摘  要

為了提高續(xù)航里程以及安全性和舒適性方面的目標(biāo)，熱管理在電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展中無(wú)論是在部件還是系統(tǒng)層面都變得越來(lái)越重要。與昂貴的測(cè)試相比，熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜性及其與整車(chē)的緊密相互作用的顯著增加正推動(dòng)系統(tǒng)模擬的發(fā)展趨勢(shì)。

系統(tǒng)及不同的子系統(tǒng)在不同程度上相互作用，熱管理系統(tǒng)仿真模型需要能夠模擬這樣的交互系統(tǒng)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電池組內(nèi)部的溫度分布對(duì)于避免熱失控等損壞情況是至關(guān)重要的。本文描述了GT-SUITE中冷卻板內(nèi)部的一維流動(dòng)與電池和冷卻板的三維熱分析相結(jié)合的綜合方法。

此外，一種新的預(yù)測(cè)電化學(xué)和熱電池模型以分析和優(yōu)化組件和系統(tǒng)，除了為冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供散熱值外，還可以選擇電池的化學(xué)和設(shè)計(jì)，并且考慮了不同的環(huán)境和操作研究的影響。

1.引言

由純電動(dòng)汽車(chē)(BEV)、混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)和燃料電池汽車(chē)(FCEV)組成的電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展加快，但與傳統(tǒng)汽車(chē)不同，電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展在經(jīng)濟(jì)性、行駛里程、舒適性和安全性方面都存在很多問(wèn)題。

最重要的問(wèn)題是能量存儲(chǔ)設(shè)備的熱管理，如電池。由于車(chē)輛不同子系統(tǒng)之間的復(fù)雜程度和相互作用程度不斷增加，必須在測(cè)試期間使用基于模型的模擬，以降低開(kāi)發(fā)成本和縮短交貨時(shí)間。

本文提出了一個(gè)集成的系統(tǒng)建模方法，以加快開(kāi)發(fā)周期，并在許多瞬態(tài)條件下測(cè)試系統(tǒng)。下一節(jié)將描述組件級(jí)建模，包括獨(dú)立電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、GT-AutoLion中的電化學(xué)電池建模和GT-TAITherm中的座艙建模。對(duì)這些獨(dú)立模型的結(jié)果也進(jìn)行了描述，最后這些獨(dú)立的模型集成到包括制冷劑、冷卻劑、艙室、引擎蓋和車(chē)輛系統(tǒng)的子系統(tǒng)模型中。然后將這些獨(dú)立的子系統(tǒng)組合在一起，創(chuàng)建一個(gè)集成的電動(dòng)汽車(chē)模型，以確定其在不同環(huán)境條件下的行駛周期性能。

2.組件模型

2.1 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型

整個(gè)電池組的溫度分布必須嚴(yán)格保持均勻，通常電池組各電池間的最大溫差在5 K以?xún)?nèi)。溫度分布不均勻，快速放電、過(guò)充電或環(huán)境過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致電池快速老化，縮短電池壽命。在極端情況下，當(dāng)熱量無(wú)法控制地積聚時(shí)，模塊或組件可能發(fā)生熱失控，導(dǎo)致災(zāi)難性的破壞，如火災(zāi)和爆炸。為了避免這種情況，BTMS設(shè)計(jì)必須確保均勻的溫度分布。

目前已經(jīng)提出了幾種不同的BTMS設(shè)計(jì)，并在電動(dòng)汽車(chē)中使用，包括空氣冷卻、液冷或制冷劑冷卻。使用不同的冷卻系統(tǒng)方法和設(shè)計(jì)在成本和交貨期方面都很昂貴。即使是詳細(xì)的3D CFD模擬，盡管它們確保了最高的預(yù)測(cè)精度，但在運(yùn)行時(shí)間方面也有限制。本研究描述了一種集成的方法來(lái)建模液冷電池組，其中冷卻板內(nèi)部的一維流動(dòng)與電池單體和冷卻板的三維熱分析相結(jié)合。這種方法被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)行業(yè)和航空航天行業(yè)。本研究中使用的BEV模型的電池組如圖1所示。


圖1 電池包和模塊，模塊內(nèi)的電池和冷卻板設(shè)置(20個(gè)電池，21個(gè)冷卻板)

