新能源汽车一体化整车热管理新思路

黄浩 姚大宇

摘要：随着新能源汽车的高速发展与高能部件在新能源汽车中的应用，新能源汽车的热管理面临巨大挑战。其中，作为高功率能量转换部件的电机与高密度储能部件的电池的安全与效率问题最为突出，是新能源汽车热管理继续解决的关键问题。其次，消费者对车辆安全性、舒适性、高效性与续航能力的日益关注，这些表现亦与新能源汽车实时整车热管理行为密切相关，影响了整车产品的核心竞争力。本文首先由新能源汽车整车热管理技术所面临的挑战出发，分析了现代整车热管理技术的多层级优化目标。然后，针对这些目标，为进一步挖掘系统热惯性潜力，提出了一体化热管理新框架及优化控制策略，并分析了实现的可行性与优化收益，提出了匹配的技术路线。

关键词：新能源汽车;整车热管理;系统热惯性;优化控制

1 整车热管理现有问题与优化目标

为缓解整车热管理系统的现有问题，需要首先明确优化目标。然而，车辆热管理问题存在多个并行独立的方面，本文将其总结为如下5个方面：

1.1安全性目标：要求更为合理调配与控制，使得所有的关键部件温升具有较高的安全裕度。

1.2动力性目标：要求提升综合温控能力和多情景应激能力，为动力需求提供强有力的保证。动力性基本由“三电”决定，而整车热管理是保障汽车“三电”系统性能的重要手段。在电机电控方面，合理控制温度，可以在允许电机在更高速、高功率运行的情况下防止磁钢退磁和绝缘击穿。在电池方面，可以允许电池更好地控制电池内部电化学参数、增强输出能力，在电控方面，可以显著增强散热，提高逆变器承载能力，并允许更高频电力电子元器件在车载电机驱动器中的应用。

1.3续航能力目标：要求继续提升系统集成度，降低电驱动系统及其冷却部件的整体功耗以提升效率[4]：优化空调能耗，提高效能系数，增强整车续航能力;优化电池工作温度区间，使得电池容量始终保持在较高水平。

1.4舒适性目标：要求综合考虑环境变化与乘客需求，以最低能耗获取车厢舒适温度和诸多车内服务，如座椅加热、方向盘加热、车窗除雾、后视镜加热等。

1.5耐久性目标：要求系统级优化温度平衡，降低电机绝缘损伤，延缓电池老化与容量衰退过程。研究指出，车用锂离子电池老化的电化学机理为SEI增长和锂沉积，如图2所示。

SEI膜电流密度：

锂沉积电流密度：

式（1）、式（2）中， 、 表示SEI膜和锂沉积的电流密度（ ）， ，SEI、 分别表示SEI膜和锂沉积的传递系数（单位为1）， 为固相电极的电势分布函数（V）， 表示电解液电势分布函数（V）， 为锂沉积反应交换电流密度（ ）， 为电池SEI产生的膜阻（Ω·m2）， 为电池处于平衡状态下的SEI平衡电势（V）。

2 构建一体化热管理新框架及策略

为应对新能源汽车高速发展所带来的诸多挑战和解决整车热管理系统的现有问题，本文基于国内外相关热分析与建模工作的进展，提出一体化整车热管理新框架及策略的构想，以更充分地挖掘车辆系统热惯性潜力，进而实现多层次、广领域的优化目标。

为实现上述目标，需要分别在在软件上完成分析、建模与量化工作，在硬件上促成一体化的结构设计。

2.1 精确化子系统控制导向热模型建立

对分立系统实现全面监测，精细化控制与合理分配，首先需要对电机、逆变器、电池、空调等关键子系统产热机理、冷却功耗等进行精确化建模。在建模过程中，需要依靠多种分析手段，确定主要影响参数的数值，建立方便用于实时控制的降阶解析模型。

2.2 关键部件热耦合影响量化分析

将孤立的系统连接与利用，形成统一调配与分析，需要对于关键部件的热耦合因素与影响进行分析与量化。其中，许多研究指出，电机、逆变器、电池及空调等发热部件由于布局位置、功率传递等原因相互耦合，导致子系统温升模型相互依赖度较高，需要通过精确化建模进行量化分析。

3 整车热管理潜力挖掘与热惯性利用

汽车热管理系统惯性较大，温度瞬态响应慢，“储热”较丰富，动态实时规划的空间和可操作性较强，是汽车在综合热管理方面具有的天然优势。如果可以充分利用该系统惯性，不仅可以在不影响舒适度的前提下减轻能耗，还能实现调温功率“平滑化”，帮助冷却系统工作在高能效比区间，从而提升冷却与加热系统的效率。

4 一体化框架下的软、硬件对接与统筹

在上述工作的基础上，最终将分散的冷却系统互联，构建出可统筹全局的整车热管理系统与控制层级策略。

将该一体化系统与精确的整车热管理模型结合，充分考虑子系统间热耦合效应，采用实时优化手段展开温度预测与规划，实现整车热管理核心目标。

综上，整车热管理系统控制导向（control-oriented）建模基本思路建议如下：首先基于已有材料参数建立子系统FEM 模型，然后深入分析损耗与热传导机理，建立解析模型，然后对模型进行深度降阶，并利用测试结果进行参数标定，最后，分析子系统间耦合特性，量化影响系数，连接子系统，形成完整的一体化整车可嵌入式多物理场耦合热模型。

结束语

随着新能源汽车集成化技术的发展，热管理系统正面临诸多挑战，对冷却系统的要求也水涨船高。热管理系统与汽车的多方面关键性能（安全性、动力性、续航能力、舒适性、耐久性）息息相关，是制约其发展的重要瓶颈之一。

通过整车精准化建模与控制，可以充分挖掘系统热惯性潜力，构建一体化整车热管理新策略。驱动电机、逆变器、空调、动力电池等关键高能子部件的热管理是整车热管理能力提升的根基。

参考文献：

[1]张希，董腾辉，朱翀，郭邦军，王东升.新能源汽车一体化整车热管理新思路[J].制冷与空调，2020，20（05）：76-83.

[2]王文伟，孙逢春.全气候新能源汽车关键技术及展望[J].中國工程科学，2019，21（03）：47-55.