力膨脹閥及蒸發(fā)器為乘員艙制冷，另一路經(jīng)電子膨脹閥進(jìn)入 Chiller 中與 冷卻液換熱為電池包制冷，兩路冷媒在壓縮機(jī)吸氣口前管路匯聚，形成一個(gè)完整的循環(huán)回路。

    圖 9 中 PDU 模塊代表配電盒、電控、電機(jī)串聯(lián)而成的管路，該段管路與電子三通閥、散熱器等零部 件一起構(gòu)成完整的電驅(qū)冷卻液回路。在該回路中，冷卻液的流動(dòng)由電驅(qū)水泵提供動(dòng)力，電子三通閥左側(cè)開 度比例 100%，前端模塊進(jìn)風(fēng)量不足時(shí)，可以通過(guò)增大風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為散熱器提供更大的進(jìn)風(fēng)量。

    高溫工況下，電池冷卻液回路與電驅(qū)冷卻液回路保持獨(dú)立，整個(gè)回路冷卻液的流動(dòng)由電池水泵提供動(dòng) 力。冷卻液流過(guò)電池包底部冷卻板之后，進(jìn)入電子三通閥，此時(shí)右側(cè)開度比例 100%，冷卻液全部進(jìn)入 Chiller 與電子膨脹閥后的低溫冷媒進(jìn)行換熱。換熱過(guò)后的低溫冷卻液經(jīng)三通閥流回電池水泵，形成一個(gè)完整的冷 卻回路。

    冷媒回路中的壓縮機(jī)為整個(gè)冷媒回路流動(dòng)提供動(dòng)力，其熱力學(xué)特性主要由容積效率、等熵效率、機(jī) 械效率確定。本文在壓縮比 3~8 的范圍之中，等間距地選取了 4 個(gè)包含上下限邊界的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。測(cè) 量得到的效率表如圖 10 至 12 所示，以查找表的形式輸入到壓縮機(jī)元件中供建模使用。

    冷凝器和蒸發(fā)器是冷媒回路中兩個(gè)重要的換熱器，其換熱量和流阻方面的建模精度對(duì)乘員艙溫度、 壓縮機(jī)功耗等方面有重要影響。冷凝器換熱量及流阻的標(biāo)定結(jié)果如圖 13、14 所示，蒸發(fā)器換熱量及流阻 的標(biāo)定結(jié)果如圖 15、16 所示。

    當(dāng)電池包開啟冷卻時(shí)，冷媒回路與冷卻液回路在 Chiller 中進(jìn)行換熱，其換熱量與流阻的建模精度會(huì) 直接影響到電池溫度變化的準(zhǔn)確性，同時(shí)也會(huì)影響到制冷過(guò)程中壓縮機(jī)、水泵等功率部件的能耗情況， 詳細(xì)標(biāo)定結(jié)果如圖 17、18 所示。

1.4 控制策略

    在 MATLAB/Simulink 中建立基于規(guī)則的整車 TMS 控制器模型，對(duì)整車熱管理系統(tǒng)中的壓縮機(jī)、水泵、 風(fēng)扇等零部件進(jìn)行控制，用以維持乘員艙、電驅(qū)、電池等子系統(tǒng)正常運(yùn)行的需要。整車 TMS 控制器模型 如圖 19 所示，圖中綠色端口為輸入信號(hào)，紅色端口為輸出信號(hào)，圓形端口代表整個(gè)控制器的輸入輸出， 方形端口則僅為內(nèi)部的輸入輸出。由圖可見，控制器模型主要分為兩大部分，左半部分為輸入信號(hào)模塊， 可以導(dǎo)入試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行開環(huán)控制驗(yàn)證或者切換為閉環(huán)控制；右半部分為子系統(tǒng)控制器模塊，涉及各個(gè)子系 統(tǒng)的控制邏輯，主要包含壓縮機(jī)，PTC，鼓風(fēng)機(jī)，風(fēng)扇等 8 個(gè)子模塊。部分子模塊的輸出信號(hào)不僅是整個(gè) 控制器的輸出信號(hào)，也將作為另外某些子模塊的輸入信號(hào)，為其控制邏輯提供輸入。

