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新能源汽车一体化整车热管理新思路

发表日期:2020/7/28 10:51:04 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

车辆运行过程时,在化学能到机械能的能量转换与转移的整个过程中,会在相对封闭的车体内产生大量的热量。在多个重要部位会不可避免的引起热量累积与温升。如果车辆的冷却能力不足,会导致局部温升过高,继而引发动力中断、自毁自燃等严重后果。因此,车辆热管理系统与汽车关键部件的性能息息相关,是制约其向更高性能发展的主要瓶颈之一。其中,高能密度电机与动力电池的热管理问题尤为严重。近年来,随着新能源汽车的快速发展与新技术的出现,车载热管理系统正面临更为严峻的挑战。

首先,高能量密度,高能量转换效率,高集成潜力是电动汽车相比于燃油车的一个突出优势。近年来,各大车载驱动电机制造商、整机厂为了进一步提升产品的功率密度,一直在致力于促进产品的一体化、集约化,并相继推出了多款成熟的二合一、三合一甚至多合一产品(图1)。然而,电机集成化带来的能量密度的提升意味着机体散热边界区域的降低和损耗散热热阻的增加,其核心温升会进一步上升。因此,车辆动力链中高能部位的能量密度的提升同样需要热管理系统的同步升级。


图1  车用高速驱动电机的系统集成化发展

其次,为提升车辆续航能力,需要在有限的运载能力与空间限制下,继续提升电池包的功率密度。然而,功率密度的提升,也不可避免地伴随着安全性的下降。近期频繁发生的电动车安全事件(图2),使得消费者对新能源汽车安全性关注度越来越高。可以说,谁能率先消除热安全隐患,谁就能赢得消费者的信赖,赢得市场。这对车用电池安全技术和热管理技术提出了更高的要求,是电动汽车产业必须面对的痛点问题。此外,新能源汽车动力电池存在严重的老化与寿命问题,而电池热管理系统与电池老化、电池寿命息息相关,如图3所示。因此,优化热管理系统,可以为电池包的冲、放电提供健康的电化学反应温度和安全保障,是当下新能源汽车行业的热点与难点问题之一。



图2  新能源汽车安全问题日益凸显


图3  电池热管理与电池老化、寿命息息相关

除此以外,车辆热管理系统通过空调系统与乘客舒适度紧密相关,同样是消费者所关注的重要方面。

综上,提升新能源汽车的热管理能力,是缓解或解决许多关键行业问题之关键所在。



1  整车热管理现有问题与优化目标


当前主流新能源汽车整车热管理系统的现有问题和可优化空间主要分为软、硬件两部分(图4)。


图4  整车热管理系统基本构成

在硬件结构上,各关键部件冷却系统分立,体积大,结构复杂而冗余。其次,制热系统效率低下。

在软件的控制策略上,基于经验、规则的单一温度管理机制,缺乏精细化过程控制策略和一体化管理思路,系统能效比较低。

因此,新能源汽车的热管理系统面临巨大的挑战的同时,也存在很大的提升空间。

为缓解整车热管理系统的现有问题,需要首先明确优化目标。然而,车辆热管理问题存在多个并行独立的方面,本文将其总结为如下5个方面:

1)安全性目标:要求更为合理调配与控制,使得所有的关键部件温升具有较高的安全裕度。

2)动力性目标:要求提升综合温控能力和多情景应激能力,为动力需求提供强有力的保证。动力性基本由“三电”决定,而整车热管理是保障汽车“三电”系统性能的重要手段。在电机电控方面,合理控制温度,可以在允许电机在更高速、高功率运行的情况下防止磁钢退磁和绝缘击穿。在电池方面,可以允许电池更好地控制电池内部电化学参数、增强输出能力,在电控方面,可以显著增强散热,提高逆变器承载能力,并允许更高频电力电子元器件在车载电机驱动器中的应用。