在不同的冷卻劑質(zhì)量流量和進(jìn)口溫度下，整個(gè)電池組以及所有電池和冷卻板的詳細(xì)溫度分布如圖2和圖3所示。


圖2 電池溫度分布


圖3 電池包冷卻劑溫度

2.2 電池模型

在設(shè)計(jì)BTMS時(shí)，熱排斥率既可以指定為最壞工況下的穩(wěn)態(tài)值也可以是一個(gè)瞬態(tài)值。前者可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)度設(shè)計(jì)，因?yàn)樵谝粋€(gè)驅(qū)動(dòng)周期中，熱速率可能不會(huì)經(jīng)常達(dá)到那些高值，而后者需要對(duì)不同的測(cè)試條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，需要花費(fèi)很多的精力，這種方法也給BTMS或BMS的控制策略設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。因此，建立單個(gè)電池或電池組的數(shù)學(xué)模型是有益的，電池的數(shù)學(xué)建模一般采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃碗娀瘜W(xué)模型兩種方法，這兩者的區(qū)別主要在于計(jì)算費(fèi)用和可預(yù)見(jiàn)性。為了預(yù)測(cè)上述BTMS分析的產(chǎn)熱率，使用了電池的電等效模型。該模型基于內(nèi)阻和開(kāi)路電壓數(shù)據(jù)與荷電狀態(tài)和溫度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)。

2.2.1電池的電等效模型

該模型由一個(gè)開(kāi)路電壓源與一組電氣元件(如電阻和電容器)連接而成，以模擬電池的電學(xué)行為。電等效模型(EEM)由于計(jì)算效率高而被廣泛用于電池SoC評(píng)估。該技術(shù)根據(jù)電流輸入估計(jì)電池電壓，不同的電阻電容(RC)支路可以用來(lái)捕獲電池系統(tǒng)中固有的不同時(shí)間常數(shù)，如圖4所示。該模型計(jì)算速度很快，但僅對(duì)所測(cè)試的特定電池類(lèi)型和化學(xué)性質(zhì)以及在進(jìn)行測(cè)試的放電速率和溫度范圍內(nèi)可靠。


圖4 電池的電等效模型

2.2.2 電化學(xué)模型

雖然在設(shè)計(jì)BTMS和BMS時(shí)使用了EEM，但它對(duì)電池內(nèi)部的電化學(xué)過(guò)程提供了很少的見(jiàn)解。電化學(xué)模型采用偏微分方程(PDEs)來(lái)模擬電池的物理特性，可以用來(lái)計(jì)算電池內(nèi)部的電化學(xué)狀態(tài)，并提供關(guān)于鋰濃度和過(guò)電位的準(zhǔn)確信息。該方法采用連續(xù)介質(zhì)模型，考慮了電池內(nèi)部的化學(xué)動(dòng)力學(xué)和傳輸或擴(kuò)散現(xiàn)象，通常比EEM更準(zhǔn)確，但速度較慢，在這種方法中也有許多保真度，從單粒子模型一直到分子模型。然而，最流行的方法是 (P2D)電化學(xué)模型的鋰離子電池(鋰離子)，GT-AutoLion也使用了相同的方法。該模型可以捕捉鋰離子電池內(nèi)部發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)，并預(yù)測(cè)終端電壓，電流，功率，熱排斥，和整個(gè)電池的鋰量。

鋰離子電池通常用如圖5所示的排列方式來(lái)表示，P2D模型采用如圖5所示的有限控制體積方法離散鋰離子電池的控制方程。在P2D模型中，陰極、分離器和陽(yáng)極沿“厚度”方向離散。在陰極和分離器的每個(gè)有限控制體積中，都有一個(gè)活性物質(zhì)的球形表示，每個(gè)活性物質(zhì)在徑向上以恒定體積離散。


圖5 電池電化學(xué)模型

2.3 艙室模型

除電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)外，暖通空調(diào)系統(tǒng)是最大的電能消耗系統(tǒng)，在不影響人體熱舒適的前提下，減少壓縮機(jī)的功率消耗就變得至關(guān)重要，因此要集中精力在艙內(nèi)局部冷卻。為了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)艙室內(nèi)的溫度，使用三維CFD工具是最常用的方式。然而，這種準(zhǔn)確性是以巨大的運(yùn)行時(shí)間為代價(jià)的。為了優(yōu)化電動(dòng)汽車(chē)典型v型設(shè)計(jì)過(guò)程中的運(yùn)行時(shí)間，本文提出了GT-SUITE和TAIThermabin之間的聯(lián)合仿真方法。

GT-SUITE可以快速解決客艙內(nèi)流體域問(wèn)題，此計(jì)算需要熱壁邊界條件。TAITherm提供了快速解決三維結(jié)構(gòu)溫度的能力，包括三維傳導(dǎo)、對(duì)流和多重反彈輻射。為了求解，TAITherm需要對(duì)流邊界條件，GT-SUITE為T(mén)AITherm中的能量計(jì)算提供了這些對(duì)流邊界條件，如圖6所示。艙室和內(nèi)部的固體外邊界由TAITherm中的模型表示，而艙室內(nèi)部的流量由COOL3D中的模型表示。


