1. 背景

電動(dòng)車(chē)能量管理是提高電動(dòng)車(chē)整體效率、增加續(xù)駛里程的關(guān)鍵技術(shù)。此外，在實(shí)采路譜條件下電動(dòng)車(chē)能量管理還可以對(duì)三電系統(tǒng)的工作條件進(jìn)行詳細(xì)分析和優(yōu)化，保障三電系統(tǒng)安全運(yùn)行，避免其長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在危險(xiǎn)條件下，有效延長(zhǎng)其使用壽命。電動(dòng)車(chē)能量管理技術(shù)涉及動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、三電熱管理系統(tǒng)、HVAC以及能量管理控制策略等多個(gè)領(lǐng)域。隨著人們對(duì)車(chē)輛性能，能耗以及舒適性要求的日益提高，車(chē)輛系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及動(dòng)力總成架構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)變量也呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，在項(xiàng)目早期通過(guò)虛擬仿真技術(shù)搭建整車(chē)能量管理模型，在虛擬開(kāi)發(fā)階段對(duì)不同部件進(jìn)行合理匹配，對(duì)不同控制策略進(jìn)行仿真優(yōu)化，可以顯著降低開(kāi)發(fā)成本和周期，提高開(kāi)發(fā)質(zhì)量。

2. AVL仿真解決方案

2.1基于CRUISE M的電動(dòng)車(chē)能量管理建模與仿真

CRUISE M是一款車(chē)輛多學(xué)科的系統(tǒng)級(jí)仿真工具，CRUISE M仿真平臺(tái)專門(mén)設(shè)計(jì)用于車(chē)輛多物理系統(tǒng)的仿真，和高度靈活、多層次的建模方法相結(jié)合，同時(shí)集成了第三方工具的標(biāo)準(zhǔn)接口FMI，可以無(wú)縫的將發(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)、尾氣凈化裝置系統(tǒng)、新能源電氣化系統(tǒng)、冷卻和潤(rùn)滑系統(tǒng)、車(chē)輛傳動(dòng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)集成到統(tǒng)一的仿真平臺(tái)上。

基于CRUISE M可以搭建詳細(xì)的整車(chē)能量管理模型。對(duì)于電動(dòng)車(chē)型，搭建相應(yīng)的熱管理系統(tǒng)、電機(jī)及功率元件模塊、電池系統(tǒng)、HVAC系統(tǒng)、車(chē)輛和動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)模型，針對(duì)不同的環(huán)境條件及駕駛循環(huán)，研究熱管理系統(tǒng)工作性能，整車(chē)能量流分布，控制策略優(yōu)化等內(nèi)容。其相關(guān)功能和特點(diǎn)包括：

• 包含全部耦合子系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)仿真，考慮所有子系統(tǒng)間的相互作用；
• 可研究動(dòng)態(tài)過(guò)程中電池、電機(jī)響應(yīng)特性對(duì)整車(chē)性能的影響；
• 能進(jìn)行車(chē)輛能量管理系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)、參數(shù)匹配與優(yōu)化；
• 支持進(jìn)行車(chē)輛系統(tǒng)工作模式優(yōu)化及控制策略開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵部件高效的加熱和冷卻；
• 乘客艙舒適性分析：制冷、采暖能量分析
• 通過(guò)建立電池、電機(jī)和對(duì)應(yīng)的熱管理系統(tǒng)，對(duì)電池和電機(jī)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況下的能量流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行模擬，計(jì)算出到整個(gè)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和能量分配情況，以及冷卻系統(tǒng)各回路的流量和各部件的溫度、散熱量等。
• 防止系統(tǒng)中關(guān)鍵部件出現(xiàn)熱損壞，減少熱量損失和部件耗功，高效利用和再利用熱能，提高系統(tǒng)效率，增加續(xù)駛里程，并預(yù)測(cè)各種冷卻系統(tǒng)改進(jìn)措施對(duì)經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的貢獻(xiàn)，為智能熱管理控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

圖1 基于CRUISE M的整車(chē)能量管理仿真原理圖

2.2 基于Model.CONNECT的電動(dòng)車(chē)能量管理建模與仿真

整車(chē)能量管理仿真涉及系統(tǒng)學(xué)科眾多，受制于傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式和部門(mén)分工影響，不同系統(tǒng)由不同的部門(mén)負(fù)責(zé)，由于歷史原因可能導(dǎo)致不同部門(mén)使用不同的仿真軟件。在進(jìn)行整車(chē)能量管理仿真過(guò)程中，若能夠?qū)⑦@些模型直接集成起來(lái)進(jìn)行仿真不但可以保護(hù)各個(gè)部門(mén)的核心數(shù)據(jù)，也可以大大地減小重復(fù)的建模工作量。AVL集成和開(kāi)放的開(kāi)發(fā)平臺(tái)Model.CONNECT為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)提供了可靠的技術(shù)手段。