3)续航能力目标:要求继续提升系统集成度,降低电驱动系统及其冷却部件的整体功耗以提升效率:优化空调能耗,提高效能系数,增强整车续航能力;优化电池工作温度区间,使得电池容量始终保持在较高水平。

4)舒适性目标:要求综合考虑环境变化与乘客需求,以最低能耗获取车厢舒适温度和诸多车内服务,如座椅加热、方向盘加热、车窗除雾、后视镜加热等。

5)耐久性目标:要求系统级优化温度平衡,降低电机绝缘损伤,延缓电池老化与容量衰退过程。研究指出,车用锂离子电池老化的电化学机理为SEI增长和锂沉积,如图5所示。


图5  锂离子电池老化的电化学机理

SEI膜电流密度:



锂沉积电流密度:



式(1)、式(2)中,jSEI 、jlpl 表示SEI膜和锂沉积的电流密度(A/m3),αc,SEI 、αc,lpl 分别表示SEI膜和锂沉积的传递系数(单位为1),φs 为固相电极的电势分布函数(V),φe 表示电解液电势分布函数(V),i0,lpl 为锂沉积反应交换电流密度(A/m2),Rfilm 为电池SEI产生的膜阻(Ω·m2),USEI 为电池处于平衡状态下的SEI平衡电势(V)。

而动力电池老化与其工作温度紧密相关,电机表面沉积层厚度增长速度其相关老化表征量与温度紧密相关(图6)。此外,高温造成的绝缘老化与材质在低温环境下的脆裂与腐蚀同样会对整车寿命产生重要影响。优化温度平衡,可以同时达到延缓电池老化与绝缘系统性能衰减进程的目的。


图6  温度对锂离子电池老化速率的影响

然而,需要注意的是,这5个综合性优化目标并非平行存在,而是具有显著的优先级关系,其中:

1)安全性目标为关键目标。

2)动力性与续航能力目标为次级目标,决定了产品的核心竞争力。

3)舒适性与耐久性目标为三级目标,对整车市场有重要影响。



2  构建一体化热管理新框架及策略


为应对新能源汽车高速发展所带来的诸多挑战和解决整车热管理系统的现有问题,本文基于国内外相关热分析与建模工作的进展,提出一体化整车热管理新框架及策略的构想(图7),以更充分地挖掘车辆系统热惯性潜力,进而实现多层次、广领域的优化目标。


图7  一体化整车热管理新框架

为实现上述目标,需要分别在在软件上完成分析、建模与量化工作,在硬件上促成一体化的结构设计。

2.1  精确化子系统控制导向热模型建立

对分立系统实现全面监测,精细化控制与合理分配,首先需要对电机、逆变器、电池、空调等关键子系统产热机理、冷却功耗等进行精确化建模。在建模过程中,需要依靠多种分析手段,确定主要影响参数的数值,建立方便用于实时控制的降阶解析模型。

2.2  关键部件热耦合影响量化分析

将孤立的系统连接与利用,形成统一调配与分析,需要对于关键部件的热耦合因素与影响进行分析与量化。其中,许多研究指出,电机、逆变器、电池及空调等发热部件由于布局位置、功率传递等原因相互耦合,导致子系统温升模型相互依赖度较高,需要通过精确化建模进行量化分析。



3  整车热管理潜力挖掘与热惯性利用


汽车热管理系统惯性较大,温度瞬态响应慢,“储热”较丰富,动态实时规划的空间和可操作性较强,是汽车在综合热管理方面具有的天然优势。如果可以充分利用该系统惯性,不仅可以在不影响舒适度的前提下减轻能耗,还能实现调温功率“平滑化”,帮助冷却系统工作在高能效比区间,从而提升冷却与加热系统的效率。



