新能源汽车能量管理前沿技术

传统汽车热源单一，能量管理虽然重要，但系统开发难度相对较小。随着新能源汽车的发展，能量管理系统设计的要求和难度不断增加，已经成为新能源汽车核心系统之一，关系到新能源汽车可靠性、能源消耗、驾驶性和舒适性等多个方面。为此，新能源汽车相关的能量管理技术创新与实践不断涌现。基于第27届亚琛技术与发动机技术论坛，本文将从系统、总成、方法等角度总结分析了欧洲新能源汽车能量和热管理的最新技术。

1 基于路径预测的混合动力汽车能量管理[1]

结合车辆行驶路径预测，进行整车能量管理，可以考虑多种目标，如排放、油耗、车辆运行终止时电池SOC等。该方法包括两部分，第一部分是全局性预测，即根据路况预测和能量管理设定的目标，制定粗略的能量管理策略；第二部分是以实时最优原则，确定实际能量管理策略，即系统扭矩分配策略，如图1所示，由前处理模块，对扭矩和转速需求进行预测，与驾驶员需求一起传给能量管理单元，能量管理单元根据实时最优原则，优化并确定发动机扭矩和电机扭矩。

图1 能量管理策略[1]

以运行结束SOC控制为目标的试验验证结果如图2所示。可以看出，以SOC控制为目标，在WLTC测试循环下，SOC控制与预设目标一致。

图2 运行结束SOC控制验证[1]

2 新能源汽车动力总成能量管理虚拟开发[2]

新能源汽车电驱系统性能受各总成和部件温度影响很大，因此，为了优化动力系统效率，提高整车性能，在车辆开发前期，通过软件进行详细的虚拟研究非常必要。如图3所示，建立了一个包含冷却管路、水泵、电机和逆变器等部件的仿真模型，进行热管理系统研究，组件模型及其参数来源于3D模拟、测量和供应商数据。

图3 电驱系统仿真模型[2]

在模拟方法方面，搭建的冷却系统模型应能预测系统中不同位置在不同条件下的温度、压力和质量流量。冷却管路、水泵、控制系统的性能也是必要因素，同时，电子元件与冷却系统相互作用的模型也是模拟所必需的。为此，需要考虑三方面因素：1）在各种驾驶条件下产生的热量，条件包括车速、扭矩、环境温度和电池荷电状态等；2）能量从冷却系统输送到冷却剂的情况，如管路长度和表面积；3）系统的热容，大型电子元件(如电机)中，温度的升降需要相当长的时间。

在总成及部件模拟方面，主要包括电机模拟、逆变器模拟和电池模拟。其中电机模拟较为复杂，需要进行电机损失分析、电磁和热分析等三维仿真分析，最后建立电机的热网络模型，进行热管理系统分析。

最后进行系统集成分析，如图4所示，各总成及部件的热特性和效率仿真数据集成在相应的子模型中，进行系统级联合仿真。

该分析方法的优势在于，基于现有零部件和总成状态，完全通过仿真手段，分析电驱系统的热特性，减少了试验环节、开发时间和成本，适应于未来汽车快速迭代的大趋势。

3 电池热管理系统设计[3]

电池温度直接影响电池效率、寿命、功率等多方面性能，直接影响车辆的寿命及性能，因此，电池热管理是新能源汽车开发的重要组成部分。在目前产品开发中，一般建立电池的全模型，结合整车应用工况进行分析，这种方法相对复杂，开发所用时间成本较多。合理的开发方法如图4所示，在开发初期做概念设计，后期做详细设计，这里所介绍的就是在热管理系统设计初期，采用简单的计算，进行电池热管理概念设计的方法。

图4 电驱系统热管理顶层模型[2]

图5 电池热管理开发概念设计和详细设计关系[3]

电池热管理概念分析主要包括以下几方面工作：1、确定热管理系统外部边界条件，如散热能力和水泵的性能；2、热管理系统抽象化。如图6所示，热管理系统抽象成为几何结构简单的拓扑结构，如圆管回路，用管路直径，回路数量等描述；3、电流生热研究，主要研究不同电流产生热量的情况；4、电流生热与冷却系统耦合分析；5、冷却系统参数优化。这样就完成了电池冷却系统的概念设计。

图6 热管理抽象化[3]