文章來源：艾迪捷信息科技（上海）有限公司北京分公司

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前言

續航里程是純電動車面臨的主要挑戰之一。電動車的續航里程隨著環境溫度的變化會出現顯著的變化。尤其在夏季和冬季，由于駕駛艙以及電池的熱需求，續航里程會出現顯著的下降。在整車開發的早期階段、測試條件還不具備時，利用系統仿真工具進行整車水平的能量管理分析對于整車開發具有重要意義。工程師可以通過這樣的整車能量管理模型，以很低的成本，在開發早期就可以進行硬件的匹配和控制策略的標定，滿足續航、電池溫度、駕駛艙溫度等的設計要求。

整車能量管理仿真是一個典型的多物理集成仿真。針對電動車，其能量形式相對于其他新能源汽車較為簡單，它包含了化學能、電能、機械能以及內能之間的轉化和傳遞。電動車只有一個能量來源，即鋰電池的化學能。在放電過程中，鋰電池存儲的化學能轉化為電能，電能經過驅動電機轉化為機械能，機械能再經過傳動系統傳遞至車輪，進而推動車輛前進。在每一種能量的傳遞過程中以及不同能量形式的轉化過程中，都存在一定的能量消耗，如電池、電機以及一些機械部件的發熱等。除此之外，還有一些能量存儲在系統中，如儲存在運動部件中的動能、由于溫度變化而導致的內能的變化。

本文將基于一個詳細的電動車整車能量管理模型，分別在夏季（環境溫度30℃，駕駛艙溫度目標為21℃）和冬季（環境溫度-10℃,駕駛艙溫度目標為25℃），進行NEDC循環的能量流分析，并分析了一些關鍵部件和附件的能耗。

1整車模型介紹

GT-SUITE是一款世界領先的多物理系統仿真工具，在新能源汽車領域得到了廣泛地使用。本文首先基于GT-SUITE搭建該電動車的整車能量管理模型。如圖1所示，該整車系統的電池冷卻形式為水冷，共由5個流體回路組成：高低溫兩個冷卻回路、間接制冷劑回路、駕駛艙空氣回路、動力艙空氣回路。工作原理為：

1)控制系統通過環境溫度來判斷電池冷卻采用高溫（HT）回路還是低溫（LT）回路。如果環境溫度高于18℃，則電池冷卻采用LT回路，切斷HT回路與電池的聯系；反之，則采用HT回路，切斷LT回路與電池的聯系。

2)當電池冷卻處于LT回路時（如夏季），冷卻液不斷吸收來自駕駛艙、電池的熱量，再將熱量釋放給空調回路（蒸發器），從而實現給駕駛艙和電池降溫的目的。此時，在HT回路中，冷卻液吸收來自空調系統的冷凝器以及動力總成（電機、DCDC、逆變器）的熱量，通過前艙的散熱器釋放給外部環境。

3)當電池冷卻處于HT回路時（如冬季），HT回路采用小循環，冷卻液不流經散熱器。冷卻液吸收來自電池加熱器、動力總成以及熱泵循環冷凝器的熱量，從而給電池加熱。此時，LT回路充當了熱泵系統與環境之間的中介，熱泵系統從LT回路中吸收熱量，而LT回路通過一個換熱器從環境中吸收熱量。

4)當制冷劑回路工作在空調模式時（如夏季），制冷劑通過蒸發器，與LT回路換熱，而LT回路從駕駛艙（低溫熱源）中吸收熱量，即制冷劑通過LT回路間接地吸收駕駛艙熱量。而制冷劑通過冷凝器將從低溫熱源吸收的熱量轉移到高溫熱源，即HT回路。

5)當制冷劑回路工作在熱泵模式時（如冬季），制冷劑回路流動方向不變，制冷劑通過蒸發器從LT回路中吸熱，而LT回路通過一個換熱器從外部環境（低溫熱源）中吸收熱量，即蒸發器通過LT回路間接地吸收環境中的熱量。而制冷劑通過冷凝器將從低溫熱源吸收的熱量轉移到高溫熱源，即HT回路。

