基于系统仿真的电动汽车热管理

摘    要

为了提高行驶里程以及其他安全性和舒适性，无论是在部件还是系统层面，热管理在电动汽车的发展中都变得越来越重要。与昂贵的测试相比，热管理系统复杂性的显著增加及其与整车更紧密的相互作用推动了系统仿真的增长趋势。

在系统级别，不同的子系统在不同程度上相互作用。这种强相互作用的一个例子是使用电池冷却器的冷却剂和交流电路之间的相互作用。热管理系统仿真模型必须能够模拟这种交互系统。

在组件级别，确保这些复杂连接系统中使用的多个组件的有效性变得越来越重要。准确预测电池组内部的温度分布对于避免诸如热失控之类的损坏情况至关重要。本研究描述了一种结合GT-SUITE中电池单体和冷却板三维热分析的冷却板内部一维流动集成方法。

此外，还描述了一种新的预测电化学和热电池模型，用于分析和优化组件和系统级行为。除了为冷却系统的设计提供散热值外，还允许选择电池化学和设计。在周期和日历时间尺度上的老化预测都考虑了不同的环境和操作条件的影响。

继电子动力系统之后，暖通空调压缩机是最大的电能消耗者。为了在不影响人体热舒适的情况下优化压缩机功耗，人们将注意力集中在机舱内部的局部冷却上。本文概述了一种集成的联合仿真方法，该方法允许对乘客舒适度和行驶里程之间的权衡进行调查，或开发HVAC系统的智能控制。

01  前    言

在引入FAME(电动汽车的更快采用和制造)-印度第一阶段和第二阶段计划后，由纯电动汽车(BEV)，混合动力汽车(HEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)组成的电动汽车的发展加速了。然而，与传统汽车积累了多年的经验不同，电动汽车的发展是最近才出现的，人们对其经济可行性、续航里程、舒适性以及安全性的表现存在很多担忧。

在众多挑战中，最重要的挑战之一是电池和燃料电池等储能设备的热管理。车辆不同子系统之间日益增加的复杂性和不同程度的交互要求在测试中使用基于模型的仿真，以降低开发成本并缩短开发周期。

在本文中，我们提出了一种集成的系统建模方法，以帮助加快开发周期并在许多瞬态条件下测试系统。以下部分将描述在1D CFD建模工具GT-SUITE中创建此类模型的工作流程。下一节将描述组件级建模，包括独立电池热管理系统，GT-AutoLion中的电化学电池建模和GT-TAITherm中的座舱建模。本文还描述了这些独立模型的结果。然后将这些独立模型集成到子系统模型中，包括制冷剂、冷却剂、机舱、引擎盖和车辆系统。然后将这些独立的子系统组合在一起，创建一个集成的电动汽车模型，以确定其在不同环境条件下的行驶循环性能。集成模型将在后面的部分和附录中描述。

02  组件级建模

组件级建模对子系统的详细设计具有重要意义。例如，在将电池冷却系统集成到冷却剂回路中之前，必须对电池组内部的温度分布有足够的信心。这可以通过优化冷却介质在电池组中的分布来保证电池的均匀冷却。通过对电池组冷却路径设计的详细分析，并将该模型置于不同的负载条件和边界条件(如环境温度等)下，这是可能的。这种方法在电池热管理系统(BTMS)小节中介绍。

虽然上述模型对于热建模很重要，但要研究电池的循环和日历老化，则需要对电池进行电化学建模。电化学建模工具，即 GT-AutoLion 可以对不同的电池化学性质和几何形状进行建模，并进行老化研究，这将在随后有关电化学电池建模的小节中进行介绍。

接下来的一节将描述GT-SUITE和TAITherm中的独立机舱模型，用于模拟机舱内的3D流动和温度分布。研究客舱局部冷却对优化暖通空调系统的功耗具有重要意义。

电池热管理系统建模

整个电池组必须严格保持均匀的温度分布。通常目标是电池组的电池单体之间的最大温差在5k以内。快速放电、过度充电或过度的环境加热导致的温度分布不均匀和过热会导致电池快速退化并缩短电池寿命。在极端情况下，当热量不受控制地积聚时，模块或组件可能发生热失控，可能导致灾难性的破坏，如火灾和爆炸。为了避免这种情况，BTMS设计必须确保均匀的温度分布。

