驾驶员行为和环境对电动汽车热管理的影响

简介：全球预测预计，电动汽车的市场份额将快速增长，以满足全球变暖和气候变化的严格排放法规要求。电动汽车面临的一个新的挑战是如何设计出高效的热管理系统以减少额外的能量消耗以延长续航里程。通常，电动汽车的总效率取决于热管理系统的性能和功耗，而热管理系统的性能和功耗会受到多种因素的极大影响，其中包括驾驶环境（环境温度和交通状况）和驾驶员的行为（攻击性）。因此，本文通过将整车模型与热管理系统模型集成在一起，研究了这些因素对能耗的影响。

电动汽车系统建模

本节提供有关为电动汽车及其热管理系统建模的方法的信息。由于本文的重点主要在于给定行驶周期的能耗，因此仅考虑纵向动力学。还假定车辆在没有轮胎打滑的平坦道路上行驶。本研究中考虑的车辆是配备了牵引电机的超小型跨界多功能车，其峰值功率为150kW，由容量为64kWh的锂离子电池组提供动力。

一、车辆动力方程

二、车辆动力总成

电动汽车动力总成示意图如图1所示，下面给出电机和电池的数学模型


图1 电动汽车动力总成示意图

电机 、



电机及其冷却部分的模型参照文献[1]

电池包

电池包由5个串联的模组组成，每个模组包含60个电池单体。电池建模如图2。




图2 电池包及冷却系统图解

三、热管理系统

电动汽车热管理系统通常包含两个主要的子系统：动力总成冷却和乘员舱温度控制。文中使用的热管理系统如图3。由于电机、电池、乘员舱所需的温度范围不尽相同，回路中设置了三通阀、Chiller等部件便于切换工作模式。例如：高温时可以打开Chiller所在支路的膨胀阀，利用制冷剂冷却电池冷却液，实现电池降温。文中讨论的情景中，并未使用加热器，热管理系统的能量消耗是电动压缩机、风扇、水泵的能耗之和。


图3 冷却循环布局

动力总成冷却模型
泵功率：

散热器模型：
散热器采用效能-传热单元法进行建模



压降计算：



制冷剂质量流量：



流动功及压缩机功耗：

流动功是根据多方过程计算的，而压缩机的功率消耗是使用流动功来计算的，如下所示
 


四、乘员舱温控模型

乘员舱模型包括两个子系统：乘员舱空气和内部结构。车厢温度取决于太阳辐射，环境和机舱的热传递以及HVAC系统的空气供应和再循环。整车及空调系统能量流如图4、图5。


图4 乘员舱能量流


图5 空调能量流（这里不使用加热器）

五、电动汽车模型效果

使用Matlab/Simulink构建上述模型，模型如图6。车辆系统由三个子模块组成，包括控制单元，执行器和子系统。对于控制单元，根据传感器信号（例如温度或压力）以查找表的形式实施基于规则的控制算法。图7 将模型中的电池SOC，电池温度，电机线圈温度，电机功耗和电池功耗的轨迹与从实际测试车辆收集的测量数据的轨迹进行了比较。来自测量数据的车辆速度，电动水泵速度和风扇速度被用作车辆模拟中的输入条件。


图6 Matlab/Simulink建立的电动汽车模型


图7 仿真与测试结果对比

六、驾驶员模型

在交通仿真领域，已经创建了各种驾驶员模型来复制人类驾驶员的行为。通常，这些驾驶员模型是围绕以下情况设计的单车道汽车：连续调整后续车辆的速度以避免与前方车辆发生碰撞。这里使用IDM模型，该模型由于易于校准，逼真的加速度动态特性以及真实的制动效果而被广泛使用。

模型如下：
加速

制动


能耗分析

模型已经建立并验证完毕，下面将对不同交通状况、驾驶员行为、环境状况进行仿真，不同仿真条件下表所示。



环境影响：交通状况

初始SOC设为90%。图8中可以看出，行驶在较高车速且频繁加速的US06工况需更多的行驶能量，导致了额外的电池损失。与之相对的低速且中等加速的UDDS工况需要的行驶能量更低。高温环境下热管理能量消耗急剧增加，在UDDS工况下该部分超过了行驶能量。同一温度下，HWFET工况用于热管理的平均能耗略高于其他两种工况，这可能是受热管理策略限制选择了较低的风扇转速，导致压缩机能耗增加。


图8 基本循环工况下平均能耗

环境影响：外部空气温度

图9中显示了不同驾驶循环在环境温度从24℃升高到38℃过程中，燃油经济性、行驶能耗、热管理能耗、电池损失的相对变化。行驶能量降低达到了1.7%，这是温度升高导致空气密度降低、电机内阻减小造成的；热管理能量消耗升高410%至620%，这是由于乘员舱及电池热管理导致空调系统负荷增加；由于需要的电流增大，电池损失也在增大。UDDS的燃油经济性显著低于其他两种工况，这是由于该工况下空调系统的热负荷相对于电机负荷更大。这说明城市工况的燃油经济性更容易受到环境温度的影响。


图9 环境温度的影响

驾驶行为影响

将不同驾驶行为下行驶能量消耗、汽车热管理损失、燃油经济性损失、能量损失与图8中的基本循环工况对比，得到了各项损失的相对变化。不同温度、SOC、驾驶行为的仿真结果如图10-13所示。结果表明，温和的驾驶行为（T=3）在各种工况下均减小了行驶能量消耗和电池能量损失。环境温度为24℃，初始SOC为30%时，部分工况下的热管理能耗明显增加但燃油经济性却依然提高，这是低温条件下行驶能量消耗占据主导地位造成的（图8）。但当温度较高时，热管理系统能耗比重增大，这可能对燃油经济性产生不一样的结果（图11）。此外，温和的驾驶行为行驶相同距离需要更长的时间，这将导致更多的热管理能耗。


图10 驾驶行为的影响（环境温度24℃，初始SOC=30%）


图11 驾驶行为的影响（环境温度38℃，初始SOC=30%）


图12 驾驶行为的影响（环境温度24℃，初始SOC=90%）


图13 驾驶行为的影响（环境温度38℃，初始SOC=90%）

电池SOC影响

不同SOC工况下，各项损失和燃油经济性相对变化如图14所示。图中可以看出，行驶能消耗几乎没变，其变化在0.6%以内。电池能量损失显著改变，这是由于电池SOC降低导致电池内阻增大。


图14 电池初始SOC影响

结论

本文研究了不同的运行和环境条件对电动汽车行驶能耗、热管理能耗、电池能量损失及燃油经济性的影响。仿真结果表明，在大多数情况下，温和驾驶可将驾驶能耗降低1.2％，并将燃油经济性提高5％，同时将电池能量损失降低50％。但是，在较高的环境温度下，温和驾驶可能会产生不利影响，在这种情况下，热管理能量负荷可能会高于驾驶能量负荷。为了获得更好的燃油经济性，需要在更高的SOC水平下操作电池，因为在低SOC下，由于电池的高内阻和低开路电压会增加电池能量损失。



文献来源
Kim, J., et al., The Effect of Driver's Behavior andEnvironmental Conditions on Thermal Management of Electric Vehicles, in SAE Technical Paper Series. 2020.
参考文献
1. Fan, J., et al., Thermal Analysis of Permanent Magnet Motorfor the Electric Vehicle Application Considering Driving Duty Cycle. IEEETransactions on Magnetics, 2010. 46(6):p. 2493-2496.