虛擬仿真在新能源汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化中的應(yīng)用*

王 紅

（廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510900）

隨著新能源汽車的快速發(fā)展，對車輛熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了更高要求[1]。車輛熱管理對新能源汽車的安全性、舒適性和續(xù)航里程具有重要影響。傳統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)開發(fā)方式依賴大量實(shí)車測試，周期長、費(fèi)用高?；谔摂M仿真技術(shù)的熱管理系統(tǒng)，可以縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。本文綜述了虛擬仿真技術(shù)在新能源汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化中的應(yīng)用現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了基于虛擬仿真平臺的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法，通過虛擬仿真與實(shí)車測試結(jié)果對比，驗(yàn)證所提方法的有效性，本研究可為新能源汽車熱管理系統(tǒng)的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 新能源汽車熱管理系統(tǒng)概述

1.1 新能源汽車熱管理系統(tǒng)組成及原理

新能源汽車的熱管理系統(tǒng)主要由冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、蓄電池溫控系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。其目的是保證動力電池、電機(jī)、變速器等功率部件在理想的溫度范圍內(nèi)工作，從而發(fā)揮其正常性能[2]。冷卻系統(tǒng)采用水冷卻方式，主要對發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的電機(jī)（最高溫度120 °C）、變速器（最高溫度130 °C）、DC/DC（最高溫度100 °C）、OBC（最高溫度90 °C）等進(jìn)行冷卻。系統(tǒng)由水泵（流量范圍2 L/min～10 L/min）、電動風(fēng)扇（轉(zhuǎn)速范圍1 000 r/min～4 000 r/min）、散熱器（散熱量10 kW～50 kW）、電控單元等組成。水泵帶動冷卻液在各個冷卻單元間循環(huán)流動，將熱量帶走；散熱器利用氣流將冷卻液中的熱量散發(fā)出去，電動風(fēng)扇為散熱器提供氣流；電控單元對水泵及風(fēng)扇進(jìn)行控制，根據(jù)車輛工況和部件溫度精確調(diào)節(jié)。

空調(diào)系統(tǒng)采用無HCFC 制冷劑R1234yf（ODP值為0），主要實(shí)現(xiàn)車內(nèi)空調(diào)（制冷量2 kW～5 kW）及電池包間接制冷的功能[3]。系統(tǒng)包含可變排量壓縮機(jī)（排量范圍20 cc～100 cc）、電動發(fā)動機(jī)（功率2 kW～10 kW）、蒸發(fā)器（制冷量2 kW～8 kW）、電動膨脹閥、雙液管等。壓縮機(jī)將吸收熱量的低溫低壓冷媒壓縮成高溫高壓狀態(tài)；經(jīng)過蒸發(fā)器吸熱后返回壓縮機(jī)繼續(xù)循環(huán)。為優(yōu)化能耗，電動發(fā)動機(jī)可作為壓縮機(jī)動力來源；電動膨脹閥可精確控制冷媒流量（50 g/s～500 g/s）。

電池?zé)峁芾聿捎脽峤粨Q器（傳熱量1 kW～10 kW）與冷卻液雙循環(huán)結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)冷卻液流量（0.5 L/min～5 L/min）來進(jìn)行精確控溫。輔助電池采用獨(dú)立水冷卻系統(tǒng)。電控單元集成傳感器，在保證電池效率、安全的前提下，使其工作在最佳溫度范圍內(nèi)（15 °C～35 °C），從而延長使用壽命。

1.2 當(dāng)前新能源汽車熱管理系統(tǒng)面臨的問題

當(dāng)前新能源汽車熱管理系統(tǒng)在實(shí)際使用中還面臨諸多難題。1）動力電池的溫控問題[4]。電池性能高度依賴工作溫度，穩(wěn)定的溫度有利于發(fā)揮最大功率和延長使用壽命。但電池龐大的體積導(dǎo)致蓄熱量大、熱響應(yīng)慢，僅依靠空調(diào)系統(tǒng)的間接制冷很難實(shí)現(xiàn)精確控溫，溫差可達(dá)15 °C。2）驅(qū)動電機(jī)及變速器的高溫問題。電機(jī)最大輸出功率可達(dá)180 kW，高負(fù)荷工況下溫升迅速。同時變速器齒輪傳動功率損失較大，油溫可達(dá)150 °C。過熱會降低系統(tǒng)效率、縮短使用壽命，目前冷卻系統(tǒng)容積與質(zhì)量大，制冷量難以滿足需求。3）熱管理系統(tǒng)復(fù)雜度高，控制與優(yōu)化難度大。各子系統(tǒng)之間相互影響，參數(shù)設(shè)計(jì)與匹配較難。復(fù)雜的傳熱過程難以建立精確模型，控制策略優(yōu)化存在困難[5]。4）無法進(jìn)行系統(tǒng)級別的熱管理優(yōu)化。各子系統(tǒng)之間既有協(xié)同也存在競爭關(guān)系，整車層面上的最優(yōu)化設(shè)計(jì)非常必要，但又面臨諸多約束條件，目前仍然存在系統(tǒng)分割、局部優(yōu)化的情況。總之，隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，對熱管理系統(tǒng)的要求越來越高。如何提高系統(tǒng)效率、實(shí)現(xiàn)精確控溫、減小體積質(zhì)量、進(jìn)行系統(tǒng)級優(yōu)化等仍需要進(jìn)一步研究與創(chuàng)新，先進(jìn)的熱管理技術(shù)與控制策略是提升新能源汽車整體性能的重要手段。

