純電動汽車能量管理仿真分析研究

陸 訓(xùn)，劉 敏，汪躍中，張朝聞

（奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，安徽 蕪湖 241000）

在電動汽車中，電機(jī)及控制器取代常規(guī)發(fā)動機(jī)，將高壓電池中的電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，提供給整車以驅(qū)動車輛運(yùn)行［1］；其中電池是電動汽車唯一動力源，無論是行駛系統(tǒng)還是熱管理系統(tǒng)，都需要從電池獲得能量。在進(jìn)行電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)時，不但需要考慮熱管理系統(tǒng)能否滿足電池、電機(jī)等對溫度的需求，還需要考慮對續(xù)航里程的影響。因此綜合考慮電動汽車能量管理系統(tǒng)對電動汽車的設(shè)計(jì)和開發(fā)尤為重要。

電動汽車能量管理包括動力系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)兩大部分。其中熱管理主要包括：電池?zé)峁芾?、動力傳動系統(tǒng)熱管理以及空調(diào)系統(tǒng)熱管理3個部分。本文在電動汽車能量管理分析中，主要分析研究動力傳動系統(tǒng)能量管理。

1 電動汽車能量管理仿真平臺

電動汽車能量管理包括動力系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)兩大部分；根據(jù)分級建模理念，整車能量管理平臺step1模型主要包括：電池系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、車身等。

1.1 動力傳動系統(tǒng)建模

建立動力傳動系統(tǒng)，分析在某一特定溫度邊界下的整車動力性及經(jīng)濟(jì)性，包括百公里加速、續(xù)航里程等，輸入?yún)?shù)包括電池、電機(jī)、車身、減速器、輪胎等部件的相關(guān)屬性信息，同時該動力傳動系統(tǒng)為step2平臺 （整車熱管理模型）提供熱源邊界：電池發(fā)熱量、電機(jī)發(fā)熱量。

1.1.1 電驅(qū)動系統(tǒng)模型

AMEsim仿真軟件中有很多子模型庫，其中驅(qū)動電機(jī)庫中包含多種電機(jī)形式，本文選取的電機(jī)模型為永磁同步電機(jī)。綜合考慮電機(jī)控制器MCU，效率map（圖1）作為主要輸入數(shù)據(jù)。

圖1 效率map

1.1.2 傳動系統(tǒng)模型

傳動系統(tǒng)模型包括奇數(shù)檔離合器、偶數(shù)檔離合器、變速器、主減速器和變速器控制單元［2］。

本文主要考察電動汽車為單級減速器模型，為了更好地簡化模型及提升計(jì)算效率，該模型中主要考慮減速器的速比及傳動效率，不考慮軸的轉(zhuǎn)動慣量和剛度等。變速器控制單元 （TCU）根據(jù)整車車速信號和油門踏板信號來控制減速器的運(yùn)行狀態(tài)。

1.1.3 車輛模型

整車車輛模型需根據(jù)整車質(zhì)量、整車風(fēng)阻、迎風(fēng)面積、輪胎參數(shù)及制動力等計(jì)算車輛行駛阻力［3］，模型的輸入來自顫動系統(tǒng)的驅(qū)動扭矩和駕駛員模型的制動控制信號。主要輸入?yún)?shù)如表1所示。

表1 車輛模型輸入?yún)?shù)

1.1.4 駕駛員模型

駕駛員模型是結(jié)合整車VCU控制單元，對比實(shí)際車速與目標(biāo)車速來控制加速和制動信號，通過PID控制，使實(shí)際車速跟隨定義的目標(biāo)車速。

實(shí)際車速與目標(biāo)車速的差值ΔV對比：

式中：Vtarget——目標(biāo)車速；Vreh——實(shí)際車速。

加速控制信號acc計(jì)算式為：

式中：G——車輛質(zhì)量；Pacc、Iacc、Aacc——加速控制的PID增益系數(shù)；t——時間。

制動控制信號brak的計(jì)算式為：

式中：Pbr、Ibr、Abr——制動控制的PID增益系數(shù)。

1.1.5 電驅(qū)動系統(tǒng)控制模型

模型通過模擬電動汽車電機(jī)控制MCU控制邏輯，通過相關(guān)電氣零部件模型的組合，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)模塊的動力傳輸及信號控制。