目前已经提出了几种不同的BTMS设计，并正在电动汽车中使用，包括空气冷却、液体冷却或制冷剂冷却。使用测试迭代不同的方法和冷却系统设计在成本和交货时间方面都是昂贵的。即使是详细的3D CFD模拟在运行时间方面也有限制，尽管它们可以确保预测的最高准确性。本研究描述了一种液冷电池组建模的集成方法，该方法将冷却板内部的一维流动与电池单体和冷却板的3D热分析相结合。这种方法被广泛应用于汽车和航空航天工业。本研究中用于 BEV 模型的电池组如图 1a 所示。图 1b 表示单个模块，描述了电池和冷却板内的冷却通道。

图1 图1A电池包和模块1b组件内电池和冷却板布置(20个电池，21个冷却板)

如图1b所示，电池顶部有两个红色的电极，冷却板与电池接触。电池和平板以模块化的方式排列。在GT-SUITE中创建模型时，使用了不同的预处理器，如spacecclaim和GEM3D。这些预处理器打包在同一个安装中。创建1D-3D集成模型的工作流程如下所述，并在附录中以图形方式表示。

1.spacecclaim:在spacecclaim中导入冷却板的CAD模型，提取冷却通道的体积。

2.GEM3D:在GEM3D中导入冷却板和电池的实体CAD提取的体积，并将其转换为具有四面体电池的三维有限元网格。冷却板的性能是各向同性的，而电池的性能是各向异性的。这些定义为沿电池厚度的电导率较低，而在其他正常方向上的电导率相对较高，密度和比热恒定。通过选择合适的表面，在电池和冷却板之间建立了传导连接。利用离散平面将冷却通道体积进一步离散成更小的体积。然后在冷却板和冷却通道体之间建立对流连接。此外，热孔的创建是为了将不同的表面与周围空气连接起来，通过自然对流模拟热量损失。

GT-ISE (GT-SUITE的集成仿真环境):在 GEM3D 中创建一套冷却板和电池的模型后，将其导出到 GT-ISE 并进行装配。图 2 显示了离散化后创建的组件。热量排出率可以作为源明确施加在电池 3D FE 网格上，也可以使用电池或整个电池组的电气等效模型或电化学模型进行计算，这将在下一小节中解释。在本分析中，使用的是电池的电气等效模型。如图 1 所示，一个电池和一个冷却板的整个组件重复连接，形成一个模块，然后形成一个电池组。

图2 GT-ISE中的工作流程:创建模块和包模型

一旦建立了模型，冷却剂的质量流量和温度就会在电池组的入口和出口的压力边界条件下施加。隐式求解器用于时间步长为0.1 s的流动和热模拟。GT-SUITE求解的控制方程为1D- Navier Stokes连续性、动量和能量(或焓)方程，如下所示:

在不同的冷却剂质量流量和不同的c -速率下运行了几个不同的情况。比较了整个电池组以及所有电池和冷却板的详细温度分布。本文仅给出以下条件下的结果，如图3和图4所示。

图3 电池温度分布

同样，对于电动机以及逆变器、DC-DC变换器等电力电子元件，也可以进行这样的分析，以确保整个电力动力总成周围冷却系统的有效性。

表1 用于该模型的边界条件

电池建模

在设计 BTMS 时，可以将热量排出率指定为最坏情况下的稳态值（即在较热的环境中电池组的负载较高），也可以指定为瞬态曲线。前者可能会导致过度设计，因为在一个驱动循环中，热率可能不会经常达到那么高的值，而后者则需要在不同的测试条件下进行实验测量，这可能是一项成本高昂的工作。这种方法也难以设计 BTMS 或电池管理系统 (BMS) 的控制策略。因此，为单个电池或电池组建立数学模型是有益的。电池的数学建模通常采用两种方法，即经验模型和电化学模型。这两种方法的区别主要在于计算费用和可预测性。为了预测上述BTMS分析的产热率，使用了电池单体的电等效模型。该模型基于经验相关性，该相关性使用内阻和开路电压数据对抗充电状态(SOC)和温度。这两者的区别主要在于计算费用和可预测性。为预测上述 BTMS 分析的发热率，使用了电池单元的电气等效模型。该模型基于经验相关性，利用内阻和开路电压数据与荷电状态（SOC）和温度进行比较。