4  一体化框架下的软、硬件对接与统筹


在上述工作的基础上,最终将分散的冷却系统互联,构建出可统筹全局的整车热管理系统与控制层级策略。

将该一体化系统与精确的整车热管理模型结合,充分考虑子系统间热耦合效应,采用实时优化手段展开温度预测与规划,实现整车热管理核心目标(图8)。


图8  一体化整车热管理新框架下的软、硬件对接及综合优化策略



5  一体化实时整车热管理的潜力


整车热管理系统对新能源汽车的安全和效率等诸多方面的提升带来了巨大的潜力:

1)对子系统热耦合效应进行量化建模,极大提升关键部件温升模型可信度;

2)多端串联的冷却系统可以及时地针对瞬时出现的短板调集优势冷却资源进行优先保护;

3)利用对有限的冷却资源的合理调控,平衡系统温升,优化温升曲线,从而降低绝缘系统与电化学物质的老化速率;

4)利用模型实时运算与预测能力,实现温度规划,提升整车效率;

5)以最小的成本提升车内空间的温度舒适度。



6  子系统效率提升与精细化建模


使用一体化整车热管理并不意味着可以解决独立系统的不足。相反,由于子系统间的联系加强,单一部件的改进不仅对有利于局部性能的提升,还会通过系统耦合关系对周边各子系统产生显著影响。因此,在对整体控制优化的同时,还需要对子系统的热管理进行细化与提升。

此外,一体化框架下的控制需要获取各关键部位的可用于实时控制的高精度降阶解析模型。

对车用驱动电机而言,与整车热管理相关的子系统的优化主要体现在本体与冷却散热系统两部分。

在本体方面,首先需要利用多种分离手段,精确分析电机损耗及其分布。然后,通过整体与局部、瞬态与稳态对电机温升进行建模,这样不仅可以优化电机设计和控制策略,提升电机性能,还能为后续子系统的对接提供重要参考。需要注意的是,在电机建模中要格外关注真实行驶路况中的模型跟随准确性,如图9所示。


图9  电机本体设计与分析建模

在冷却系统方面,为适应大功率和高转速需求,需要提升电机换热能力。其中,冷却水套性能分析与结构优化最为关键。

同时,冷却效果随冷却水温呈现非线性变化,其在多工作状态下的性能量化,对于寻找最佳水温,提高整车调控能力具有重要意义。



7  逆变器


新能源汽车驱动逆变器热管理问题的核心是提升能量转换效率。

近年来,新材料取得快速发展,采用宽禁带半导体器件(SiC、GaN),可以显著降低逆变器开关损耗及导通损耗,抑制系统温升。其次,采用多电平拓扑或新型软开关拓扑,从系统层级上提升驱动逆变器整体效率。再次,改进PWM调制算法,减小1/3~1/2开关损耗,以极小的代价实现冷却系统需求降级。



8  车载空调热泵技术


采用热泵系统取代PTC暖风空调,可以缓解冬季采暖对新能源汽车续航里程的不利影响。其工作原理如图10所示。


图10  热泵工作原理



9  动力电池


动力电池产热机理较为复杂(公式(3)),需要建立精确电化学模型表征其产热行为。

公式如下:


式(3)中,ρ 表示密度(kg/m3),cP 表示比热容(J/(kg·K)),T 表示温度(K),λ 表示表面材料导热系数(W/(m·K)),qi 表示各种产热率(W/m3)。as 表示电极反应的比表面积(1/m),F 表示法拉第常数(96485C/mol),jj 表示锂离子的摩尔通量(mol/(m2·s)),ηj 表示过电势(V),φs 为固相电极的电势分布函数(V),σeff 表示固相多孔电极的有效电导率(S/m),φe 表示电解液电势分布函数(V),∂Uocp,j /∂T表示电动势温度系数(V/K),κeff 表示电解液的有效电导率(S/m),κD,eff 表示电解液的有效离子扩散电导率(S/m),ce 表示液相的锂离子浓度(mol/m3)。

