摘    要   

隨著電動汽車的普及，續(xù)航里程成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。由于在高溫下使用空調(diào)和在低溫下使用暖氣，以及動力電池在不同溫度下的供電能力，對續(xù)航里程的焦慮在冬季和夏季尤為明顯。同時，還需要考慮熱管理組件的能耗以及熱管理對其他組件效率的影響。本文通過仿真研究了具有成本低、速度快等特點(diǎn)的高低溫續(xù)駛里程。對于文章中模擬的車輛，在25°C時的行駛里程為240公里，在-30°C時降至34%（81.9公里），在40°C時降低至73%（176公里）。本文對電動汽車的續(xù)航里程進(jìn)行了仿真建模和分析。該仿真模型包括空調(diào)系統(tǒng)及其乘員艙、動力電池系統(tǒng)及其冷卻系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)及其冷卻、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。本文為研究電動汽車在高低溫下的性能提供了一種仿真方法和研究方法，為通過控制和零件優(yōu)化來提高續(xù)航里程提供了理論依據(jù)和實(shí)現(xiàn)形式。

01  簡    介 

2017年，中國汽車技術(shù)研究中心發(fā)布了電動汽車測試管理評價，電動汽車測試對電動汽車在高低溫下的續(xù)航里程提出了要求。這一事件引起了消費(fèi)者和科研機(jī)構(gòu)對電動汽車在高低溫下性能的關(guān)注。根據(jù)中國消費(fèi)者對新能源汽車的購買意愿和擔(dān)憂調(diào)查，76%的消費(fèi)者仍然最擔(dān)心的是續(xù)航里程。高溫和低溫下的續(xù)航里程也是消費(fèi)者潛在的擔(dān)憂。

目前，對高低溫續(xù)駛里程的研究還沒有引起制造商的足夠重視。該研究涉及廣泛的專業(yè)、復(fù)雜的人員以及不同公司和不同職位之間的合作。因此，本研究需要更科學(xué)的研究方法和更準(zhǔn)確的評價。

   02  車輛行駛里程模型   

為了模擬電動汽車在高溫和低溫下的行駛里程，需要構(gòu)建驅(qū)動系統(tǒng)、電機(jī)及其熱管理系統(tǒng)、電池及其冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)和供暖系統(tǒng)、能量傳輸系統(tǒng)、車輛熱管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。與能量損失相關(guān)的每個組件都需要考慮不同溫度對其效率的影響。例如，不同溫度下電池的充放電效率、不同溫度下電機(jī)的效率等。本文基于GT-suite軟件對上述問題進(jìn)行了仿真建模。

車輛信息

本文涉及的車輛信息如表1所示，實(shí)車如圖1所示。

表1 車輛信息

圖1 實(shí)車照片

能量流車輛的能量來源是動力電池。動力電池的一部分驅(qū)動高壓電器，其他能量通過DC-DC驅(qū)動低壓電器。

高壓電器包括：壓縮機(jī)、電池加熱器、機(jī)艙加熱器和電機(jī)。低壓電器包括：電池冷卻水泵、電機(jī)冷卻水泵、機(jī)艙風(fēng)扇、前風(fēng)扇和其他電器。如圖2所示。

熱管理系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)為電池和電機(jī)提供冷卻或加熱，以確保它們在合理的溫度范圍內(nèi)工作。如圖3所示。

圖2 能量流

圖3 熱管理系統(tǒng)

圖4顯示了控制系統(tǒng)的基本原理?？刂葡到y(tǒng)的主要目的是控制車輛中部件的溫度。鑒于車輛控制器的計算能力，大部分采用查表控制模式。

例如，電池溫度控制，通過檢測電池組的溫度狀態(tài)，控制泵的流量以及是否使用空調(diào)對電池進(jìn)行冷卻。如圖5所示。

圖4 控制系統(tǒng)

圖5 電池溫度控制

仿真模型

將上述能量流系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)建成相應(yīng)的模型進(jìn)行仿真分析。如圖6所示，該模型包含：