等效电池模型：

该模型由一个开路电压源与一组电气元件(如电阻和电容器)连接而成，以模拟电池的电气行为。电学等效模型(EEM)因其计算效率高而被广泛应用于电池荷电状态（SOC）估计。该技术根据电流输入估计电池电压，不同的电阻电容器(RC)分支可用于捕获电池系统中固有的不同时间常数，如图5所示。这些模型的计算速度很快，但仅适用于所测试的特定电池类型和化学成分，以及在进行测试的放电速率和温度范围内。

图5 电池电等效模型

电池电化学建模：

虽然EEM在设计BTMS和BMS时使用，但由于其经验性质，它对电池内部的电化学过程提供的见解很少。相比之下，电化学模型使用偏微分方程(PDEs)来模拟电池的物理特性;它可以用来计算电池内部的电化学状态，并提供关于锂浓度和过电位的准确信息，这可以用来防止有害的副反应。该方法采用考虑电池内化学动力学和传输/扩散现象的连续模型。它们通常比EEM更准确，但速度更慢。在这种方法中，也有许多保真度，从单粒子模型一直到分子模型。然而，最流行的方法是基于John Newman工作的锂离子(Li-ion)电池的“伪2D”(P2D)电化学模型。GT-AutoLion中也使用了相同的方法。该模型捕捉了锂离子电池内部发生的电化学反应，并预测了终端电压、电流、功率、散热和整个电池的锂量。

锂离子电池通常采用如图 6 所示的排列方式。如图所示，P2D 模型使用有限控制体积方法对锂离子电池的控制方程进行离散化。在 P2D 模型中，阴极、分离器和阳极沿 "厚度 "方向离散。在阴极和分离器的每个有限控制体积中，都有一个球形的活性材料，每个球形材料在径向都被离散为恒定体积。

图6 电池电化学建模

该电化学模型可以预测如图7所示的循环老化和日历老化，并便于对不同的电池化学成分进行虚拟测试和选择，如图8所示。

图7 使用GT-AutoLion预测周期和日历老化

图8 使用GT-AutoLion预测不同化学物质的电池性能

将电化学模型与BTMS模型相结合可以得到最准确的结果。然而，由于电化学模型比EEM慢，因此这些模型以解耦的方式进行模拟。验证后的电化学模型可以在GT-SUITE中通过混合脉冲功率表征(HPPC)测试将电化学模型转化为EEM，然后使用电池表征来创建EEM。该方法在本研究中未作进一步讨论。

客舱建模

继电子动力系统之后，暖通空调系统是最大的电能消耗者。为了优化利用这些能源，在不影响人体热舒适的情况下减少压缩机的功率消耗变得至关重要，因此专注于客舱内部的局部冷却。

为了准确预测客舱内的温度，使用 3D CFD 工具已广为人知并得到广泛应用。然而，这种准确性是以巨大的运行时间为代价的。为了优化运行时间，从而缩短电气化车辆典型 V 设计流程的准备时间，本文介绍了 GT-SUITE 和 TAITherm 之间的联合仿真方法。

GT-SUITE 可以快速求解汽车客舱内的流体域。计算时需要热壁边界条件。TAITherm 能够快速求解三维结构的温度，包括三维传导、对流和多弹辐射。在求解过程中，TAITherm 需要对流边界条件。GT-SUITE 为 TAITherm 中的能量计算提供了这些对流边界条件，如图 9 所示。客舱和内部的实体外部边界（墙壁）由 TAITherm 中的模型表示，而客舱内的流动体积则由 COOL3D 中的模型表示。

