黃浩 姚大宇

摘要：隨著新能源汽車的高速發(fā)展與高能部件在新能源汽車中的應(yīng)用，新能源汽車的熱管理面臨巨大挑戰(zhàn)。其中，作為高功率能量轉(zhuǎn)換部件的電機(jī)與高密度儲能部件的電池的安全與效率問題最為突出，是新能源汽車熱管理繼續(xù)解決的關(guān)鍵問題。其次，消費(fèi)者對車輛安全性、舒適性、高效性與續(xù)航能力的日益關(guān)注，這些表現(xiàn)亦與新能源汽車實時整車熱管理行為密切相關(guān)，影響了整車產(chǎn)品的核心競爭力。本文首先由新能源汽車整車熱管理技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)出發(fā)，分析了現(xiàn)代整車熱管理技術(shù)的多層級優(yōu)化目標(biāo)。然后，針對這些目標(biāo)，為進(jìn)一步挖掘系統(tǒng)熱慣性潛力，提出了一體化熱管理新框架及優(yōu)化控制策略，并分析了實現(xiàn)的可行性與優(yōu)化收益，提出了匹配的技術(shù)路線。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;整車熱管理;系統(tǒng)熱慣性;優(yōu)化控制

1 整車熱管理現(xiàn)有問題與優(yōu)化目標(biāo)

為緩解整車熱管理系統(tǒng)的現(xiàn)有問題，需要首先明確優(yōu)化目標(biāo)。然而，車輛熱管理問題存在多個并行獨(dú)立的方面，本文將其總結(jié)為如下5個方面：

1.1安全性目標(biāo)：要求更為合理調(diào)配與控制，使得所有的關(guān)鍵部件溫升具有較高的安全裕度。

1.2動力性目標(biāo)：要求提升綜合溫控能力和多情景應(yīng)激能力，為動力需求提供強(qiáng)有力的保證。動力性基本由“三電”決定，而整車熱管理是保障汽車“三電”系統(tǒng)性能的重要手段。在電機(jī)電控方面，合理控制溫度，可以在允許電機(jī)在更高速、高功率運(yùn)行的情況下防止磁鋼退磁和絕緣擊穿。在電池方面，可以允許電池更好地控制電池內(nèi)部電化學(xué)參數(shù)、增強(qiáng)輸出能力，在電控方面，可以顯著增強(qiáng)散熱，提高逆變器承載能力，并允許更高頻電力電子元器件在車載電機(jī)驅(qū)動器中的應(yīng)用。

1.3續(xù)航能力目標(biāo)：要求繼續(xù)提升系統(tǒng)集成度，降低電驅(qū)動系統(tǒng)及其冷卻部件的整體功耗以提升效率[4]：優(yōu)化空調(diào)能耗，提高效能系數(shù)，增強(qiáng)整車?yán)m(xù)航能力;優(yōu)化電池工作溫度區(qū)間，使得電池容量始終保持在較高水平。

1.4舒適性目標(biāo)：要求綜合考慮環(huán)境變化與乘客需求，以最低能耗獲取車廂舒適溫度和諸多車內(nèi)服務(wù)，如座椅加熱、方向盤加熱、車窗除霧、后視鏡加熱等。

1.5耐久性目標(biāo)：要求系統(tǒng)級優(yōu)化溫度平衡，降低電機(jī)絕緣損傷，延緩電池老化與容量衰退過程。研究指出，車用鋰離子電池老化的電化學(xué)機(jī)理為SEI增長和鋰沉積，如圖2所示。

SEI膜電流密度：

鋰沉積電流密度：

式（1）、式（2）中， 、 表示SEI膜和鋰沉積的電流密度（ ）， ，SEI、 分別表示SEI膜和鋰沉積的傳遞系數(shù)（單位為1）， 為固相電極的電勢分布函數(shù)（V）， 表示電解液電勢分布函數(shù)（V）， 為鋰沉積反應(yīng)交換電流密度（ ）， 為電池SEI產(chǎn)生的膜阻（Ω·m2）， 為電池處于平衡狀態(tài)下的SEI平衡電勢（V）。

2 構(gòu)建一體化熱管理新框架及策略

為應(yīng)對新能源汽車高速發(fā)展所帶來的諸多挑戰(zhàn)和解決整車熱管理系統(tǒng)的現(xiàn)有問題，本文基于國內(nèi)外相關(guān)熱分析與建模工作的進(jìn)展，提出一體化整車熱管理新框架及策略的構(gòu)想，以更充分地挖掘車輛系統(tǒng)熱慣性潛力，進(jìn)而實現(xiàn)多層次、廣領(lǐng)域的優(yōu)化目標(biāo)。