1.2 熱管理系統(tǒng)建模

電動汽車的關(guān)鍵部件是電機(jī)和電池及相關(guān)附件，電動汽車熱管理模型主要是對電機(jī)和電池冷卻系統(tǒng)的溫度控制［4］；整車能量管理平臺step2是在step1的基礎(chǔ)上，增加了整車熱管理系統(tǒng)，該平臺模型主要可以考察動力傳動系統(tǒng)溫度的變化以及熱效應(yīng)對整車能量流的影響。熱管理系統(tǒng)由諸多部件和傳熱流體組成，整車熱管理元件之間相互作用，各部件和流體必須協(xié)調(diào)工作以滿足散熱部件散熱需求和溫度控制要求［2］。

1.2.1 冷卻系統(tǒng)模型

本文主要研究動力傳動系統(tǒng)熱管理模型的搭建與分析；常規(guī)電動汽車電驅(qū)動冷卻系統(tǒng) （圖2）主要包括由冷卻管路依次連接在一起的散熱器、水泵、電機(jī)控制器、DC／DC及充電機(jī)二合一、電機(jī)、補(bǔ)償水壺，其中冷卻管路內(nèi)充滿冷卻液，散熱器上裝有加強(qiáng)冷卻的電動風(fēng)扇。

圖2 純電動汽車前艙水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

冷卻液流經(jīng)各發(fā)熱部件吸收熱量，然后流經(jīng)散熱器處與相對較冷的空氣進(jìn)行熱交換。如果電驅(qū)動系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量不能被冷卻液有效地帶離并及時足量地傳遞給空氣，冷卻液的熱量就會出現(xiàn)堆積，溫度持續(xù)上升，致使電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)無法達(dá)到有效熱平衡。

1）散熱器及水泵模型

散熱器的數(shù)據(jù)來源與零部件供應(yīng)商通過試驗(yàn)測試所得數(shù)據(jù)，以map形式作為輸入，同時與冷卻液循環(huán)主要相關(guān)的水泵數(shù)據(jù)，已試驗(yàn)結(jié)果所得map的形式作為輸入數(shù)據(jù)，以確保模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。

2）其他相關(guān)模型

風(fēng)扇模型采用高低檔控制風(fēng)扇，通過散熱器的風(fēng)速是風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和行駛車速的共同效果，模擬計(jì)算中需要兼顧該控制邏輯及散熱器入口風(fēng)速，冷卻系統(tǒng)管路、膨脹水壺等零部件依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)做為輸入，可以從產(chǎn)品設(shè)計(jì)說明書中獲得。

1.2.2 電機(jī)熱模型

純電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)中電機(jī)為整車提供動力，是電動汽車性能的核心。其在能量轉(zhuǎn)換過程中，存在能量損失，這些能量損失都形成了電機(jī)的熱負(fù)荷；其中，繞組損耗和鐵芯損耗是發(fā)熱的主要來源，這些損耗都轉(zhuǎn)換成熱能，使電機(jī)內(nèi)部溫度升高。電機(jī)產(chǎn)生銅耗的主要是定子繞組。定子繞組的發(fā)熱量取決于汽車電機(jī)的載荷，為保證產(chǎn)品的可靠性，取電機(jī)的最大負(fù)載電流進(jìn)行計(jì)算。繞組損耗計(jì)算方程：

式中：IX——基準(zhǔn)電流，A；RX——基準(zhǔn)工作溫度下的電阻，Ω。

鐵耗分為磁滯損耗和渦流損耗，可將兩者合并計(jì)算。鐵耗計(jì)算方程：

式中：Ka——損耗增加系數(shù)；PFe——單位質(zhì)量的損耗，kW／kg；GFe——鐵心凈用質(zhì)量，kg。

本文主要針對電機(jī)主要發(fā)熱源作為熱傳導(dǎo)的主要載體，在模型中設(shè)置相應(yīng)的熱傳導(dǎo)介質(zhì)，以達(dá)到冷卻系統(tǒng)散熱的目的。