圖6 GT-SUITE與TAITherm的數(shù)據(jù)交換

艙室的3D CAD幾何結(jié)構(gòu)被導(dǎo)入GT-SUITE的一個(gè)預(yù)處理器，即COOL3D，其中艙室體積被離散(或網(wǎng)格化)成幾個(gè)子體積，為排氣入口和出口創(chuàng)建邊界。在TAITherm中，機(jī)艙的不同表面，如門(mén)、擋風(fēng)玻璃、窗戶、屋頂、地板等都是網(wǎng)格的。并且定義不同的表面及材料。例如，屋頂外材料定義為鋼，中間層為空氣，內(nèi)層為泡沫。

在GT-ISE中，COOL3D模型和TAITherm模型都鏈接到上面所述的交換數(shù)據(jù)。創(chuàng)建的耦合模型可以作為一個(gè)獨(dú)立的客艙模型運(yùn)行，其中客艙進(jìn)口溫度(在排氣出口)和流量如圖7所示，或者它可以連接到一個(gè)空氣回路，通過(guò)蒸發(fā)器與制冷劑回路交換熱量。單機(jī)模型可以通過(guò)試驗(yàn)或三維CFD來(lái)驗(yàn)證座艙溫度分布。從圖8可以看出，GT-TAITherm和3D CFD的結(jié)果比較好。雖然GT-SUITE可以計(jì)算自己的流動(dòng)解，但在該模型中，將3DCFD工具中的流場(chǎng)施加到COOL3D中創(chuàng)建的網(wǎng)格上，然后使用GT-TAITherm求解溫度分布。


圖7 集成GT-SUITE和TAITherm的客艙模型


圖8 艙室內(nèi)溫度分布及與CFD結(jié)果的比較

GT-SUITE在包含不同子系統(tǒng)的模型中，根據(jù)期望的精度水平，提供了不同的座艙建模方法，對(duì)于只需要艙室平均溫度的系統(tǒng)，采用集總?cè)莘e法，將艙室近似為單個(gè)體積。在一個(gè)更詳細(xì)的方法中，客艙被離散為39個(gè)體塊，為客艙的不同區(qū)域提供溫度。這兩種方法利用了GT-SUITE環(huán)境中可用的模板，不需要任何其他工具，這些方法正被領(lǐng)先的原始設(shè)備制造商應(yīng)用于整個(gè)汽車(chē)行業(yè)。

3. 系統(tǒng)模型

幾個(gè)子系統(tǒng)同時(shí)工作，相互之間有不同級(jí)別的交互，有必要對(duì)這些相互作用進(jìn)行建模，以確保所有子系統(tǒng)以一致的、緊密耦合的方式共同工作，使電動(dòng)汽車(chē)在大范圍的負(fù)載和運(yùn)行條件下達(dá)到峰值性能和效率。因此，電池組的性能不能單獨(dú)開(kāi)發(fā)，而是要與所有其他電池組的屬性和特性匹配，然而，這樣的集成模型在分析和支持組件選擇時(shí)將會(huì)比較慢，而且比較復(fù)雜。這些子系統(tǒng)可以通過(guò)為其他子系統(tǒng)提供邊界條件來(lái)單獨(dú)建模。例如，在純電動(dòng)汽車(chē)中，通過(guò)冷水機(jī)的制冷劑和冷卻液回路之間有很強(qiáng)的耦合。如圖9所示，通過(guò)給出一個(gè)回路的流動(dòng)和溫度邊界條件，這兩個(gè)回路可以分別建模。制冷劑回路模型為蒸發(fā)器艙室空氣回路、冷水機(jī)組冷卻液回路和冷凝器引擎蓋下空氣回路提供邊界條件。


圖9 具有邊界條件的制冷循環(huán)

對(duì)這些子系統(tǒng)進(jìn)行集成，并在一個(gè)驅(qū)動(dòng)周期內(nèi)對(duì)模型進(jìn)行仿真。該模型可用于設(shè)計(jì)和測(cè)試控制策略，以控制某些組件的運(yùn)行。例如，三通閥根據(jù)冷卻液的溫度通過(guò)低溫散熱器(LTR)或冷水機(jī)控制冷卻液的流量，該集成模型有助于找到一個(gè)合適的溫度阻斷值，以控制冷水機(jī)和LTR之間的流量切換，并對(duì)泵和壓縮機(jī)運(yùn)行的控制策略進(jìn)行測(cè)試。使用PID控制器改變泵速，以保持整個(gè)電池組的溫差低于5K。最初，壓縮機(jī)速度的變化使目標(biāo)冷卻劑溫度在電池出口(29℃)和平均座艙溫度(21℃)。給壓縮機(jī)PID控制器一個(gè)預(yù)定義的權(quán)重，以針對(duì)冷卻劑或平均艙室溫度。但是可以看到，蒸發(fā)器出口的空氣溫度接近于0℃以下的值，而客艙和電池冷卻液出口溫度的目標(biāo)值已經(jīng)達(dá)到。在實(shí)際系統(tǒng)中，這可能導(dǎo)致蒸發(fā)器上結(jié)霜，最終降低其性能，最終導(dǎo)致堵塞。壓縮機(jī)控制在之后進(jìn)行修正，以限制蒸發(fā)器出口空氣溫度為正值。