1.3 虛擬仿真在新能源汽車熱管理系統(tǒng)中的優(yōu)勢

相較于傳統(tǒng)的測試驗(yàn)證開發(fā)模式，應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)可以大大縮短新能源汽車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)周期，降低開發(fā)成本[6]。具體優(yōu)勢體現(xiàn)在：1）可以在虛擬環(huán)境中建立熱管理系統(tǒng)的精確多域物理模型，包含電機(jī)（轉(zhuǎn)速范圍2 000 r/min～10 000 r/min，輸出功率20 kW～180 kW）、蓄電池組（容量50 kW·h～100 kW·h）、冷卻液（流量范圍2 L/min～10 L/min）等在不同工況下的傳熱特性。仿真結(jié)果與實(shí)際熱過程高度吻合。2）可以同時連接熱系統(tǒng)多部件的仿真模塊，進(jìn)行系統(tǒng)級別協(xié)同仿真。大幅度減少通過實(shí)際試驗(yàn)獲得系統(tǒng)層面數(shù)據(jù)的時間，使熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)從過去的經(jīng)驗(yàn)性調(diào)試轉(zhuǎn)變?yōu)榉抡骝?qū)動的流程。3）可以在虛擬環(huán)境中快速對熱系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、關(guān)鍵部件參數(shù)、冷卻液流量分配等進(jìn)行多種設(shè)計(jì)情況下的仿真與分析，系統(tǒng)自動給出熱平衡評估結(jié)果。避免設(shè)計(jì)缺陷的實(shí)際試制和測試，縮短設(shè)計(jì)周期[7]。4）可以建立含不確定因素的熱系統(tǒng)模型，采用Monte Carlo 等方法進(jìn)行多維參數(shù)隨機(jī)仿真，評估熱管理系統(tǒng)穩(wěn)健性和容錯性，降低實(shí)際路試風(fēng)險(xiǎn)。5）可在整車水平對動力系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，給出滿足動力經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)安全性、使用舒適性的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)解。總之，虛擬仿真可大幅提升新能源汽車熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率和優(yōu)化能力，是實(shí)現(xiàn)熱管理創(chuàng)新的重要手段。

2 基于虛擬仿真的新能源汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 虛擬仿真平臺建立

為實(shí)現(xiàn)新能源汽車熱管理系統(tǒng)的快速優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要建立一個高精度、高效率的虛擬仿真平臺[8]。該平臺以工程軟件AMESim 為核心，采用系統(tǒng)聯(lián)合仿真方式，構(gòu)建包含多個子系統(tǒng)的整車熱管理模型，實(shí)現(xiàn)對熱系統(tǒng)的多域協(xié)同仿真。平臺首先建立動力電池?zé)崮Ｐ?。根?jù)數(shù)萬個18650 電芯的尺寸（直徑18 mm，長度65 mm）及材料熱物性參數(shù)（比熱容1.2 kJ/kg·K，密度2 200 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)0.33 W/m·K），采用三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程：

其中：?是梯度運(yùn)算符；k是熱傳導(dǎo)系數(shù)；T是溫度；Q是熱源/熱匯（表示可能存在或產(chǎn)生的熱量）。

從單體級別逐級構(gòu)建電池模塊和整個電池包的三維熱傳導(dǎo)模型，精確描述電池內(nèi)部的熱傳導(dǎo)過程[9]。考慮發(fā)熱量隨充放電電流（范圍0～0.5 C 即0～45 A）的變化，建立動力電池的電熱耦合模型，其熱模型精度經(jīng)過電池靜態(tài)放置試驗(yàn)（環(huán)境溫度25 °C）驗(yàn)證，模擬結(jié)果與實(shí)測溫度曲線吻合度達(dá)到95%以上。