1.3 整車能量管理模型集成

通過集成step1動力傳動系統(tǒng)模型和step2整車熱管理系統(tǒng)模型，共同構(gòu)成整車能量管理平臺的集成模型。圖3為動力傳動系統(tǒng)模型，圖4為整車能量管理平臺集成模型。

圖3 動力傳動系統(tǒng)模型

2 模型仿真分析與能量流分析

2.1 動力傳動系統(tǒng)模型step1模型對標(biāo)

為了更好地保證模型及數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，整車動力傳動系統(tǒng)各子系統(tǒng)的輸入絕大部分來自實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在整車能量管理集成模型集成之前，需要對動力傳動系統(tǒng)模型進(jìn)行標(biāo)定，對比整車車速、電機(jī)扭矩等參數(shù)來確保step1模型的準(zhǔn)確性。如圖5、6所示。

2.2 整車熱管理系統(tǒng)模型step2模型對標(biāo)

整車熱管理模型仿真對標(biāo)試驗(yàn)測試的長距離山路爬坡工況 （車速60km／h，坡度9%）；試驗(yàn)數(shù)據(jù)來自整車熱平衡試驗(yàn)，試驗(yàn)在環(huán)境艙中進(jìn)行 （見圖7），環(huán)境溫度40℃下滿載運(yùn)行，運(yùn)行時間為電池荷電狀態(tài) （SOC）從100%一直運(yùn)行，直至30%為止，空調(diào)全開且內(nèi)循環(huán)，并增加太陽輻射強(qiáng)度 （1 050 W／m2）。對試驗(yàn)采集的電機(jī)出水溫度及電機(jī)控制器 （MCU）出水溫度和仿真結(jié)果進(jìn)行對比，分別如圖8和圖9所示。

2.3 整車能量流分析

整車集成能量管理仿真分析模型，可以通過AMEsim仿真軟件后處理工具，清晰地讀出整車能量傳遞情況及整車各子系統(tǒng)之間的相互影響；如從動力電池到電機(jī)、車輪等負(fù)載的動力傳遞情況及能量流分布情況。

圖10為電動汽車整車動力占比分布情況，圖11為能量占比分布情況；其中橢圓形代表儲能原件，矩形框內(nèi)數(shù)值代表能量傳遞值與總能量的比值。

圖4 整車能量管理平臺集成模型

圖5 整車車速

圖6 電機(jī)扭矩

從圖10可以看出在具體的一個工況車速下，如車速120 km／h下，電池全動力輸出的情況下，由于中間存在的相關(guān)損耗 （逆變器綜合損耗13.62%、電機(jī)機(jī)械損耗4.5%），電機(jī)的有效動力輸入82.68%，傳遞到車輪的動力占比為78%。其余部件的動力占比傳遞值均可在動力比Flow chart中讀出。

圖11可以得出在整個NEDC循環(huán)結(jié)束后的能量流傳遞分布情況，從結(jié)果可以看出，動力電池能量輸出約61.9%，其中電池內(nèi)部損耗占比0.96%，電機(jī)能量占比48.9%，同時能夠看到車整個NEDC循環(huán)結(jié)束，車輪傳遞的能量回收占比46.3%。其余部件的能量傳遞值均可在能量比Flow chart中讀出。

圖7 溫度艙試驗(yàn)室

圖8 電機(jī)出水溫度

圖9 MCU出水溫度

3 結(jié)束語

利用仿真軟件AMEsim搭建整車能量管理仿真分析模型，通過后處理工具，可以直接讀取出NEDC循環(huán)工況下的整車能量流傳遞過程，并能夠有效監(jiān)測某車速下的動力傳遞占比情況。通過該仿真分析研究，可以直觀有效地看出整車動力傳遞、能量傳遞及能量回收情況，為實(shí)現(xiàn)整車系統(tǒng)優(yōu)化控制和整車降能耗分析提供支持和參考。

圖10 動力占比Flow chart

圖11 能量占比Flow chart