6)在駕駛艙回路中，夏季回風率為0.6，駕駛艙熱量通過駕駛艙回路中的蒸發器將熱量傳遞給LT回路；冬季回風率為0.4，駕駛艙通過一個電加熱器和一個換熱器（熱量來自HT回路）進行加熱。

該模型的熱源來自4個部件：電池、電機、逆變器、DC-DC。其中

1)電池采用三元鋰電池（3P100S），單體容量為41Ah，。電池模型為等效電路模型，內阻和電容參數均作為SOC，溫度和電流的Map。

2)電機為基于Map的模型，其額定功率為151KW，額定轉速5000rpm，最大轉速8800rpm。

3)逆變器的產熱功率為200W，DCDC的產熱功率為100W。

4)減速器的減速比為7.05，效率為0.95.

5)車重1615kg，額外負載180kg。

下圖為速度跟隨結果，模型能夠很好地跟隨目標車速。

2結果分析

2.1夏季能量流分析

能量流分析本質上是對各個熱力系統進行能量平衡分析。這里的關鍵是熱力系統的選擇。本文分別針對一個NEDC循環和十個NEDC循環進行能量流分析。由于兩者基本相同，故只列舉一例，如0所示。該分析的環境溫度為30℃，空調溫度目標設置為21℃。圖中的實線框表示一個熱力系統，虛線框表示進出該熱力系統的能量。實線框中的數值表示該熱力系統儲存能量的變化，正值表示該熱力系統的能量有所增加。

從圖中可以看出，夏季（打開空調）時，動力總成的效率為50.5%。從0中可以看出。壓縮機是電池能量效率的主要限制因素，消耗了23%的電能，故應避免將空調溫度調得過低。空調壓縮機之外的其他附件耗功都很小。電池本身的損耗（產熱）只占1%。

模型采用了最大能量回收策略，即只有當電機不能滿足制動需求時，才通過剎車片提供制動力。從0中可以看出，在這種策略下剎車片浪費的制動能量只占整個制動需求的9.6%，制動能量回收節約了13%的能量。另外，夏季時，兩個冷卻液回路中最大的熱源均來自駕駛艙的制冷需求。

2.2冬季能量流分析

0為冬季將空調溫度設置為25℃時的能量流分析。冬季時，制冷劑回路工作在熱泵模式。此時動力總成的效率僅為22.4%，制動能量回收節約了6%的能量，電池加熱器和暖風消耗了大量的電能。

從0可以看出，電池加熱器和駕駛艙暖風成為電池能量效率的主要限制因素，分別消耗了33%和23%的電能，其中電池加熱器的能耗甚至與驅動電機的能耗相當。另外，電池本身的損耗也有所增加，這是由于低溫時電池內阻的增加。

電池加熱器之所以耗功如此大，是因為當前的能量流分析針對的是一個NEDC周期，在冷啟動期間電池一直處于預熱狀態，如0所示，當電池溫度達到23℃時電池加熱器停止加熱。這意味著，冬季短途行駛時能量利用率會非常低，故一個高效的電池加熱對于冬季提高續航是非常關鍵的。

0為針對10個NEDC循環進行的能量流分析，結果與1個NEDC循環的結果大不相同。此時動力總成的效率達到50.4%，制動能量回收節約了13%的能量，駕駛艙電加熱器消耗了大量的電能，而電池加熱器耗功不再顯著。

從0可以看出，駕駛艙電加熱器成為電池能量效率的主要限制因素，消耗了16%電能，而電池加熱器的耗功消耗了7%的電能，這是由于冷啟動過后，電池加熱器不再工作了。

3總結

本文基于GT-SUITE，分別在夏季（30℃）和夏季（-10℃）針對一個EV整車能量管理模型進行了能量流分析，重點分析了夏季和冬季導致續航下降的原因。夏季時，動力總成的效率為50.5%，壓縮機是電池能量效率的主要限制因素，消耗了23%的電能。冬季時，當短途行駛時（如1個NEDC），動力總成的效率僅為22.4%，由于電池的冷啟動，導致電池加熱器消耗了近33%的電能，與驅動電機的能耗相當；當長途行駛時（如10個NEDC），電池在冷啟動后，不再工作，故動力總成的效率達到了50.4%，駕駛艙電加熱器成為最大的能耗附件，消耗了16%的電能。

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