【摘要】汽車能量管理決定著整車能量的合理利用，是實現汽車節能降耗的重要手段。隨著汽車的電動化和智能化的發展，對電動汽車的能量管理提出了更高的需求。實現電能的有效利用，不但可以為用戶節約成本，也可以提升產品的市場認可度。隨著電動汽車能量管理需求由單一維度向多維度轉變，對電動汽車能量管理的要求，也從粗放型設計向精益化設計轉變。不僅要實現各部件工作可靠，同時也要實現能量利用最優，從整車層面對各子系統進行能量統籌管理將成為電動汽車未來的發展趨勢。本文主要基于整車能量管理發展方向，對電動汽車熱管理系統的設計特點和仿真技術的發展趨勢進行論述。
電動汽車能量管理是從傳統燃油車的能量管理上發展起來的。整車能量管理可細分為系統層面的能量利用和熱管理系統部件的能量消耗兩部分。對于傳統燃油車，整車能量利用效率主要取決于發動機的有效效率，熱管理系統結構簡單，所消耗的能耗占比較小。而隨著汽車的電動化和智能化發展，整車熱管理附屬部件逐步增多，所消耗的能耗占比也逐漸提升，尤其在高低溫環境條件下，熱管理系統的能量消耗大幅度縮減電動汽車續駛里程。為了實現整車能量的合理利用，緩解電動汽車用戶的里程焦慮問題，電動汽車熱管理系統的設計和開發成為電動汽車整車能量開發的重點。而傳統熱管理相對獨立的開發模式在應對電動汽車能量管理技術發展中存在一定的局限性，本文主要基于整車能量管理發展方向，對電動汽車熱管理系統的設計特點和仿真技術的發展趨勢進行論述。
傳統燃油車熱管理系統拓撲結構如圖1所示。其主要包含發動機冷卻回路、進氣中冷回路和空調系統回路。各回路通過車輛前端散熱器進行散熱，實現回路的合理工作溫度。
圖1 傳統燃油車熱管理拓撲結構[1]
傳統燃油車采用發動機作為其動力源，由于發動機的工作特性，將有30%左右的熱量需要通過發動機冷卻系統傳遞到外界環境中，以避免發動機出現過熱現象，尤其在大負荷工況。發動機冷卻系統由冷卻管路、水泵、水箱和散熱器組成，通過冷卻水循環實現熱量從發動機向外界環境的傳遞，保證發動機工作溫度穩定在90℃。
進氣中冷回路作為增壓發動機特有的冷卻回路，主要是對增壓空氣進行冷卻，提升進氣工質密度，實現較大的進氣量，同時對發動機的爆震現象也有一定的抑制作用，一般進氣中冷溫度控制在45℃以下。
空調系統回路主要是對乘員艙進行制冷，實現在高溫環境下，把乘員艙的熱量向外界環境轉移。其工作原理是通過冷媒工質的相變過程，實現乘員艙吸熱和外界散熱。在寒冷環境下，乘員艙有制熱需求，則通過暖風芯體回路引入發動機冷卻回路中的廢熱，實現乘員艙加熱功能。
相比于傳統燃油汽車，電動汽車的能源為電能，電機作為其驅動單元。其熱管理拓撲結構主要包括電池回路、電機回路、空調回路和暖風芯體回路，如圖2所示。
各冷卻回路的作用與傳統燃油車冷卻回路類似，但各回路的目標工作溫度略有差別，電機回路的工作溫度要求控制在80℃以下，電池的理想工作溫度范圍為15～35℃。
空調系統主要是為乘員艙進行制冷，另外在某些工況下，通過Chiller（冷卻裝置）對電池回路進行冷卻。在寒冷環境溫度下，由于沒有傳統燃油車的發動機廢熱，為了保證乘員艙舒適性，暖風芯體采用高壓PTC（Positive Temperature Coefficient,正溫度系數熱敏電阻）進行加熱，其直接消耗電能，這也是電動汽車冬季續駛里程大幅度縮減的重要原因。熱泵空調系統具有制熱能效比高的特點，也越來越多的應用于純電動和插電式混合動力車型中，可緩解電動汽車冬季續駛里程縮減的問題。
圖2 電動汽車熱管理拓撲結構[1]
電動汽車能量管理，是從整車層面對各子總成進行能量的綜合優化利用。其對熱管理系統設計的要求，也由傳統粗放型向精益化轉變。