图9 GT-SUITE与TAITherm之间的数据交换

客舱的3D CAD几何形状被导入到GT-SUITE即COOL3D的一个预处理器中，其中客舱体积被离散(或网格化)成几个子体积。创建了排气入口和出口的边界。在TAITherm中，导入舱室的网格文件，其中舱室的不同表面(如门，挡风玻璃，窗户，屋顶，地板等)被网格化。定义了表面的不同层及其材料。例如，屋顶外层材料定义为钢，中间层为空气，内层为泡沫。

在GT-ISE中，COOL3D模型和TAITherm模型都链接到如上所述的交换数据。所创建的耦合模型可以作为独立的舱室模型运行，其中舱室入口温度(在排气口)和流量被施加，如图10所示。或者它可以耦合到一个空气回路，通过蒸发器与制冷剂回路交换热量。可以运行独立模型，通过测试或 3D CFD 验证机舱温度分布。从图 11 中我们可以看到 GT-TAITherm 和 3D CFD 的结果对比良好。GT-SUITE 可以计算自己的流动解决方案，而在本模型中，3D CFD 工具的流场被强加在 COOL3D 创建的网格上，然后使用 GT-TAITherm 解决温度分布问题。

图10 独立舱模型与集成的GT-SUITE和TAITherm模型

图11 舱内温度分布及与CFD结果的比较，与InDesA公司合作的内部研究结果

GT-SUITE根据由不同子系统组成的模型所需的精度级别，提供了不同的方法来对机舱进行建模。对于只要求平均客舱温度的系统，采用集总容积法，将客舱近似为单个容积。在更详细的方法中，客舱被离散成39个体量，为客舱的不同区域提供温度。这两种方法利用了GT-SUITE环境中可用的模板，不需要任何其他工具。最高级别的保真度方法是上面描述的方法。这些方法正被汽车行业领先的原始设备制造商所采用。

系统建模

几个子系统同时工作，并且彼此之间具有不同程度的交互。有必要对这些相互作用进行建模，以确保所有子系统以一致、紧密耦合的方式协同工作，使电动汽车在广泛的负载和运行条件下以最高的性能和效率运行。因此，不能孤立地开发电池组的性能，而是要仔细地与所有其他电池组的属性和特性相匹配。然而，这样的集成模型在分析和支持组件选择方面会比较慢，有时还会比较复杂。同样，只有当我们对不同子系统的独立性能有足够的信心时，对集成系统建模才会有益。这些子系统可以通过为其他子系统提供边界条件来单独建模。例如，在纯电动汽车中，通过冷却器的制冷剂和冷却剂回路之间存在强耦合。然而，这两个循环可以通过给出另一个循环的流量和温度边界条件来单独建模，如图12所示。制冷剂回路的建模为蒸发器舱室空气回路、冷水机冷却液回路和冷凝器罩下空气回路提供了边界条件。

图12 独立制冷回路与边界条件的冷水机冷却剂，客舱空气和罩下空气回路

同样，其他电路也可以进行分析。最后，对这些子系统进行了集成，并对该模型进行了一个驱动周期的仿真。该模型可用于设计和测试控制某些部件运行的控制策略。例如，三通阀根据冷却剂的温度控制冷却剂通过低温散热器(LTR)或通过冷水机的流量。该综合模型有助于找到合适的温度截止值来控制冷水机组和LTR之间的流量切换，并对泵和压缩机的运行控制策略进行了测试。使用PID控制器来改变泵的速度，以保持电池组的温差低于5K的目标值。最初，为了同时达到电池出口冷却液温度(290℃)和舱内平均温度(210℃)的目标，压缩机转速进行了调整。压缩机 PID 控制器的目标是冷却液温度或平均机舱温度。然而，在达到机舱和电池冷却液出口温度目标值的同时，蒸发器出口的空气温度接近 00 C 以下。在实际系统中，这可能会导致蒸发器结霜，最终降低其性能，并最终导致堵塞。后来对压缩机控制进行了修改，将蒸发器出口空气温度限制在正值。控制装置和不同的流体回路见附录。

