文章来源：《纯电动汽车整车热管理系统集成仿真技术研究》
作者单位：东风汽车集团有限公司技术中心
引言
车辆在极限温度环境下性能衰减，成为限制纯电动汽车大面积普及的重要影响Ｗ素，尤其在高温和低温环境中，充电时间会成倍增长，低温环境下车辆续驶里程的大幅衰减，严重制约了车辆的使用便利性。动力电池包作为纯电动汽车的储能部件，是纯电动汽车中的核心总成。由于动力电池的固有特性，在大电流充放电时会产生大量热，过高或过低的温度都会对电池的使用性能产生很大的负面影响，如加速寿命衰减，甚至发生热失控等，同时电池在低温状态下，容量会降低，充放电效率也严重受限。因此在整车开发阶段，必须从整车高低温性能的角度开发热管理系统，保证车辆的使用低成本，消除里程焦虑，提升车辆的使用舒适性。
本文通过GT-SUITE软件搭建了动力电池包的拟三维模型，用等效电路模型描述电池的发热机理，可以同时考虑电池充放电倍率、温度、SOC等影响电池发热的诸多因素。并利用该模型与整车热管理系统进行耦合仿真，评估车辆在高温、低温工况下的充电表现，通过与试验对比验证了仿真精度￥最后将热管理系统与整车行驶系统联合仿真，预测了车辆在不同温度环境下的续驶里程，为纯电动汽车热管理系统开发提供了参考依据。
1 动力电池包及热特性介绍
1.1 动力电池包的结构
纯电动汽车的动力源装置称作动力电池包，其主要构成可以分为S个层级，若干电芯的串联并联形成模组，模组的串联构成电池包。本车型采用方形电芯，它的外壳为铝质材料，卷芯是电池生热的主体部分，由正极材料、隔膜、负极材料、电解质等几部分组成，将电芯材料按电池化学反应机理卷绕堆叠成方形电池。
电池模组是电池包的重要组成部分，模组的支架是一个用绝缘材料和导热材料组成的盒子，将多个电芯单体通过串并联的方式有序地排列在盒子内部，电芯单体之间通过导热板间隔开。图1是某电池模组的结构分解图。
图2是某电动汽车的电池包结构图，电池包内有电池模组、电池控制系统、线束等。水冷装置作为水冷电池包中的重要组成部分，当电池包温度过高或过低时，分别为电池散热和加热，保证电池包内温度处于正常工作温度区间。
1.2 动力电池热特性介绍
工程中很难准确获取电池单体生热速率q的表达式，目前，获取q的表达式主要有理论计算和实验测定。实验测定对实验条件有很高的要求，直接测定是很困难的。在估算电池的生热速率时，传统分析方法常用加州大学伯克利分校D.Bernardi的电池生热速率模型，生热速率q的数学模型如下：
式中，Vb为电池的体积；I是电池充放电电流；V0为电池的开路电压；V1是电池的端电压；T是电池温度。I(V0-V1)表示焦耳热部分，IT(dV0)/dT表示可逆反应热部分，是电化学反应的相关量，对于特定的电池，可认为是常量，由于其值与焦耳热部分相比很小，在仿真过程中可忽略不计。
本文采用基于如图3所示的RC等效电路模型计算电芯的发热功率，其中V0为开路电压，R0为电池欧姆内阻，Rp与电容C组成电池的极化内阻。通过标定等效电路中不同温度不同SOC（State of Charge）下四个参数V0、R0、Rp、τ，建立电芯发热模型。结合电池包的具体运行工况，采用这种方法时电芯发热功率与电池包热流场实时交互，可准确获取不同温度不同SOC下的电芯发热功率。
本文运用HPPC测试数据和电芯运行工况在BDS软件中建立电芯发热功率模型和描述运行工况的电路文件，在进行仿真之前，对单电芯进行了HPPC测试，以便拟合等效电路参数，同时进行了产热功率的测试，用于判断等效数据的准确性。以20℃为例，100%SOC状态下的HPPC曲线如图4所示，1C充电下的产热功如图5所示。
2 基于GT-SUITE的软件电池包拟三维建模及试验对标
本文的研究目的是通过仿真手段预测不同温度下整车快充时间和整车续驶里程，因此电池包的发热需要与周边热管理系统进行耦合仿真。动力电池包三维热仿真手段由于计算时间和计算资源的限制，并不适用于本研究。作者使用GT-SUITE软件，通过拟三维的方法，将电池包内的主要热容和传热构件用参数化的质量单元代替，将主要的传热路径进行抽象描述，搭建了一个简化的电池包传热模型，并与试验进行对标。
2.1 拟三维电池包模型介绍
如前所述，从动力电池整包角度分析，其主要构成可以分为电池模组、水冷板、线束、ＢＭS、电池包外壳等，通过适当简化，仿真只保留对整包热性能靡响较大的部分，其质量分布见表1。