?驅(qū)動系統(tǒng)，包括電機(jī)、電池、車身、車輪、油門控制邏輯、制動能量回收邏輯。

?電機(jī)及其冷卻，包括電機(jī)加熱型號、電機(jī)冷卻泵、電機(jī)控制器、直流-直流加熱型號、散熱器。

?電池及其冷卻，包括電池加熱模型、電池冷卻泵、輸送閥、散熱器。

?空調(diào)，包括壓縮機(jī)、冷卻器、蒸發(fā)器、冷凝器等

仿真條件本文研究了三種仿真條件，即低溫條件、高溫條件和常溫條件，如表所示，NEDC的驅(qū)動周期如圖7所示。在不同的溫度下，空調(diào)運(yùn)行將切換到自動模式，溫度設(shè)置為25°C。

圖6 仿真模型

圖7 NEDC驅(qū)動循環(huán)

表2 仿真條件

03  仿真結(jié)果 

運(yùn)行上面的模型，得到每個組件的溫度、控制和能量損失。分析能量流、主要部件的溫度、行駛里程、平均功耗等。

行駛里程

如圖8所示，25°C時的行駛里程為240公里，-30°C時降至34%（81.9公里），40°C時降低至73%（176公里）。溫度對行駛里程產(chǎn)生了顯著影響。溫度對續(xù)航里程的影響不僅受溫度的影響，還受電池功率、常溫續(xù)航里程、車輛重量和控制策略的影響。本文只討論了溫度的影響。

圖8 行駛里程

組件功耗

由于不同溫度的影響，各部件的能耗比并不相同。在高溫下，電機(jī)能耗最高，其次是壓縮機(jī)。在低溫下，加熱器（包括電池加熱器和座艙加熱器）消耗了大部分能量，其中不到30%用于驅(qū)動車輪。在25°C下，大部分能源用于汽車，少量能源用于汽車其他低壓電器，如圖9和圖10所示。

從圖中還可以看出，在不同溫度下，電機(jī)和DC-DC的能耗差異不大，而熱管理系統(tǒng)的能耗差異很大。因此，降低熱管理系統(tǒng)的能耗是提高高低溫行駛里程的重要方法。

圖9 能耗對比

圖10 不同情況下的組件功耗

溫度分析

圖11顯示，通過熱管理系統(tǒng)，電池溫度可以保持在15°C到35°C之間。它可以滿足電池的冷卻要求，并確保電池壽命。

圖11 電池溫度

圖12顯示，空調(diào)系統(tǒng)可以使客艙溫度在低溫和室溫下保持在25°C至30°C之間，有望降低體溫，基本可以滿足制冷要求。在-30°C的加熱條件下，客艙加熱器功率不足，導(dǎo)致客艙溫度不能超過20°C，加熱系統(tǒng)滿足極低溫加熱的要求。

圖12 座艙溫度

圖13顯示了電機(jī)冷卻系統(tǒng)可以滿足電機(jī)在所有溫度下的冷卻要求。

圖13 電機(jī)溫度

04  結(jié)    論 

通過該仿真研究，可以獲得車輛在高低溫下的續(xù)航里程性能，為熱設(shè)計提供理論支持和研究手段。

1.25°C時的行駛里程為240公里，-30°C時降至34%（81.9公里），40°C時降低至73%（176公里）。這表明，降低低溫續(xù)航里程將成為寒冷地區(qū)購買電動汽車的重要考慮因素。這也是對車輛熱性能的全面測試。

2.具有加熱功能的電池系統(tǒng)在不同溫度下的放電容量幾乎沒有差異。電機(jī)和其他電器的能耗沒有顯著差異，因此研究的重點(diǎn)應(yīng)該是提高高低溫的驅(qū)動范圍，應(yīng)該是提高供暖系統(tǒng)的效率，例如通過熱泵系統(tǒng)提高供暖效率，以減少供暖的能量損失。

3.通過模擬，可以快速模擬車輛的不同溫度條件。仿真對提高部件性能、控制系統(tǒng)策略和改進(jìn)熱管理回路具有重要意義。

文獻(xiàn)來源:

Yu, J., Nie, Y., MingJun, D., Xie, N. et al., “Simulation Study on Driving Range at High and Low Temperature,” SAE Technical Paper 2019-01-5071, 2019, doi:10.4271/2019-01-5071.