02、環(huán)境艙能耗及續(xù)駛里程試驗(yàn)

    為了驗(yàn)證仿真分析結(jié)果的精度和準(zhǔn)確性，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 18386.1-2021 電動(dòng)汽車能量消耗量和 續(xù)駛里程試驗(yàn)方法第 1 部分：輕型汽車》在環(huán)境模擬倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行了高溫工況下的能耗試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程如圖 20 所示。

    試驗(yàn)車輛前后拖鉤處分別系上鐵鏈和綁帶，限制車輛的前后左右平面位移，使其固定在轉(zhuǎn)轂臺(tái)架上， 只具有輪端處的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。為了更好地探究該車型在高溫地區(qū)下的能耗情況，環(huán)境倉(cāng)氣溫設(shè)定為 38℃， 車頂最高點(diǎn)平面處的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為 850W/m^2。從車輛 CAN 總線系統(tǒng)中提取車速、電池包電壓、電池包 電流、SOC 等信號(hào)供仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比使用。除此之外，對(duì)車倆結(jié)構(gòu)進(jìn)行改制，在主要的能耗元件 如壓縮機(jī)、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、水泵等導(dǎo)線位置處布置了電壓、電流傳感器；在冷媒回路主要元件如壓縮機(jī)、 冷凝器、蒸發(fā)器等管路進(jìn)出口位置處管壁上布置了溫度傳感器；在冷卻液回路主要元件如電驅(qū)、散熱器、 電池包等管路進(jìn)出口位置處也布置了溫度傳感器，同時(shí)還布置了流量傳感器測(cè)量電驅(qū)和電池冷卻回路的體 積流量。

    采用常規(guī)工況法進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)循環(huán)為 CLTC-P 循環(huán)，如圖 21 所示。該試驗(yàn)循環(huán)主要分為低速段、 中速段及高速段三個(gè)部分，分別表征市區(qū)、城郊及高速下的運(yùn)行場(chǎng)景。試驗(yàn)車輛的最高車速高于試驗(yàn)循環(huán) 的最高車速 114Km/h，因此無(wú)需對(duì)速度曲線進(jìn)行尺度縮減。試驗(yàn)時(shí)采用自動(dòng)駕駛機(jī)器人控制車輛的加速及 制動(dòng)踏板，使整車速度與試驗(yàn)循環(huán)保持跟隨，誤差控制在±2Km/h 以內(nèi)。

03、能耗及續(xù)駛里程分析

    需要首先說(shuō)明的是，在對(duì)試驗(yàn)車輛熱管理系統(tǒng)改制布置傳感器時(shí)，HVAC 系統(tǒng)中風(fēng)道的漏風(fēng)量未得到 良好的控制，過(guò)大的漏風(fēng)量影響了原本設(shè)定的乘員艙內(nèi)循環(huán)條件，導(dǎo)致高溫工況下乘員艙的熱負(fù)荷偏大， 難以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到熱平衡以及要求的乘員艙溫度。因此本文僅選取熱平衡附近的一段穩(wěn)態(tài)過(guò)程進(jìn)行仿真 分析與試驗(yàn)測(cè)試的對(duì)比展示。選取的穩(wěn)態(tài)過(guò)程時(shí)長(zhǎng) 24000S，約 13 個(gè) CLTC 循環(huán)，期間歷經(jīng)了 5 次電池制 冷過(guò)程。

