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基于系統(tǒng)性仿真的電動汽車熱管理策略
2021-03-10 15:37:07· 來源：AutoAero
一分鐘了解全文 本文主要介紹基于GT-SUITE的一維三維耦合熱仿真方法，并且提出一種新型預(yù)測性電池模型，用于分析優(yōu)化電動汽車熱管理仿真時面對的問題，同時可以對電池的循環(huán)壽命和日歷壽命進(jìn)行預(yù)測，最后提出了一種集成式電動汽車熱管理模型。 --------------
一分鐘了解全文
本文主要介紹基于GT-SUITE的一維三維耦合熱仿真方法，并且提出一種新型預(yù)測性電池模型，用于分析優(yōu)化電動汽車熱管理仿真時面對的問題，同時可以對電池的循環(huán)壽命和日歷壽命進(jìn)行預(yù)測，最后提出了一種集成式電動汽車熱管理模型。
為了提高電動汽車的續(xù)航里程和安全性、舒適性等方面的性能，熱管理系統(tǒng)在電動汽車的零部件和系統(tǒng)層面上都變得越來越重要。與昂貴的實際測試相比，熱管理系統(tǒng)復(fù)雜性的顯著提高以及與整車的交互更加緊密，正推動著整車系統(tǒng)仿真的發(fā)展。在系統(tǒng)層面，不同子系統(tǒng)之間的交互程度不同，熱管理系統(tǒng)仿真模型必須能夠?qū)@樣的交互系統(tǒng)進(jìn)行仿真。在零部件級別，確保各個復(fù)雜連接的系統(tǒng)中所使用組件的有效性變得愈發(fā)重要。下面從幾個方面分別對本文的研究內(nèi)容進(jìn)行介紹。
一、零部件層面的建模
精確的零部件層面建模對于子系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計非常重要，下文分別介紹了電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)建模、電池建模和乘員艙建模。
1.電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)建模
電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的首要目的是保證整個電池包中溫度分布均勻，通常要求電池包內(nèi)電池的溫度差不超過5K。溫度分布不均勻以及快速放電、過度充電或外部環(huán)境溫度過高導(dǎo)致的電池包過熱會使電池性能迅速退化并縮短電池壽命。在極端情況下，由于熱量不受控制地積聚，電池包中的電池可能會發(fā)生熱失控，從而導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞，例如起火和爆炸。為了避免這種情況，電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)必須確保電池溫度的均勻分布。本節(jié)闡述了一種對液冷電池包建模的方法，并將冷卻板內(nèi)部的一維流動與電池包和冷卻板結(jié)合的三維模型進(jìn)行耦合熱仿真。本文所用電池包及其內(nèi)部一個電池模組如圖1所示，其中每個電池模組由20個電池單體及21塊冷卻板構(gòu)成。
圖1 電池包內(nèi)部組成及單體模塊結(jié)構(gòu)
圖2 Spaceclaim處理冷卻流道
圖3 GEM3D處理電池模組
圖4 GT-ISE進(jìn)行裝配
對系統(tǒng)模型進(jìn)行熱仿真，條件參數(shù)如圖5所示，得到仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。
圖5 模型條件參數(shù)
圖6 電池單體和冷卻流道溫度分布
圖7 電池包內(nèi)流經(jīng)各電池模組的冷卻液溫度
2.電池建模
電池的建模通常遵循兩種方法，即等效模型和電化學(xué)模型。兩者的主要區(qū)別在于計算成本以及可預(yù)測性。等效模型由與一組電氣元件（例如電阻器和電容器）連接的開路電壓源形成，由于計算效率高，因此被廣泛用于電池SoC的估算，該技術(shù)根據(jù)電流的輸入估算電池電壓，并且可以使用不同的電阻電容分支來捕獲電池系統(tǒng)固有的不同時間常數(shù)，如圖8所示，這種模型計算速度很快，但僅對特定的電池類型保證結(jié)果可靠。