在集成模型中，所有組件的功率需求都來(lái)自電池。根據(jù)電池在驅(qū)動(dòng)周期中所要求的功率，將電池的解熱排斥作用施加到冷卻板上，如前面關(guān)于BTMS的章節(jié)所述。電機(jī)模型使用性能圖，如效率圖與轉(zhuǎn)速和扭矩要求。電機(jī)要求的RPM和扭矩由車(chē)輛模型定義，該車(chē)輛模型考慮了車(chē)輛速度(基于驅(qū)動(dòng)周期)、車(chē)輛質(zhì)量、空氣動(dòng)力系數(shù)、輪胎滾動(dòng)阻力和傳動(dòng)比。電機(jī)的熱部分是由各部件之間相互導(dǎo)電連接(如永磁體與轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、繞組與定子結(jié)構(gòu)等)以及與流經(jīng)冷卻液夾套的冷卻液和困住的空氣之間的對(duì)流連接組成的三維有限元網(wǎng)格。該車(chē)型在不同的駕駛周期和環(huán)境條件下進(jìn)行了幾次測(cè)試。在本文中僅給出40℃溫度和40%相對(duì)濕度(熱)和0℃和40% RH(冷)，對(duì)于熱工況，客艙在60℃，冷工況下為0℃，假設(shè)電池在冷熱環(huán)境中分別維持在5℃和35℃。結(jié)合圖10所示的綜合模型，結(jié)果如圖11、12、13所示。


圖10 結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)熱管理模型


圖11駕駛循環(huán)在冷熱環(huán)境條件下所需的功率和電池SoC


圖12 電池在冷熱環(huán)境下的散熱


圖13 電池平均溫度、機(jī)艙平均溫度和蒸發(fā)器出風(fēng)口溫度

在寒冷的環(huán)境中，電池組所需的總功率較高，因?yàn)殡姵丶訜崞骱妥摷訜崞飨牧祟~外的功率。在IDC的后半部分，由于電池加熱器關(guān)閉，客艙加熱器消耗的功率更少，冷情況下所需的電池功率減少。此外，壓縮機(jī)所需的RPM和功率隨著冷卻劑和艙室溫度接近目標(biāo)值而降低。當(dāng)電池組進(jìn)口和出口之間的溫差接近目標(biāo)值時(shí)，泵也會(huì)有類(lèi)似的行為。此外，電池在較冷環(huán)境下的散熱率較高，這是由于電池在較低溫度下的功耗和歐姆電阻較高。

4.總結(jié)

GT-SUITE是一種基于模型的系統(tǒng)工程工具，為開(kāi)發(fā)純電動(dòng)汽車(chē)熱管理控制策略提供了一種有效的方法。對(duì)電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)和電機(jī)冷卻系統(tǒng)等不同部件進(jìn)行了三維&一維集成部件級(jí)分析，以獲得在適當(dāng)邊界條件下的獨(dú)立模型中這些部件的性能。在GT-AutoLion中建立了電化學(xué)電池模型，這個(gè)模型有助于預(yù)測(cè)電池組的周期和時(shí)間老化。采用GT-TAITherm聯(lián)合仿真技術(shù)對(duì)艙室內(nèi)三維速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析，此模型可以在任何負(fù)載剖面和現(xiàn)實(shí)的外部邊界條件下處理電池冷卻和座艙調(diào)節(jié)。這種方式提供了一種有效的方法來(lái)建模物理系統(tǒng)和處理早期開(kāi)發(fā)階段的設(shè)計(jì)選擇，然后，這些獨(dú)立的組件模型被集成到不同的子系統(tǒng)模型中，如制冷劑系統(tǒng)、冷卻劑系統(tǒng)和艙室空氣循環(huán)，為其他組件提供邊界條件。在此基礎(chǔ)上，將各子系統(tǒng)模型進(jìn)行組合，建立集成的電動(dòng)汽車(chē)模型，并在不同的測(cè)試周期和環(huán)境條件下進(jìn)行仿真。


文章來(lái)源：Shah, S., Vijay, D., and Lehocky, M., "Thermal Management of Electrified Vehicle by Means of System Simulation," SAE Technical Paper 2020-28-0033, 2020, https://doi.org/10.4271/2020-28-0033

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