Model.CONNECT可以將使用不同的軟件工具生成的子系統(tǒng)或者部件模型集成起來(lái)，組成系統(tǒng)級(jí)仿真模型并執(zhí)行相關(guān)的仿真計(jì)算以及優(yōu)化任務(wù)。使用這個(gè)工具，用戶可以快速構(gòu)建系統(tǒng)級(jí)模型，而無(wú)需像傳統(tǒng)解決方法必須依賴大量的軟件供應(yīng)商提供的開(kāi)發(fā)軟件定制接口進(jìn)行模型的聯(lián)合仿真。用戶可以根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和分析目標(biāo)的需求在不同的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段互換相關(guān)聯(lián)的模型，組成自己所關(guān)心的系統(tǒng)級(jí)仿真模型。

圖2 Model.CONNECT 模型及常見(jiàn)支持軟件

Model.CONNECT支持30多款汽車(chē)行業(yè)常用軟件，包括CRUISE,CRUISE M, AVL BOOST, AEMSim, GT-SUITE, KULI, Flowmaster, Dymola, MATLAB等。為應(yīng)對(duì)聯(lián)合仿真可能導(dǎo)致的計(jì)算速度較慢問(wèn)題，Model.CONNECT支持分布式聯(lián)合仿真、HPC及云計(jì)算，有效提高聯(lián)合仿真速度。另外，車(chē)輛能量管理涉及多領(lǐng)域多學(xué)科模型耦合，不可避免產(chǎn)生耦合誤差，Model.CONNECT專利技術(shù)誤差補(bǔ)償算法NEPCE(Near EnergyPreserving Coupling Element) 結(jié)合多種技術(shù)用以補(bǔ)償和消除協(xié)同仿真誤差，并確保最大的仿真精度。圖3顯示了采用耦合補(bǔ)償算法后，車(chē)輛百公里車(chē)速條件下剎車(chē)距離的模擬，可以看到采用補(bǔ)償算法能夠精準(zhǔn)避免由于耦合誤差導(dǎo)致的1.9m剎車(chē)距離的誤差。

圖3 百公里車(chē)速下剎車(chē)距離的模擬

Model.CONNECT 作為聯(lián)合仿真平臺(tái)，實(shí)踐證明能夠有效的將整車(chē)能量管理各個(gè)子系統(tǒng)模型無(wú)縫聯(lián)合起來(lái)，組成系統(tǒng)級(jí)仿真環(huán)境，并執(zhí)行能量管理相關(guān)的仿真計(jì)算以及任務(wù)優(yōu)化。

3. 案例分析

3.1基于CRUISE M的電動(dòng)車(chē)能量管理仿真實(shí)例

基于CRUISE M搭建電動(dòng)車(chē)能量管理模型如圖4所示，包括整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)冷卻系統(tǒng)、空調(diào)制冷及采暖系統(tǒng)和電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)。在這個(gè)案例中，為了模擬較大的整車(chē)負(fù)載，駕駛循環(huán)定義為兩組US06循環(huán)。

圖4 基于CRUISE M搭建電動(dòng)車(chē)能量管理模型圖

電機(jī)冷卻系統(tǒng)如圖5所示，考慮了對(duì)充電機(jī)、電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的冷卻，冷卻方式包含：小循環(huán)冷卻、電機(jī)余熱回收用于電池加熱模式以及電機(jī)散熱器模式。

圖5 電機(jī)冷卻系統(tǒng)模型圖

空調(diào)與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型如圖6所示。在常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)回路基礎(chǔ)上，并聯(lián)了一路Chiller支路用于電池包冷卻。電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)包含了冷卻和加熱兩種方式，電池包冷卻通過(guò)電池冷卻液與Chiller換熱實(shí)現(xiàn)，電池包加熱通過(guò)電機(jī)余熱回收和PTC加熱實(shí)現(xiàn)。