為實現(xiàn)上述目標(biāo)，需要分別在在軟件上完成分析、建模與量化工作，在硬件上促成一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.1 精確化子系統(tǒng)控制導(dǎo)向熱模型建立

對分立系統(tǒng)實現(xiàn)全面監(jiān)測，精細(xì)化控制與合理分配，首先需要對電機(jī)、逆變器、電池、空調(diào)等關(guān)鍵子系統(tǒng)產(chǎn)熱機(jī)理、冷卻功耗等進(jìn)行精確化建模。在建模過程中，需要依靠多種分析手段，確定主要影響參數(shù)的數(shù)值，建立方便用于實時控制的降階解析模型。

2.2 關(guān)鍵部件熱耦合影響量化分析

將孤立的系統(tǒng)連接與利用，形成統(tǒng)一調(diào)配與分析，需要對于關(guān)鍵部件的熱耦合因素與影響進(jìn)行分析與量化。其中，許多研究指出，電機(jī)、逆變器、電池及空調(diào)等發(fā)熱部件由于布局位置、功率傳遞等原因相互耦合，導(dǎo)致子系統(tǒng)溫升模型相互依賴度較高，需要通過精確化建模進(jìn)行量化分析。

3 整車熱管理潛力挖掘與熱慣性利用

汽車熱管理系統(tǒng)慣性較大，溫度瞬態(tài)響應(yīng)慢，“儲熱”較豐富，動態(tài)實時規(guī)劃的空間和可操作性較強(qiáng)，是汽車在綜合熱管理方面具有的天然優(yōu)勢。如果可以充分利用該系統(tǒng)慣性，不僅可以在不影響舒適度的前提下減輕能耗，還能實現(xiàn)調(diào)溫功率“平滑化”，幫助冷卻系統(tǒng)工作在高能效比區(qū)間，從而提升冷卻與加熱系統(tǒng)的效率。

4 一體化框架下的軟、硬件對接與統(tǒng)籌

在上述工作的基礎(chǔ)上，最終將分散的冷卻系統(tǒng)互聯(lián)，構(gòu)建出可統(tǒng)籌全局的整車熱管理系統(tǒng)與控制層級策略。

將該一體化系統(tǒng)與精確的整車熱管理模型結(jié)合，充分考慮子系統(tǒng)間熱耦合效應(yīng)，采用實時優(yōu)化手段展開溫度預(yù)測與規(guī)劃，實現(xiàn)整車熱管理核心目標(biāo)。

綜上，整車熱管理系統(tǒng)控制導(dǎo)向（control-oriented）建模基本思路建議如下：首先基于已有材料參數(shù)建立子系統(tǒng)FEM 模型，然后深入分析損耗與熱傳導(dǎo)機(jī)理，建立解析模型，然后對模型進(jìn)行深度降階，并利用測試結(jié)果進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，最后，分析子系統(tǒng)間耦合特性，量化影響系數(shù)，連接子系統(tǒng)，形成完整的一體化整車可嵌入式多物理場耦合熱模型。

結(jié)束語

隨著新能源汽車集成化技術(shù)的發(fā)展，熱管理系統(tǒng)正面臨諸多挑戰(zhàn)，對冷卻系統(tǒng)的要求也水漲船高。熱管理系統(tǒng)與汽車的多方面關(guān)鍵性能（安全性、動力性、續(xù)航能力、舒適性、耐久性）息息相關(guān)，是制約其發(fā)展的重要瓶頸之一。

通過整車精準(zhǔn)化建模與控制，可以充分挖掘系統(tǒng)熱慣性潛力，構(gòu)建一體化整車熱管理新策略。驅(qū)動電機(jī)、逆變器、空調(diào)、動力電池等關(guān)鍵高能子部件的熱管理是整車熱管理能力提升的根基。

參考文獻(xiàn)：

[1]張希，董騰輝，朱翀，郭邦軍，王東升.新能源汽車一體化整車熱管理新思路[J].制冷與空調(diào)，2020，20（05）：76-83.

[2]王文偉，孫逢春.全氣候新能源汽車關(guān)鍵技術(shù)及展望[J].中國工程科學(xué)，2019，21（03）：47-55.