同時，針對驅(qū)動電機(jī)（最大熱損耗20 kW）、變速器（最大熱損耗15 kW）、DC/DC（最大熱損耗5 kW）等熱源單元，建立傳熱網(wǎng)絡(luò)模型，包含金屬殼體的熱傳導(dǎo)、對冷卻液的對流換熱、對環(huán)境空氣的自然或強(qiáng)制對流換熱。每個熱源單元都細(xì)化成多個碎片，采用熱電網(wǎng)絡(luò)等效方法進(jìn)行建模，確保模型精度。設(shè)置不同的邊界條件和輸入功率，得到各個工況下的溫度響應(yīng)曲線。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

基于虛擬仿真平臺，可以針對新能源汽車的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化目標(biāo)是在滿足系統(tǒng)安全可靠的前提下，提升熱系統(tǒng)的整體效率。以電池組的溫度控制為例，電池芯片的熱設(shè)計(jì)參數(shù)包括芯片尺寸（18 mm×65 mm）、間隙設(shè)計(jì)（1 mm～5 mm）、集流極數(shù)等[10]。還需要確定電池模塊的層疊方式，光伏玻璃的厚度（2 mm～5 mm）等參數(shù)，不同參數(shù)組合會影響電池的熱傳導(dǎo)特性。電機(jī)方面，轉(zhuǎn)子和定子繞組的材料屬性（銅耗散率0.8 W/kg·K～1.2 W/kg·K）、機(jī)芯與殼體間的間隙設(shè)計(jì)（0.5 mm～2 mm）、定子齒槽形狀等都是優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，合理的參數(shù)選擇，可以顯著提升電機(jī)的散熱性能。冷卻液流經(jīng)電機(jī)、電控單元的流量分配（2 L/min～10 L/min），直接影響各部件的溫升時間和平衡溫度，優(yōu)化流量匹配不同部件的散熱需求，可以獲得最佳的系統(tǒng)效率。在虛擬仿真環(huán)境中，可以快速構(gòu)建不同參數(shù)下的熱系統(tǒng)模型，并采用多目標(biāo)優(yōu)化算法獲得最優(yōu)參數(shù)解，相比煩瑣的經(jīng)驗(yàn)失誤，仿真驅(qū)動的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提升系統(tǒng)效率超過15%，大幅縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

2.3 新型熱管理方案設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步優(yōu)化新能源汽車的熱管理系統(tǒng)，可以在虛擬仿真平臺上設(shè)計(jì)全新的熱管理方案。本研究提出一種基于裂片式相變材料（PCM）的新型電池?zé)峁芾斫Y(jié)構(gòu)。其基本思路是將PCM 薄片直接嵌入電池芯片堆疊體中，形成電池?zé)峁芾斫M件。PCM材料采用無機(jī)鹽水合物CaCl2·6H2O，相變溫度在25 °C～30 °C，潛熱為190 kJ/kg。根據(jù)電池芯片的熱負(fù)荷計(jì)算，確定PCM 薄片的規(guī)格為0.5 mm 厚、18 mm 寬、65 mm 長，重量約為2 g。在電池芯片的正負(fù)極片之間插入PCM薄片，薄片上的圖案化涂層可以有效改善PCM 與電極片的熱接觸，增強(qiáng)傳熱效果。在虛擬仿真環(huán)境中，搭建含PCM 薄片的電池芯片三維計(jì)算模型。采用雙向耦合的熱-電模型，考慮了電池在1C 倍率充放電過程中的非均勻熱源分布，同時設(shè)置端蓋的對流換熱邊界條件。多情況仿真結(jié)果表明，在25 °C 環(huán)境溫度下，相比普通電池芯片，嵌入PCM 薄片可以將芯片最高溫度降低8 °C，溫度波動范圍降低超過50%。進(jìn)一步在電池包級別進(jìn)行仿真，將單體電池?zé)峁芾斫M件集成，形成新型電池包熱管理系統(tǒng)?？紤]電池包在低溫啟動（-10 °C）和高溫快速充電（50 °C）兩種苛刻工況下的熱響應(yīng)，結(jié)果顯示，新方案可以有效抑制電池溫度的劇烈變化，最大溫差降低超過30%，顯著提升熱穩(wěn)定性。相比傳統(tǒng)的間接空調(diào)制冷，直接利用PCM 薄片的相變潛熱實(shí)現(xiàn)電池精確控溫，避免了額外的冷卻系統(tǒng)。新方案可以降低電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)質(zhì)量超過15%，且結(jié)構(gòu)緊湊，可有效利用電池包內(nèi)部空間。綜合仿真分析表明，基于PCM 薄片的新型電池?zé)峁芾矸桨?，可以有效提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)健性。