圖6 空調(diào)與電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型圖

根據(jù)以上模型，可以對(duì)電動(dòng)車(chē)輛的熱管理性能及續(xù)駛里程等結(jié)果進(jìn)行分析。

圖7展示了38℃環(huán)境下車(chē)速，電機(jī)進(jìn)、出水溫，電池進(jìn)出水溫隨時(shí)間的變化。車(chē)速變化導(dǎo)致電機(jī)需求功率以及電機(jī)散熱器的風(fēng)量變化，模型可以計(jì)算出電機(jī)冷卻水溫，從圖中可以看到部分區(qū)域電機(jī)冷卻水溫超過(guò)80℃，可能會(huì)引起電機(jī)的功率保護(hù)，相應(yīng)地需要對(duì)電機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。另外，模型中定義了Chiller的工作區(qū)間為水溫超過(guò)50℃開(kāi)始工作，水溫低于30℃停止工作。從仿真結(jié)果可以看到，由于電池冷卻系統(tǒng)只有Chiller一種冷卻形式，開(kāi)始階段進(jìn)出水溫均逐漸升高，一旦水溫到達(dá)50℃，Chiller開(kāi)始工作，水溫迅速下降，當(dāng)水溫低于30℃以后，Chiller停止工作，水溫又開(kāi)始繼續(xù)逐漸上升。在本案例中，兩組US06循環(huán)下，Chiller工作兩次。

圖7 車(chē)速，電機(jī)進(jìn)、出水溫（左），電池進(jìn)、出水溫（右）隨時(shí)間的變化

由于Chiller支路的工作會(huì)影響蒸發(fā)器支路冷媒的流量，因此必然會(huì)對(duì)乘客艙降溫性能產(chǎn)生影響。圖8左展示了該工況下電池冷卻液溫度和乘客艙平均溫度隨時(shí)間的變化。可以看到當(dāng)冷卻液溫度到達(dá)50℃后，Chiller開(kāi)始工作，此時(shí)乘客艙的溫度會(huì)明顯上升，當(dāng)冷卻液溫度到達(dá)30℃以后，Chiller停止工作，此時(shí)乘客艙平均溫度又會(huì)迅速下降。從這里可以看到，由于電池包的熱管理與空調(diào)系統(tǒng)的相互耦合，導(dǎo)致系統(tǒng)之間聯(lián)系更加緊密。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制策略開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要明確各個(gè)系統(tǒng)的需求和相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)，對(duì)各項(xiàng)性能進(jìn)行平衡。圖8右展示了38℃環(huán)境下制冷空調(diào)開(kāi)閉對(duì)電池SOC的影響。可以看到空調(diào)開(kāi)啟狀態(tài)下電池SOC下降更快。折算成US06循環(huán)的續(xù)駛里程，空調(diào)關(guān)閉狀態(tài)下為303km，空調(diào)開(kāi)啟狀態(tài)下為249km，空調(diào)開(kāi)啟使續(xù)駛里程下降了18%。通過(guò)整車(chē)能量管理模型，可以對(duì)整車(chē)能量流進(jìn)行分析，研究各個(gè)子系統(tǒng)功耗，在此基礎(chǔ)上對(duì)子系統(tǒng)或者不同的熱管理控制策略進(jìn)行仿真優(yōu)化，提升電動(dòng)車(chē)的續(xù)駛里程。

圖8 電池冷卻液溫度、乘客艙平均溫度隨時(shí)間變化（左），制冷空調(diào)開(kāi)閉對(duì)電池SOC的影響（右）

3.2 基于Model.CONNECT的電動(dòng)車(chē)能量管理仿真實(shí)例

在進(jìn)行整車(chē)能量管理仿真過(guò)程中，為了充分利用不同部門(mén)所搭建的子系統(tǒng)模型，可以通過(guò)ModelCONNECT將不同軟件所搭建的模型集成在一起，考慮不同子系統(tǒng)之間的相互作用對(duì)整車(chē)能量分配策略進(jìn)行優(yōu)化。圖9為基于Model CONNECT所搭建的電動(dòng)車(chē)能量管理系統(tǒng)模型，其中動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)基于AVL CRUISE軟件搭建，其他系統(tǒng)均基于AVL CRUISE M所搭建。對(duì)于廣大用戶來(lái)講，完全可以基于公司各部門(mén)的實(shí)際情況集成諸如GT-Suite，Kuli，F(xiàn)lowmaster，Matlab，AMESim等所搭建的熱管理子系統(tǒng)模型及控制策略。近年來(lái)，我們也成功支持不同的用戶開(kāi)展過(guò)類(lèi)似的工作。

