高低温行驶里程的仿真研究

 摘    要   

随着电动汽车的普及，续航里程成为人们关注的焦点之一。由于在高温下使用空调和在低温下使用暖气，以及动力电池在不同温度下的供电能力，对续航里程的焦虑在冬季和夏季尤为明显。同时，还需要考虑热管理组件的能耗以及热管理对其他组件效率的影响。本文通过仿真研究了具有成本低、速度快等特点的高低温续驶里程。对于文章中模拟的车辆，在25°C时的行驶里程为240公里，在-30°C时降至34%（81.9公里），在40°C时降低至73%（176公里）。本文对电动汽车的续航里程进行了仿真建模和分析。该仿真模型包括空调系统及其乘员舱、动力电池系统及其冷却系统、电机系统及其冷却、驱动系统和控制系统等。本文为研究电动汽车在高低温下的性能提供了一种仿真方法和研究方法，为通过控制和零件优化来提高续航里程提供了理论依据和实现形式。

01  简    介 

2017年，中国汽车技术研究中心发布了电动汽车测试管理评价，电动汽车测试对电动汽车在高低温下的续航里程提出了要求。这一事件引起了消费者和科研机构对电动汽车在高低温下性能的关注。根据中国消费者对新能源汽车的购买意愿和担忧调查，76%的消费者仍然最担心的是续航里程。高温和低温下的续航里程也是消费者潜在的担忧。

目前，对高低温续驶里程的研究还没有引起制造商的足够重视。该研究涉及广泛的专业、复杂的人员以及不同公司和不同职位之间的合作。因此，本研究需要更科学的研究方法和更准确的评价。

   02  车辆行驶里程模型   

为了模拟电动汽车在高温和低温下的行驶里程，需要构建驱动系统、电机及其热管理系统、电池及其冷却系统、空调系统和供暖系统、能量传输系统、车辆热管理系统和控制系统。与能量损失相关的每个组件都需要考虑不同温度对其效率的影响。例如，不同温度下电池的充放电效率、不同温度下电机的效率等。本文基于GT-suite软件对上述问题进行了仿真建模。

车辆信息

本文涉及的车辆信息如表1所示，实车如图1所示。

表1 车辆信息

图1 实车照片

能量流车辆的能量来源是动力电池。动力电池的一部分驱动高压电器，其他能量通过DC-DC驱动低压电器。

高压电器包括：压缩机、电池加热器、机舱加热器和电机。低压电器包括：电池冷却水泵、电机冷却水泵、机舱风扇、前风扇和其他电器。如图2所示。

热管理系统热管理系统为电池和电机提供冷却或加热，以确保它们在合理的温度范围内工作。如图3所示。

图2 能量流

图3 热管理系统

图4显示了控制系统的基本原理。控制系统的主要目的是控制车辆中部件的温度。鉴于车辆控制器的计算能力，大部分采用查表控制模式。

例如，电池温度控制，通过检测电池组的温度状态，控制泵的流量以及是否使用空调对电池进行冷却。如图5所示。

图4 控制系统

图5 电池温度控制

仿真模型

将上述能量流系统、冷却系统和控制系统构建成相应的模型进行仿真分析。如图6所示，该模型包含：

•驱动系统，包括电机、电池、车身、车轮、油门控制逻辑、制动能量回收逻辑。

•电机及其冷却，包括电机加热型号、电机冷却泵、电机控制器、直流-直流加热型号、散热器。

•电池及其冷却，包括电池加热模型、电池冷却泵、输送阀、散热器。

•空调，包括压缩机、冷却器、蒸发器、冷凝器等

仿真条件本文研究了三种仿真条件，即低温条件、高温条件和常温条件，如表所示，NEDC的驱动周期如图7所示。在不同的温度下，空调运行将切换到自动模式，温度设置为25°C。

图6 仿真模型

图7 NEDC驱动循环

表2 仿真条件

03  仿真结果 

运行上面的模型，得到每个组件的温度、控制和能量损失。分析能量流、主要部件的温度、行驶里程、平均功耗等。

行驶里程

如图8所示，25°C时的行驶里程为240公里，-30°C时降至34%（81.9公里），40°C时降低至73%（176公里）。温度对行驶里程产生了显著影响。温度对续航里程的影响不仅受温度的影响，还受电池功率、常温续航里程、车辆重量和控制策略的影响。本文只讨论了温度的影响。

图8 行驶里程

组件功耗

由于不同温度的影响，各部件的能耗比并不相同。在高温下，电机能耗最高，其次是压缩机。在低温下，加热器（包括电池加热器和座舱加热器）消耗了大部分能量，其中不到30%用于驱动车轮。在25°C下，大部分能源用于汽车，少量能源用于汽车其他低压电器，如图9和图10所示。

从图中还可以看出，在不同温度下，电机和DC-DC的能耗差异不大，而热管理系统的能耗差异很大。因此，降低热管理系统的能耗是提高高低温行驶里程的重要方法。

图9 能耗对比

图10 不同情况下的组件功耗

温度分析

图11显示，通过热管理系统，电池温度可以保持在15°C到35°C之间。它可以满足电池的冷却要求，并确保电池寿命。

图11 电池温度

图12显示，空调系统可以使客舱温度在低温和室温下保持在25°C至30°C之间，有望降低体温，基本可以满足制冷要求。在-30°C的加热条件下，客舱加热器功率不足，导致客舱温度不能超过20°C，加热系统满足极低温加热的要求。

图12 座舱温度

图13显示了电机冷却系统可以满足电机在所有温度下的冷却要求。

图13 电机温度

04  结    论 

通过该仿真研究，可以获得车辆在高低温下的续航里程性能，为热设计提供理论支持和研究手段。

1.25°C时的行驶里程为240公里，-30°C时降至34%（81.9公里），40°C时降低至73%（176公里）。这表明，降低低温续航里程将成为寒冷地区购买电动汽车的重要考虑因素。这也是对车辆热性能的全面测试。

2.具有加热功能的电池系统在不同温度下的放电容量几乎没有差异。电机和其他电器的能耗没有显著差异，因此研究的重点应该是提高高低温的驱动范围，应该是提高供暖系统的效率，例如通过热泵系统提高供暖效率，以减少供暖的能量损失。

3.通过模拟，可以快速模拟车辆的不同温度条件。仿真对提高部件性能、控制系统策略和改进热管理回路具有重要意义。

文献来源:

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.