在集成模型中，所有组件的功率需求都施加在电池上。根据电池在驱动循环时间内所需的功率，如前面关于BTMS的部分所述，由电池产生的可分解的热量被施加到冷却板上。电机的建模使用性能图，如关于RPM和扭矩要求的效率图。考虑到车速(基于驱动周期)、车辆质量、气动系数、轮胎滚动阻力和传动比，车辆模型定义了电机所需的转速和扭矩。电动机的热部分由各部件之间的导电连接(如永磁体与转子结构、绕组与定子结构等)和冷却剂流经冷却剂夹套与截流空气之间的对流连接组成[8]。创建这样一个模型的工作流程与BTMS模型的描述相似。在不同的驱动循环和环境条件下，对该模型进行了多次测试。本文给出了四轮车的印度驱动循环(IDC)和两种不同环境条件的结果，即400℃温度和40%相对湿度(热)和00℃和40%相对湿度(冷)。热的情况下，机舱浸泡到600摄氏度，冷的情况下浸泡到00摄氏度。假设电池在热环境和冷环境中初始温度分别为350℃和50℃。集成模型如图13所示，结果如图14、15、16所示。

图13 集成电动汽车热管理模型

图14 在炎热和寒冷的环境条件下，印度驾驶循环所需的电量和电池的SOC

图15 IDC过程中冷热环境下电池散热情况

图16 电池平均温度、舱内平均温度和蒸发器出风口温度

由于电池加热器和舱室加热器消耗了额外的功率，因此在较冷的环境中，电池组所需的总功率更高。在IDC的后半部分，由于电池加热器关闭，客舱加热器功耗降低，冷情况下对电池电量的要求降低。此外，当冷却剂和机舱温度接近目标值时，压缩机要求的转速和功率也会降低。当电池组进出口温差接近目标值时，泵也有类似的行为。此外，可以注意到，由于电池在较低温度下的功耗更高，欧姆电阻更高，因此电池在较冷环境中的散热率更高。还可以看出，蒸发器出风口温度保持在0℃以上。

04  总    结

GT-SUITE 是一种基于模型的系统工程工具，它为在原型制造和实验测试之前制定 BEV 热管理控制策略提供了一种有效的方法。我们对电池热管理系统和电动马达冷却系统等不同组件进行了 3D-1D 集成组件级分析，以便在具有适当边界条件的独立模型中对这些组件的性能有足够的信心。根据电池的电化学和几何细节，在 GT-AutoLion 中创建了一个电化学电池模型。该模型有助于预测电池组的循环和日历老化。使用 GT-TAITherm 中的协同仿真进行了分析，以预测客舱内的 3D 速度和温度场。这些模型可以在任何负载情况和现实的外部边界条件下处理电池冷却和座舱调节。这种方法为物理系统建模和解决早期开发阶段的设计选择问题提供了有效手段。然后，这些独立的组件模型被集成到不同的子系统模型中，如制冷剂系统、冷却剂系统和为其他子系统提供边界条件的座舱空气循环系统。随后，将这些子系统模型组合起来，创建一个集成的电动汽车模型，在不同的测试周期和不同的环境条件下进行模拟。本文介绍了 IDC 测试的结果。为控制不同组件的行为而定义的控制逻辑在集成模型中得到了验证。

05  附    录

创建 BTMS 模型的工作流程：

图1 Spaceclaim 中的工作流程：提取冷却通道体积

图2 GEM3D 工作流程：创建 3D FE 网格和连接

制冷剂回路：

图3 带压缩机控制的制冷剂回路

电池冷却液回路：

图4 带泵控制的电池冷却回路

E-Components 冷却液回路：

图5 带恒速泵的 E-Components 冷却液回路

图6  带鼓风机控制器的机舱空气循环系统

图7  带有轮胎与路面相互作用、驾驶员输入和变速器的车辆模型