在此基础上通过GT-SPACECLAIM完成电池包基础模型搭建，其模型图如图6所示。
电池包可以大致分为4个部分：
1）电池模组：图7中的A-I为构成电池包的24个电池模组，由于各模组结构相同，为便于建模，此处为自模型。
2）水冷板：电池包水冷板铺设于各模组下方，结构形式为典型口琴管，建模过程中用等效质量和流通面积等代替。
3）电路模型：该电池包模组的串并联关系在电路模型中集中描述。
4）电池壳体：主要用于描述电池壳体、结构和非发热件的热容和传热过程，以及电池包与环境的对流换热。
电池包的主要质量构成和热源为24个模组，各模组的拟三錐模型如图7所示。
各模组的主要构成包括：电芯、导热硅胶、水冷板、冷却液、模组盖板、导热硅胶、绝缘胶等。建模过穆中考虑了各组成部分之间的热传导和对流换热，以及热容、导热系数等主要物性参数，其中电芯由于其自身的结构特点，导热系数体现出典型的各项异性。各电芯的发热模型采用前文所述的RC等效电路模型。
2.2 拟三维电池包模型的仿真和试验对标
为验证电池包发热模型的准确性，进行了电池包台架试验和仿真的结果对比A试验工况为环境温度45℃的电池充放电试验，电池初始条件为SOC＝1，电池事先在45℃环境舱中静置以保证整包温度一致性，试验过程中先对电池包进行NEDC工况放电，然只进行1C快充，充放电电流如图8所示。同时通过水冷机组对电池包持续通入20℃的冷却液，流量为10Ｌ／min，通过电池包各电芯上放置的传感器读取各电芯的温度变化情况，并记录电池包出口水温。
电池包各电芯的最高最低温度和电池进出口水温的仿真试验对比如图9、图10所示5电池包的温度误差为1.7℃，电池包出口水温误差小于1℃，表明该模型精度能够满足系统仿真需求。
3 车辆的高低温快充仿真和试验验证
3.1 快充工况模型介绍
本文以某纯电动汽车为例，重点仿真分析了高温（40℃）和低温（-20℃）工况下，车辆的快充时间和电池温度变化等主要性能指标，其热管理系统结构如图11所示。
该车型采用水冷散热，制冷剂侧与空调系统共用一套压缩机和冷凝器，分别使用chiller和蒸发器完成电池包、空调系统水侧和制冷剂侧的热交换，各支路都配有独立的膨胀阀和电子水泵。在冷却模式下制冷剂经过压缩机压缩为高温高压状态，经冷凝器散热降温分别输送至空调支路和电池热管理系统支路，各支路制冷剂由独立膨胀阀节流并通过蒸发器和chiller完成与空气和冷却液的换热，冷却液通过水冷板与模组热交换散热；在加热模式下，空调和电池包采用共用PTC进行加热，分别通过chiller和暖风芯体完成对乘员舱和电池包的加热。
基于以上硬件结构，一維仿真模型应当包括以下几个部分：电池包模型、电池包冷却回路、PTC回路、空调回路、动力舱及前端模块系统、控制系统等，模型结构如图12所示。
1）电池包模块：电池包使用前文所述的拟三维模型，能准确描述电池包的容量，发热功率，电池温度以及热传导过程。
2）电池包冷却回路：主要包括冷却管路、电子水泵、板式换热器冷侧等，用以描述电池包加热冷却过程的水流量、压降，以及与水冷板和板式换热器1的热侧、板式换热器2的制冷剂侧的对流换热过程。
3）PTC回路：主要包括管路、电子水泵、PTC加热器、板式换热器热侧等，用以描述加热过程的水流量、压降，以及与板式换热器冷侧的对流换热过程。
4）空调回路：主要包括高压及低压管路、压缩机、膨胀阀、冷凝器、蒸发器、板式换热器2冷侧等，用以描述电池包冷却液过程中的制冷循环，以及与板式换热器2热侧的对流换热过程。
5）动力舱及前端模块：主要包括冷凝器、散热器、风扇及相关管路，动力舱部分由COOL3Ｄ功能模块搭建，用以仿真不同工况及风扇转速下的机舱流场，为各热交换器提供进风量仿真数据。
6）控制系统：该模型的控制系统由Matlab-Simulink搭建，主要控制对象包括压缩机转速、各水泵占空比、压缩机转速、PTC加热功率等，控制目标为电池平均温度、温差等。
3.2 快充工况仿真和试验对标
本文选取了高温40℃和低温-20℃两个环境温度作为试验工况，分别进行了仿真试验对标，为保证试验精度，两组试验均在环境舱中进行，并在试验之前充分静置。高温快充工况主要对比了充电时间、电池温度、电池进出口水温、电池包水流暈等参数，并统计了热管理系统的能耗情况，对比情况如画13~图15所示。