圖8 電池等效模型示意圖
電化學(xué)模型使用偏微分方程來對電池內(nèi)部的狀態(tài)進(jìn)行建模，它可用于計算電池內(nèi)部的電化學(xué)狀態(tài)，通常比等效模型更準(zhǔn)確，但計算速度較慢。電化學(xué)模型可以用來預(yù)測電池的循環(huán)壽命和日歷壽命，本文使用GT-AutoLion對給出的新型電池模型進(jìn)行循環(huán)壽命和日歷壽命的預(yù)測，并且對不同電芯材料的電池也進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖9、圖10所示。
圖9 使用GT-AutoLion預(yù)測循環(huán)壽命和日歷壽命
圖10 使用GT-AutoLion預(yù)測不同材料的電池性能
將電化學(xué)模型與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型集成在一起進(jìn)行仿真將得到最準(zhǔn)確的結(jié)果。但是，由于電化學(xué)模型計算速度比等效模型慢，因此以解耦方式模擬了這些電化學(xué)模型。
上一小節(jié)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)生熱速率的得出，使用了電池單元的等效模型，該模型基于經(jīng)驗相關(guān)性，利用內(nèi)部電阻和開路電壓數(shù)據(jù)與充電狀態(tài)和溫度之間的關(guān)系得出整個系統(tǒng)的生熱速率。
3.乘員艙建模
對于電動汽車，電驅(qū)總成及空調(diào)系統(tǒng)消耗的電能最多，為了提高電能的利用效率，可以對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。目前的優(yōu)化方向是必須在不損害人體熱舒適性的前提下，降低空調(diào)壓縮機(jī)的功耗，因此需要對乘員艙內(nèi)進(jìn)行熱舒適性的研究（此處不考慮空調(diào)加熱工況）。為了能夠精確地預(yù)測乘員艙內(nèi)的溫度分布，CFD工具被廣泛應(yīng)用，但是，這種準(zhǔn)確性是以巨大的運算時間為代價的。為了優(yōu)化運算時間，本文使用了GT-SUITE和TAITherm協(xié)同仿真的方法，GT-SUITE可以迅速處理乘員艙內(nèi)部的流體區(qū)域，TAITherm提供了快速求解三維結(jié)構(gòu)溫度的能力，包括三維熱傳導(dǎo)，熱對流和多次反射輻射，對于此部分的計算，TAITherm需要對流邊界條件。GT-SUITE為TAITherm中的計算提供了這些對流邊界條件，如圖11所示。
圖11 GT-SUITE與TAITherm之間的數(shù)據(jù)交換
乘員艙內(nèi)部的邊界由TAITherm中的模型表示，而艙內(nèi)的流量由COOL3D中的模型來表示，乘員艙的CAD幾何數(shù)據(jù)導(dǎo)入到GT-SUITE的預(yù)處理器COOL3D中。在COOL3D中，乘員艙體積被離散為幾個子體積，風(fēng)道入口和出口的邊界由軟件創(chuàng)建完成。在TAITherm中，導(dǎo)入COOL3D生成的乘員艙網(wǎng)格文件，其中乘員艙的不同表面（例如門，擋風(fēng)玻璃，側(cè)窗，頂蓋，地板等）被網(wǎng)格化。在TAITherm定義艙內(nèi)表面的不同層及其使用材料，例如，乘員艙頂外部材料定義為鋼，中間層為空氣，內(nèi)部層為泡沫。
如上所述，在GT-ISE中，COOL3D模型和TAITherm模型都被連接以交換數(shù)據(jù)。創(chuàng)建的耦合模型可以作為獨立的乘員艙模型運行，其中對乘員艙入口溫度（在通風(fēng)口處）和流量進(jìn)行設(shè)定，如圖12所示。
圖12集成GT-SUITE和TAITherm模型的獨立乘員艙模型
從圖13中可以看到GT-TAITherm和CFD仿真的結(jié)果之間有很好的比較。雖然GT-SUITE可以自行計算求解，但在此模型中，將CFD流場耦合到了在COOL3D中創(chuàng)建的網(wǎng)格上，然后使用GT-TAITherm良好地解決了溫度分布問題。
圖13 GT-TAITherm和CFD仿真結(jié)果比較