傳統熱管理系統主要采用獨立式設計方案，各子系統獨立控制，相互之間沒有交互，這種設計方式較為簡單，結構布置方便，控制也較為容易，但難以實現熱管理系統的能量優化利用。而集成化設計方案，可實現各熱管理子系統之間的交互，為熱管理系統能量優化提供前提。
圖3所示為奧迪Q7 e-tron PHEV的熱管理拓撲結構，包括空調回路、高溫回路和低溫回路，其中低溫回路包括電機回路和電池回路，通過閥門控制實現電池回路與電機回路的串并聯控制。
圖3 Audi Q7 e-tron PHEV熱管理拓撲結構[2]
整車采用的是熱泵空調系統，可實現空調制冷和熱泵制熱兩種模式。在空調制冷模式下，空調冷媒先后經壓縮機進行壓縮，外界冷凝器散熱，然后通過膨脹閥引入乘員艙蒸發器內進行相變吸熱過程，完成制冷循環。在熱泵制熱模式下，空調冷媒經過壓縮后，引入間接冷凝器進行散熱，經膨脹閥引入到低溫回路的Chiller進行相變吸熱，把低溫回路的熱量經由間接換熱器轉移到乘員艙暖風芯體回路，實現乘員艙制熱。
高溫回路是在傳統燃油車暖風芯體回路的基礎上進行改動，回路上增加了間接冷凝器和高壓PTC，在車輛運行中，首選發動機高溫冷卻水進行乘員艙加熱，在發動機不工作情況下，采用熱泵循環和高壓PTC進行暖風芯體回路加熱。
低溫回路通過閥門控制，實現電池與電機回路的串聯和并聯模式。在串聯模式下，電池可采用電機回路的余熱進行加熱，也可采用電機回路的室外散熱器進行散熱。在并聯模式下，電池回路獨立循環實現電池溫度平衡的作用，也可通過Chiller進行散熱。電機回路可獨立采用低溫散熱器進行散熱。
空調回路可通過Chiller與低溫回路進行集成，可實現低溫回路的余熱回收利用。高溫回路通過間接換熱器與空調回路集成，可實現乘員艙加熱模式的能量節約。低溫回路通過閥門控制實現電機回路和電池回路集成，可最大程度的利用電機回路實現電池回路的加熱或冷卻，節約電能。
傳統純電動汽車熱管理系統主要包括電池回路、電機回路和空調回路三部分。圖4所示為Kia Soul BEV熱管理拓撲結構，其電池采用主動風冷系統，電機回路采用液冷方式，空調系統采用熱泵空調系統[3]。
圖4 Kia Soul BEV熱管理拓撲結構[3]
空調系統可實現空調制冷和熱泵制熱兩種模式。在空調制冷模式下，空調冷媒先后經壓縮機壓縮、室外冷凝器散熱，然后通過膨脹閥引入乘員艙蒸發器內進行相變吸熱過程，完成制冷循環。在熱泵制熱模式下，空調冷媒經過壓縮后，引入室內冷凝器進行散熱，經膨脹閥引入到室外冷凝器進行相變吸熱，把外界環境的熱量轉移到乘員艙室內冷凝器散熱，實現乘員艙制熱。
通過電機回路的Chiller可實現熱泵空調系統與電機回路的集成，在乘員艙有制熱需求的情況下，同時電機回路有散熱需求情況下，實現電機回路的余熱回收，用于乘員艙加熱。結合不同的閥門控制和回路設計，也可實現熱泵空調除濕模式下的再加熱過程，最大程度的節約電能消耗，實現能量優化利用。
可以看出，熱泵空調系統可實現乘員艙制冷和制熱模式的靈活切換，結合液態傳熱工質和熱交換器，可實現整車各子系統的熱量轉移，為整車能量統籌管理提供基礎。針對不同的應用工況進行熱管理控制策略優化，可實現整車系統層面的能量管理。電池回路與電機回路的集成設計，以及熱泵空調系統與電池電機冷卻系統的集成將成為未來電動汽車熱管理系統設計的方向。
為了實現整車能量的合理利用，電動汽車熱管理系統設計集成化程度越來越高，而同時也會實現越來越多的熱管理功能。熱管理系統對能量的利用更加精細化，這就需要對熱管理系統控制模式進行細化，而通過實車對眾多的工作模式進行標定將需要大幅度增加整車標定工作量，為了解決這一問題，電動汽車熱管理系統與數字樣車聯合仿真將成為電動汽車能量管理未來的發展方向。
