新能源热管理解决方案

　　温度是影响新能源车辆系统各性能的一个重要变量，在新能源动力总成系统中，温度不仅影响发动机、电机、电池工作效率，还会对电池寿命、安全性有很大影响；因此需要设计合理的新能源热管理系统，以实现新能源车辆动力总成各部件的性能工作在最佳温度范围内，满足整车续驶里程等动力性、经济性指标；可以说，热管理及整车能量管理是新能源汽车的重要技术领域。如何平衡发动机模式、纯电模式和混动模型，以确保混合动力整车油耗最小？如何改善纯电动车辆的续驶里程？如何加快发动机暖机过程，以满足更严苛的法规要求？如何保证动力电池在任何工况下都能工作在合理的温度范围？如何设计合理的电池包单体布置，以满足足够的散热能力？如何选择合适的散热方式：风冷、水冷、空调快冷？如何实现对水泵、风扇的主动转速控制，以提高整车能量效率？如何匹配空调系统，保证满足整车制冷需求的同时提高整车的能量利用率……？以上都是新能源热管理/能量管理需要解决的技术问题，Simcenter Amesim 系统仿真平台能准确的完成以上多系统耦合的匹配分析及优化。

　　图1  Amesim热管理系统模型架构

　　Simcenter Amesim 新能源热管理系统仿真能建立发动机冷却/润滑、电池热管理回路、电机热管理回路等热管理系统，同时能建立准确的发动机、电池和电机等模型，计算发动机/电池/电机性能的同时，为热管理系统提供准确的发热边界，而动力部件的性能依赖于整车真实的驾驶循环。

　　图2  Amesim电动车整车能量管理模型

　　因此，Simcenter Amesim能够建立新能源整车动力性/经济性模型+热管理模型+控制模型，即整车能量管理模型（VEM）。对于整车控制即热管理控制策略部分的建模，Simcenter Amesim 除利用信号库建立控制策略模型外，Statechart模块帮助快速实现状态控制策略，利用State chart建立的优先电池冷却、优先乘员舱冷却和电池、乘员舱平衡冷却的电动车热管理策略如图3所示：

　　图3  Amesim Statechart 控制策略模型

　　分析US06工况下，某电动车的能量流程图，量化分析各子系统、部件等在整车中的功耗，为系统的改进优化提供方向。

　　图4  Amesim 能量流程图

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　　Simcenter Amesim

　　新能源热管理典型应用

　　2.1 热管理系统匹配分析

　　Simcenter Amesim热管理系统可实现零部件从水泵、系统管路、发动机、电池、电机等各种水套模型、散热器、chiller等各种换热器，建立从发动机、电池、电机等不同热管理系统的详细建模。满足风冷/液冷/直冷等不同电池热管理架构的系统匹配及分析优化：

　　图5  典型电池热管理系统架构

　　以电机热管理回路系统模型为例，说明Amesim热管理系统的匹配过程。建立水泵、逆变器水套、电机水套、管路以及散热器模型，本体热容模型与整车动力性/经济性模型耦合，计算准确的电机和逆变器动态发热边界，分析水泵、散热器等部件性能是否满足整车不同工况热负荷对应的电机、逆变器等温度控制要求。

　　图6  电机热管理回路

　　在同一工况下，完成不同部件、不同参数对热管理系统性能的耦合分析，例如不同水泵转速、不同散热器尺寸参数对电机转子温度、及温度控制的预测，为热管理系统的进一步改进和优化提供方向。

　　图7 参数敏感性分析

　　2.2 续驶里程预测分析

　　对于纯电动车辆，高低温环境一方面对于电池本身的性能有明显影响，另一方面在低温环境，电池和乘员舱的加热，高温环境下电池、电机的降温以及乘员舱的制冷均导致相应系统功耗增加，对整车的续驶里程有明显影响。在不同环境温度下，整车各子系统的能耗比例及对续驶里程的影响如下图。

　　图8 EV能耗分布及对续驶里程影响

　　上图中的数据是电动车在不同温度环境续驶里程的大致趋势性变化，而对某一具体电动车续驶里程的分析，可利用Simcenter Amesim建立包括整车动力性/经济性模型、热管理系统及空调系统模型的续驶里程预测分析模型。

　　图9 Amesim低温续驶里程预测模型

　　低温环境下的续驶里程预测分析，Amesim准确的电池模型可考虑低温环境本身的电池容量损失，同时计算不同驾驶循环下PTC对电池和乘员舱的加热导致的系统功耗增加。某电动车环境温度从-10℃到10℃（间隔为4℃，共6个工况）NEDC 循环下续驶里程的变化趋势如下图。

　　图10 不同低温环境续驶里程的变化

　　上述结果中也耦合了电池和乘员舱的加热策略。而对高温续驶里程的预测分析，一个新的挑战是空调系统的引入导致系统复杂程度的增加，以及在高温环境中电池和乘员舱制冷功率需求的平衡也是必须考虑的重要因素。以液冷系统为例说明Amesim 所构建的高温续驶里程分析系统模型，下图中红色圈住的模块为液冷系统的重要部件Chiller的详细物理模型。

　　图11 Amesim高温续驶里程预测模型

　　高温续驶里程的完整模型中还包括前述提到的Amesim Statechart功能建立的详细热管理控制策略模型，分析三种不同的电池和乘员舱降温策略，以及不同环境温度对整车能耗的影响，下图为一次NEDC循环下不同环境温度（20℃/30℃/40℃），不同热管理策略（1：电池冷却优先、2：乘员舱冷却优先：3：电池、乘员舱平衡冷却）对于电动车续驶里程的影响，计算结果为一次NEDC循环后的剩余SOC。