      動(dòng)力學(xué)及電力學(xué)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖 22 至 25 所示。圖 22 展示了試驗(yàn)與仿真在車速上的對(duì)比。為了進(jìn)一步驗(yàn)證里程，提取CAN總線系統(tǒng)中的行駛里程數(shù)據(jù)，與仿真結(jié)果的對(duì)比分別為187.1km和187.9km， 吻合良好。圖 23 展示了電池包電壓隨時(shí)間變化的情況，隨著放電深度的增大，怠速時(shí)的電池包端電壓從 450V 下降至 390V，降幅約 13%，整體下降趨勢(shì)與單顆電芯的 OCV 開路電壓曲線類似。如圖 24 所示，仿 真電池包電流與試驗(yàn)測(cè)量得到的電池包電流曲線吻合良好，圖中電流為正代表放電情況，電流為負(fù)代表制 動(dòng)充電情況。在該穩(wěn)態(tài)過(guò)程中，試驗(yàn)車輛的整體需求功率大致不變，因此隨著電池包端電壓的減小，試驗(yàn) 與仿真的電池包電流均有所增大，同時(shí)也可以看到在絕對(duì)值上正向電流峰值比負(fù)向電流峰值更大，在穩(wěn)態(tài) 階段的末尾處正向電流峰值約 130A，而此時(shí)負(fù)向電流峰值不到-100A。整個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)程，試驗(yàn)與仿真的電池 包 SOC 變化范圍分別為 87.6%~25.3%和 87.7%~25.8%，一致性良好。試驗(yàn)與仿真的 DC/DC 輸出端電壓均 為 14.4V，圖 25 展示了其電流的對(duì)比情況，兩者的平均電流分別為 62.3A 和 63.3A，基本相當(dāng)。

    圖 26 至圖 31 展示了空調(diào)系統(tǒng)、電池及電驅(qū)系統(tǒng)的熱力學(xué)對(duì)比結(jié)果。壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及功率的對(duì)比如圖 26 所示，在乘員艙單獨(dú)制冷時(shí)，由于前文所述漏風(fēng)量偏大的問(wèn)題，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在 4500rpm~5000rpm 的范圍內(nèi) 來(lái)回波動(dòng)，整體處于較高水平；當(dāng)電池包開啟冷卻時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速在更大的 4000rpm~6500rpm 范圍內(nèi)變化， 接近壓縮機(jī)的性能極限。觀察下方壓縮機(jī)的功率曲線，可以看出壓縮機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速緊密相關(guān)，在乘員艙單獨(dú)制冷時(shí)，功率保持在 2000W 左右，而當(dāng)電池包開啟制冷時(shí)，瞬時(shí)峰值功率可達(dá) 3200W 以上，增幅明 顯。壓縮機(jī)的進(jìn)口及出口壓力對(duì)比如圖 27 所示，乘員艙單獨(dú)制冷時(shí)的進(jìn)、出口壓力均低于電池包同時(shí)制 冷時(shí)的進(jìn)、出口壓力，這與圖 26 所示的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)保持一致。乘員艙的溫度如圖 28 所示，達(dá)到 熱平衡后，乘員艙的溫度穩(wěn)定在 29℃左右，電池開啟冷卻后，受制冷劑流量分配的影響，有約 3℃的增幅。蒸發(fā)器出口風(fēng)溫方面，如圖 29 所示，單獨(dú)給乘員艙制冷時(shí)，穩(wěn)定在 4℃左右的較低水平，滿足乘員艙的制 冷需求。電池包開啟冷卻之后，蒸發(fā)器出口風(fēng)溫增幅 11℃，來(lái)到 15℃左右的較高水平，因此也進(jìn)一步造 成了前述乘員艙溫度升高的現(xiàn)象。圖 30 展示了電池包最高最低試驗(yàn)溫度與仿真平均溫度的對(duì)比情況。由 圖可見，電池包最高溫度達(dá)到 41℃之后，便會(huì)執(zhí)行電池冷卻動(dòng)作，而當(dāng)最高溫度下降至 38℃時(shí)，則會(huì)結(jié) 束電池冷卻動(dòng)作。3℃的溫控范圍，避免了電池冷卻的頻繁開啟與關(guān)閉?？傮w而言，電池降溫的速度遠(yuǎn)高 于升溫的速度，每大約 4000S 會(huì)觸發(fā)一次電池冷卻，而一次電池冷卻則持續(xù)約 550S。電驅(qū)進(jìn)水口及定子溫 度的對(duì)比如圖 31 所示。平衡狀態(tài)下進(jìn)水口的溫度保持在 53℃左右，同時(shí)也受壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響，當(dāng) 同時(shí)開啟電池制冷時(shí)，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速升高，散熱器進(jìn)風(fēng)溫度也升高，導(dǎo)致其換熱量下降，最終使得進(jìn)水口溫 度升高至 57℃左右。電驅(qū)定子的溫度在 58℃至 72℃較大范圍內(nèi)波動(dòng)，曲線變化趨勢(shì)與車速明顯相關(guān)，車 速越高電驅(qū)功率越大，發(fā)熱量也越大，又由于定子本身熱容較小，因此溫度變化更加明顯。