Mentor Graphics公司對Nissan Leaf進行了熱管理系統與整車聯合仿真的計算研究。熱管理系統仿真模型采用Flowmaster軟件搭建，主要用于計算流經電池包冷卻空氣的溫度、冷卻風扇以及各附屬部件的功率需求，與整車模型中的系統功率進行實時迭代。
整車模型采用Simulink進行搭建，其作用主要是作為模型間的數據分配平臺。設置仿真初始條件，包括環境參數、乘員艙、電池溫度、乘員艙設置點、駕駛循環和駕駛員操作參數。整車模型決定整車總的功率需求，包括牽引、剎車、動力總成和電機驅動/回收能量。
采用駕駛員操作參數、乘員艙設定溫度和環境溫度進行研究，并把仿真計算結果與實車數據統計結果進行對比，如圖5所示。
圖5 整車行駛里程預測與實測數據對比[4]
取頻率較大的中間50%的采集數據帶作為基準，仿真結果與實車統計結果趨勢一致，但結果有一定偏差，考慮原因為乘員艙材料特性和HVAC（空調暖通系統）的空調性能與真實情況存在偏差，通過模型校正可實現真實環境下的整車續駛里程預測。
在2018年國際自動機工程師學會（SAE Interna?tional）組織的熱管理系統會議上，Magna Powertrain公司介紹了熱管理系統與整車聯合仿真的相關案例。針對于不同的應用場景，提出三種不同的聯合仿真方法。
4.2.1 “All In One”聯合仿真
采用一種軟件進行仿真，主要用于整車熱管理系統工程師進行聯合仿真研究，所有子系統均由熱管理仿真軟件進行搭建，在一個軟件平臺下實現熱管理系統與整車聯合仿真。
優點：不需要與其他的仿真工具進行耦合，簡化了仿真環境；只需要一款仿真軟件的License；仿真工程師不需要了解其他仿真工具；不同子系統之間信息交互方便，計算速度較快。
缺點：所有子系統都需要轉化成為統一的仿真平臺，需要額外的工作量，有時不能完全體現子系統的功能；在不同領域的應用受到限制。
4.2.2 “White Box”聯合仿真
各子系統采用不同的仿真工具進行建模，通過特定的專用接口，與主模型進行信號交互，實現聯合仿真。
優點：每一個子系統都可以采用最適合的仿真工具進行建模；專用接口可實現主模型對各子系統的直接控制；可通過專用接口實現較為詳細的信號交互。
缺點：各子系統對應的模型與主模型之間都需要進行接口定義；在仿真過程中，多軟件平臺同時運行，每個平臺都需要對應的License。
4.2.3 “Black Box”聯合仿真
各子系統采用不同的仿真工具進行建模，通過標準化接口，對各子系統進行封裝，對模型打包。
優點：每一個子系統都可以采用最適合的仿真工具進行建模；由于采用標準化接口，各子系統相互之間交互信息較為方便。
缺點：與“All In One”方法相比，仍然需要一個主模型；與“White Box”方法相比，與子模型的信息交互受到接口標準的限制。
針對于項目進展的不同階段，可針對性的選擇不同的聯合仿真方法，應用于整車能量管理系統開發。
（1）隨著汽車向電動化和智能化方向發展，整車能量管理涵蓋內容增多，對電動汽車能量管理的要求也從粗放型設計向精益化設計轉變。從整車層面對各子系統進行能量統籌管理將成為電動汽車未來的發展趨勢。
（2）電動汽車熱管理系統，相對于傳統燃油車熱管理系統，溫度控制范圍更為細化，各回路之間的能量交互使得熱管理系統設計更為復雜，熱管理系統設計向集成化方向發展。
（3）為了對電動汽車能量管理控制模式進行優化和預標定，減少整車試驗工作量，電動汽車熱管理系統與數字樣車聯合仿真將成為電動汽車能量管理的未來發展方向。
參考文獻（略）
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