二、系統(tǒng)建模
整車系統(tǒng)中，經(jīng)常存在著多個子系統(tǒng)同時工作，并且彼此之間具有不同級別的交互，所以有必要對這些相互作用進(jìn)行建模，以確保所有子系統(tǒng)以連貫、緊密耦合的方式協(xié)同工作，使電動汽車在各種負(fù)載和運行條件下以峰值性能和效率工作。因此，電池包的性能要與其他相關(guān)結(jié)構(gòu)的屬性特征認(rèn)真匹配。但是，這樣的集成模型進(jìn)行仿真分析時會非常復(fù)雜和緩慢，而且只有當(dāng)開發(fā)者對不同子系統(tǒng)的獨立性能有足夠的信心時，集成系統(tǒng)建模才是有益的。本文提出了一種集成式電動汽車熱管理模型，并在一個行駛周期內(nèi)對模型進(jìn)行了仿真，創(chuàng)建這樣一個模型的工作流程與創(chuàng)建電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型的工作流程相似，在不同的行駛循環(huán)和環(huán)境條件下對該模型進(jìn)行了多次試驗。集成模型如圖14所示。
圖14 集成式電動汽車熱管理模型
在模型中，使用PID控制器改變冷卻液流速，使整個電池包的溫差保持在5K的目標(biāo)值以下，同時電池包冷卻液出口平均溫度接近目標(biāo)溫度（29℃），乘員艙平均溫度也接近目標(biāo)溫度（21℃）。然而從圖15可以看到，蒸發(fā)器出口處的空氣溫度接近0℃以下的值，在實際系統(tǒng)中，這可能導(dǎo)致蒸發(fā)器結(jié)霜降低其性能，并最終導(dǎo)致堵塞。隨后對壓縮機(jī)控制裝置進(jìn)行了調(diào)整，以將蒸發(fā)器出口空氣溫度調(diào)節(jié)至正值。
圖15 兩種工況下平均電池溫度、平均乘員艙溫度和平均蒸發(fā)器溫度
圖16 測試工況下模型內(nèi)各監(jiān)測點數(shù)據(jù)
根據(jù)圖16所示的數(shù)據(jù)可以看出，在低溫環(huán)境中行駛時，整車消耗的能量較多，因為電池包加熱器和乘員艙加熱器工作消耗了更多的電能。在測試工況的后半部分，由于電池包加熱器關(guān)閉，乘員艙加熱器耗電減少，請求的蓄電池功率降低。此外，隨著冷卻液和座艙溫度接近目標(biāo)值，壓縮機(jī)請求的轉(zhuǎn)速和功率也會降低。當(dāng)電池組入口和出口之間的溫差接近目標(biāo)值時，觀察到水泵也有相似的請求。此外可以注意到，由于電池包在低溫下工作時功耗較高從而產(chǎn)生更多的熱，電池包在低溫環(huán)境中的散熱率更高。
總結(jié)
在任何原型構(gòu)建和實驗測試之前，GT-SUITE為開發(fā)人員開發(fā)電動汽車熱管理控制策略提供了有效的幫助，對具有不同邊界條件的獨立模型中的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等不同組件進(jìn)行一維三維耦合分析，以使開發(fā)者對系統(tǒng)性能有足夠的信心?；陔姵氐碾娀瘜W(xué)特性和幾何細(xì)節(jié)，在GT-AutoLion中創(chuàng)建了一個電化學(xué)電池模型，該模型有助于預(yù)測電池的循環(huán)壽命和日歷壽命。使用GT-TAITherm進(jìn)行了協(xié)同仿真分析，以預(yù)測乘員艙內(nèi)部的溫度場。然后將這些獨立的零部件模型集成到不同的子系統(tǒng)模型中，最后將子系統(tǒng)模型組合在一起，以創(chuàng)建一個集成的電動汽車模型，最終利用該模型在不同的測試周期和環(huán)境條件下進(jìn)行仿真，不斷優(yōu)化電動汽車熱管理系統(tǒng)的策略。
來源文獻(xiàn)：
Shah, S., Vijay,D., and Lehocky, M., “Thermal Management of Electrified Vehicle by Means ofSystem Simulation,” SAE Technical Paper 2020-28-0033, 2020,doi:10.4271/2020-28-0033.
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