    基于上述仿真分析結(jié)果，繪制整車能量流分布如圖 32 所示?？傮w而言，由藍(lán)色虛線方框所代表的電 池包與外界環(huán)境的能量交換形式有三種，分別為機(jī)械能，電能和熱能，均以橘黃色框圖表示。其中，機(jī)械 能損失項(xiàng)以實(shí)線框圖表示，包括風(fēng)阻、滾阻和內(nèi)阻損失；電能損失項(xiàng)以虛線框圖表示，包括電池包凈放電、 壓縮機(jī)和 DC/DC 所代表的低壓負(fù)載；熱能損失項(xiàng)以點(diǎn)劃線框圖表示，包括電驅(qū)驅(qū)動(dòng)損失、回收損失以及 電池包的充電損失和放電損失。放電損失、凈放電以及充電損失之和代表整個(gè)能量流動(dòng)過(guò)程中電池與外界 環(huán)境交換的能量之和，而單獨(dú)的凈放電則代表藍(lán)色虛線方框，即電池包本體之外所有的能量損失項(xiàng)總和。

    各能量損失項(xiàng)的占比及排序如圖 33 所示。壓縮機(jī)所代表的高壓負(fù)載以超過(guò) 30%的比例排序第一，同 時(shí) DC/DC 代表的低壓負(fù)載也因?yàn)楣娘L(fēng)機(jī)、風(fēng)扇、水泵等零部件的影響，以超過(guò) 18%的比例排序第二。由 圖可見，本次試驗(yàn)過(guò)程中熱管理系統(tǒng)整體呈現(xiàn)出較高的能耗占比。

04、結(jié)論

    本文基于 AMESim 提供的多物理場(chǎng)仿真環(huán)境，搭建了某純電動(dòng)汽車在高溫工況下的整車功熱耦合能量 分析模型，對(duì)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、電力學(xué)系統(tǒng)和熱力學(xué)系統(tǒng)等各子系統(tǒng)的能量消耗情況及占比進(jìn)行了深入研究。同時(shí)，在環(huán)境倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行了同等工況下的整車能耗及續(xù)駛里程試驗(yàn)。仿真分析結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)吻合良好，證 明了本文所述電動(dòng)汽車能耗分析方法的有效性，為后續(xù)進(jìn)一步探究各項(xiàng)能耗優(yōu)化措施提供了基礎(chǔ)。概括而 言，總結(jié)出以下結(jié)論：

1，本文所述基于 AMESim 搭建的功熱耦合能量分析模型具備一定的仿真精度，電動(dòng)汽車能耗分析方 法具備一定的有效性，對(duì)于各種能耗優(yōu)化措施給續(xù)駛里程帶來(lái)的提升效果可以進(jìn)行仿真驗(yàn)證；

2，整車能量流動(dòng)過(guò)程以機(jī)械能、電能、熱能三種形式為主，機(jī)械能的損失主要體現(xiàn)在風(fēng)阻、滾阻和 內(nèi)阻上，電能的損失主要體現(xiàn)在高壓負(fù)載和低壓負(fù)載上，而熱能的損失主要以電驅(qū)的驅(qū)動(dòng)及回收損失為主， 電池充放電損失占比較??；

3，高溫工況下，熱管理系統(tǒng)整體能耗占比較高，并且以電能形式為主。壓縮機(jī)、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)、水 泵等眾多熱管理系統(tǒng)元件的運(yùn)行造成了這一現(xiàn)象，后續(xù)針對(duì)高溫工況的能耗優(yōu)化，可重點(diǎn)從基于效率的零 部件選型或者最優(yōu)控制策略入手。

免責(zé)聲明：文章來(lái)源周帥 1，2，劉懷舉 1，朱才朝 1，禹慧麗 2，嚴(yán)旭 2，嚴(yán)俊杰 2. 電動(dòng)汽車高溫工況功熱耦合能量分析與研究. 中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)汽車空氣動(dòng)力學(xué)分會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì),2024