圖9 基于Model.CONNECT搭建電動(dòng)車(chē)能量管理模型圖

在該模型中，整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)接收熱管理其他子系統(tǒng)計(jì)算得到的電池、電機(jī)、逆變器溫度和附件功耗，同時(shí)作為熱管理系統(tǒng)的熱源。電池冷卻系統(tǒng)通過(guò)三通閥控制Chiller支路和小循環(huán)回路冷卻液流量。當(dāng)電池溫度過(guò)低時(shí)，通過(guò)PTC加熱裝置使電池快速預(yù)熱，同時(shí)用戶也可以選擇使用電機(jī)余熱回收裝置加熱電池。客艙空調(diào)系統(tǒng)一方面監(jiān)控電池溫度，對(duì)Chiller制冷劑回路的流量進(jìn)行控制，另一方面將客艙溫度控制在目標(biāo)值范圍內(nèi)。不同系統(tǒng)之間的相互關(guān)系和各子系統(tǒng)控制策略如圖10所示。

圖10 電動(dòng)車(chē)能量管理仿真原理圖

基于該模型，可以進(jìn)行不同季節(jié)環(huán)境下車(chē)輛性能仿真。圖11為仿真得到的WLTC循環(huán)過(guò)程中不同季節(jié)電池、電機(jī)和逆變器溫度變化情況（紅色為春季，藍(lán)色為夏季，綠色為冬季）。可以看到，基于當(dāng)前冷卻系統(tǒng)架構(gòu)和運(yùn)行策略，可以實(shí)現(xiàn)冬季電池快速預(yù)熱，在夏季將電池溫度控制在合理范圍內(nèi)。從對(duì)比結(jié)果上看冬季W(wǎng)LTC循環(huán)后期電池溫度高于春季工況，主要原因在于冬季客艙需要通過(guò)PTC加熱裝置加熱，電池放電功率較大，對(duì)應(yīng)的電池發(fā)熱量大于春季工況。

圖11 WLTC循環(huán)過(guò)程中不同季節(jié)電池、電機(jī)和逆變器溫度變化情況

基于所搭建的VEMS系統(tǒng)模型可以進(jìn)行熱管理系統(tǒng)中關(guān)鍵部件選型匹配、控制策略優(yōu)化及不同熱管理技術(shù)對(duì)整車(chē)能耗影響的研究。圖12為冬季W(wǎng)LTC循環(huán)工況下是否加入余熱回收支路對(duì)電機(jī)和電池溫度的影響，以及對(duì)電池總能耗的影響（虛線為考慮電機(jī)余熱回收結(jié)果，實(shí)線不考慮余熱回收結(jié)果）。在該模型中電機(jī)余熱回收支路在電池溫度小于20℃開(kāi)啟，當(dāng)電池溫度超過(guò)20℃以后，開(kāi)啟電機(jī)大循環(huán)散熱，大循環(huán)支路開(kāi)啟后電機(jī)溫度急劇下降。從圖中可以看到電機(jī)余熱回收加入后可以使電池更快預(yù)熱，最終使冷啟動(dòng)過(guò)程中電池耗電量減少2.2%，但同時(shí)由于電機(jī)大循環(huán)回路開(kāi)啟時(shí)間延遲導(dǎo)致電機(jī)溫度升高。

圖12 余熱回收系統(tǒng)對(duì)電池電機(jī)溫度及電池總能耗的影響

4.  結(jié)論

針對(duì)電動(dòng)車(chē)能量管理仿真，AVL提供了基于系統(tǒng)級(jí)仿真軟件CRUISEM的解決方案，其主要優(yōu)點(diǎn)是建模簡(jiǎn)單，功能模塊全面，在一款軟件上即可完成整車(chē)能量管理的仿真，可以完成整車(chē)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，電池電機(jī)熱管理系統(tǒng)以及HVAC系統(tǒng)等的建模、分析與優(yōu)化的仿真任務(wù)。

考慮到整車(chē)能量管理涉及系統(tǒng)眾多，各個(gè)系統(tǒng)部門(mén)可能使用不同軟件進(jìn)行相應(yīng)的仿真工作，為了避免客戶重復(fù)建模，充分利用各個(gè)部門(mén)模型的優(yōu)勢(shì)，AVL提供了基于集成和開(kāi)放式仿真平臺(tái)Model CONNECT的整車(chē)能量管理仿真解決方案，用戶可以通過(guò)ModelCONNECT將不同軟件所搭建的模型集成在一起，進(jìn)行整車(chē)能量管理仿真，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化工作。