3 虛擬仿真實(shí)證研究

3.1 仿真結(jié)果與實(shí)車測試對比

為了驗(yàn)證所建立的新能源汽車熱管理系統(tǒng)虛擬仿真平臺的精度與有效性，需要與實(shí)際車輛的路試測試結(jié)果進(jìn)行對比分析。本研究選擇一款純電動汽車進(jìn)行仿真與實(shí)測結(jié)果的比較，如表1 所示。在虛擬仿真平臺中搭建該車輛的熱管理系統(tǒng)模型，包含電池、電機(jī)、變速器等關(guān)鍵熱源單元?？紤]車輛行駛過程中的各種工況，如加速、爬坡、恒速等，根據(jù)功率需求動態(tài)輸入各部件的熱負(fù)荷。同時設(shè)置與實(shí)際路試相匹配的環(huán)境條件，如環(huán)境溫度、風(fēng)速等參數(shù)。在此基礎(chǔ)上運(yùn)行熱系統(tǒng)仿真，記錄電池、電機(jī)、變速器出口溫度等關(guān)鍵輸出響應(yīng)。在實(shí)際路試中，測試車輛采用精密的熱電偶傳感器監(jiān)測電池芯片溫度，測量變速器油箱溫度，測試電機(jī)定子繞組的溫升曲線。整個路試測試包含各種工況，時間長達(dá)2 h，最大車速達(dá)到100 km/h。

表1 仿真與實(shí)測結(jié)果比較

將仿真結(jié)果與路試測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，主要熱源單元的溫度響應(yīng)曲線吻合度在95%以上，最大溫度誤差小于2 °C。結(jié)果表明，所建立的熱管理系統(tǒng)虛擬仿真平臺可以高精度反映實(shí)際車輛的熱特性，驗(yàn)證了仿真模型的有效性。與路試相比，虛擬仿真可以在不修改實(shí)車的前提下快速獲得系統(tǒng)熱特征，大大縮短了傳統(tǒng)開發(fā)周期。本研究搭建的虛擬仿真平臺為電動汽車熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的支持。未來工作可進(jìn)一步豐富路況模式，擴(kuò)展仿真場景，建立包含不同車型的通用熱管理系統(tǒng)仿真數(shù)據(jù)庫，將有助于提升新能源汽車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率和水平。

3.2 優(yōu)化效果驗(yàn)證

在虛擬仿真平臺上進(jìn)行熱管理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，還需通過實(shí)驗(yàn)測試來驗(yàn)證優(yōu)化的具體效果。本研究以電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)優(yōu)化為例，在測試平臺上比較了優(yōu)化前后系統(tǒng)的熱控制性能。優(yōu)化前的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)采用粗略的間接空調(diào)制冷方案，電池組裝在封閉的金屬箱體內(nèi)，箱體與車輛中的風(fēng)管連接。優(yōu)化后采用了仿真平臺上設(shè)計(jì)的新型PCM相變材料薄片內(nèi)嵌方法。其余測試條件完全一致，包括環(huán)境溫度（25 °C）、電池基本參數(shù)（100 kW·h）、測試工況（1C倍率充放電）等。

優(yōu)化前后對比如表2所示，采用新型內(nèi)嵌PCM薄片方案后，電池最高溫度降低了7.3 °C，溫差范圍減小了13.2 °C，明顯提升了溫控性能。同時，電池升溫時間有所增加，這是由于PCM的儲熱作用起到了緩沖調(diào)節(jié)效果。本研究驗(yàn)證了虛擬仿真平臺優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)方法相比，仿真驅(qū)動的優(yōu)化可以提高電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的準(zhǔn)確控溫能力和穩(wěn)定性，延長電池的使用壽命，提升系統(tǒng)可靠性。未來可在熱管理系統(tǒng)的其他單元中應(yīng)用虛擬仿真優(yōu)化技術(shù)，并建立自動化的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，這將大幅減少開發(fā)失誤，降低熱系統(tǒng)優(yōu)化成本，縮短產(chǎn)品上市時間。

表2 優(yōu)化前后對比

4 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)為新能源汽車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了重要支持。本文研究表明，相比傳統(tǒng)方法，采用虛擬仿真技術(shù)可以顯著提高熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜熱過程的高精度預(yù)測，并進(jìn)行系統(tǒng)級別的優(yōu)化。此外，通過與實(shí)車測試結(jié)果的對比，驗(yàn)證了仿真模型的高精度，充分證明了仿真優(yōu)化效果。本研究為利用先進(jìn)的計(jì)算方法指導(dǎo)新能源汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了范例。虛擬仿真不僅可以推動熱系統(tǒng)的創(chuàng)新與優(yōu)化，還可以擴(kuò)展應(yīng)用于整車能量管理、智能連接等方面。未來的研究將繼續(xù)豐富多場景聯(lián)合仿真的應(yīng)用，建立包括熱管理、動力電池、電機(jī)驅(qū)動在內(nèi)的新能源汽車整車虛擬仿真平臺。這將助力新能源汽車相關(guān)核心技術(shù)的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，并對汽車工程師開展系統(tǒng)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的數(shù)字化支持。