继而针对其特殊的层状结构,建立电池温度场分布解析模型,从而制定相应热控策略进行管理(图11)。


图11  电池温升分析与建模

另一方面,为了实现电池温升状态的更佳匹配与控制,需要深入探究电池老化与电池温升的互耦关系。随着电池的循环老化,电池的内阻和容量损失加大,电池的充放电平均产热速率和总产热速率均增加,且热量从中间向两侧急剧扩散,易发生热失控,如图12所示。


图12  新旧电池发热至热失控

在整车中,还需要对电池包结构进行反复分析测试与优化,提升其散热能力和可控性。

低温状态下,动力电池容量大幅下降。为解决上述问题,近年来多种电池加热新技术涌现。其中,利用电池内部阻抗的交流自加热技术,可以有效提高加热速度及能效比动力电池低温预热,相较于传统放大可以降低50%甚至更多的能耗。



10  整车热管理系统控制导向建模


综上,整车热管理系统控制导向(control-oriented)建模基本思路建议如下:首先基于已有材料参数建立子系统FEM模型,然后深入分析损耗与热传导机理,建立解析模型,然后对模型进行深度降阶,并利用测试结果进行参数标定,最后,分析子系统间耦合特性,量化影响系数,连接子系统,形成完整的一体化整车可嵌入式多物理场耦合热模型,如图13所示。


图13  整车热管理系统控制导向建模



11  基于一体化整车热管理模型的预测控制与性能提升


在多场耦合热模型基础上,不仅可以结合车联网技术实现温升预测,还可以结合子系统独立优化进程,深化挖掘热管理效率提升潜力,从系统集成化角度进一步优化整车热管理系统。

结合新能源汽车智能化、网联化能力、开发进行,通过未来长时间尺度工况分析,可以根据整车热管理模型预测关键部件温度,对具有较大时滞特性的热管理系统进行状态超前感知、温度提前调控。其技术路线分别由图14和图15所示。


图14  基于整车热模型的温度状态超前感知


图15  基于热模型温度预测的热状态超前调控

在此基础上,可以将传统的分立式被动控制转换为主动控制,基于多目标优化温升曲线,提升综合性能(图16)。


图16  基于多目标的温升曲线优化



12  整车热管理一体化性能评估


针对整车热管理的多层级优化目标(安全性、动力性、续航能力、舒适性、耐久性),基于嵌入式整车热管理系统控制导向(control-oriented)解析模型预测结果,可以进行空间尺度与时间尺度上的双重优化。

然而,在一体化整车热管理框架下进行优化,需要基于系统性能评估来设置,如图17所示。


图17  基于多目标的一体化热管理性能评估



13  结束语


随着新能源汽车集成化技术的发展,热管理系统正面临诸多挑战,对冷却系统的要求也水涨船高。热管理系统与汽车的多方面关键性能(安全性、动力性、续航能力、舒适性、耐久性)息息相关,是制约其发展的重要瓶颈之一。

通过整车精准化建模与控制,可以充分挖掘系统热惯性潜力,构建一体化整车热管理新策略。驱动电机、逆变器、空调、动力电池等关键高能子部件的热管理是整车热管理能力提升的根基。

随着智能化、网联化的发展,预测控制将会为整车一体化热管理性能带来更大的提升潜力。多模式下的整车控制与热管理联合开发,可以显著提升系统耐受性,降低热失效的威胁。

为实现上述目标,新能源行业需要整车厂引导,多方合作,共同建设新型行业平台,消除消费者对热安全的恐惧。其间,建议高校、科研院所可以根据整车企业需求,帮助其建立整车规范化热管理系统框架和分层模型,研发整车热管理控制策略,制定规范化标准,并帮助其攻克关键环节的技术难题。同时,还可以帮助零部件厂商根据整车厂需求和技术指标,提供精确化、参数化、标准化的系统性参数或者模型,建立低成本、标准化的品控体系,并提升品控。




(本文选自《制冷与空调》2020年5月刊76-83页;作者:张希 董腾辉 朱翀 郭邦军 王东升;未经许可,不得转载)


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