从对比结果看，仿真和试验的趋势基本吻合，其中电池包平均温度误差较大，主要原因是电池包平均温度试验数据采集来源为电池包自带的热电偶，测量精度为1℃，测量误差较大，不能完全反映温度变化过程，仿真试验差值在合理范围内。从热管理系统能耗分布图看，压缩机功率达到约400Ｗ，为主要耗能原件。为提高整车能耗表现，在后续车辆改进优化中应着重考虑提高压缩机效率。
低温快充时间过长是困扰用户使用电动车的主襄因素，其主要原因是电池包的低温敏感性，在低温状态下采用大电流充电会对电池的寿命产生较大影响。因此，目前普遍采用的充电策略碁先将电池包加热至热舒适区再采用大电流充电。低温工况下本文主要对比了电池SOC、电池温度、电池进出口水温、电池包水流量等参数，并统计了热管理系统的能耗情况，对比情况如图16~图18所示。从对比结果看，仿真与试验的趋势基本吻合。
从图16、图17可以看出，在充电开始前40min，由于电池温度低于舒适区，充电控制策略禁止充电机使用大电流对电池充电，在后续的改进过程中，应尽缩短该过程时间，提高充电速率。
4 车辆的高低温续驶里程仿真和试验验证
纯电动汽车的续驶里程一般会低于传统燃油车，如果将电池容量受温度影响导致的容量衰减和乘员舱空调耗能都考虑进去的话，则车辆在高温和低温环境下的续驶里程劣势会越发凸显，这个严重缺陷成为个人消费用户拒绝选购纯电动汽车的关键因素。
高温工况下，为了保证乘员舱的热舒适性，需荽开启空调系统，会额外消耗电池的能氣低温工况下，除考虑空调系统能耗，电池的容量受温度影响会大幅衰减，为保证电池使用寿命，需要通过热管理系统对电池进行保温加热。在当前阶段，绝大部分纯电动车没有采用热泵加热。仅使用PTC电子加热器进行电加热，能效低，会额外消耗电池包的大量能量。因此，低温环境下电动车的续驶里程衰减置远大于高温环境。
本文基于前述的热管理系统模型与整车其他相关系统进行联合建模，如图19所示联合建模以后模型主要包括乘员舱、空调系统、动力舱、整车行驶系统、制动能量回收以及相关控制系统。此模型能够充分考虑电池温度、空调及热管理系统能耗、车辆滑行阻力，以及电驱动系统性能等主要因素对续驶里程的影响。
4.1 实车行驶工况仿真对比
本节通过以上搭建的完整的整车热管理系统的一维模型，使用实际低温环境驾驶采集的速度谱，通过仿真试验对标，验证了实车行驶工况下模型的偾真精度。该试验工况的环境温度是-10℃，在电池充满电的条件下进行实际驾驶循环测试。由于建模对象车辆为手动空调系统，仿真过程中的热管理系统状态设置与实际驾驶过程保持一致，HVAC系统开启，PTC挡位为7挡，风机挡位为5挡，所记录的实际驾驶的车速曲线如图20所示。
实车行驶工况下的电池SOC仿真试验对比如图21所示，电池电流仿真试验曲线对比如图22所示，电池平均温度如图23所示，乘员舱平均温度仿真试验对比如图24所示。
图21所示的电池SOC最大误差为2%。由于试验过程包括行驶状态和停车状态，说明热管理系统功耗与行驶功耗均能与试验值吻合良好。图22所示的电池电流仿真试验对比图中，驾驶过程中有加速与减速过程，在加速时电机需要电池电流输出，因此为正值；制动过程中，存在制动能量回收，电机转变为发电机，为电池进行充电，电流转变为负值。仿真与试验的电流曲线整体趋势一致，由于实际驾驶工况下有些误差因素，属正常误差范围，且电流-时间积分误差在2%以内，满足实际预测精度要求。图23和图24所示的电池平均温度和乘员舱平均温度的仿真和试验的趋势基本一致。
4.2 不同环境温度下的NEDC续驶里程仿真
基于前述实车工况仿真试验对比，本文使用标准NEDC工况预测该车辆在不同温度环境下的NEDC续驶里程。根据实际开发需求，分别仿真预测了-10℃、10℃、-25℃、40℃温度点，开启空调与关闭空调情况下的续驶里程，如图25所示。
在25℃环境温度下，空调和热管理系统均处于关闭状态，一维仿真续驶里程为367km，实际实车实验结果为355km，误差满足5%要求，整车能耗分布如图26所示。
在热管理系统关闭情况下，随着电池温度升高，续驶里程未产生明显衰减。在25℃环境下使用，NEDC工况电池输出功率较小，发热量不大，不会产生较大安全问题，同时电池容量和放电深度不会随温度轻度升高幅衰减。
在40℃高温环境热管理系统开启的情况下S由于乘员舱对制冷有较大需求，压缩机等部件消耗了大量电能，续驶里程在40℃时衰减至309km，从图27的能耗分布图也可以证实该预测的合理性。
低温-10℃环境下，如果不开启热管理系统，随着温度的降低，车辆续驶里程衰减至320km，这个衰减主要是因为电池的容暈和放电深度在低温情况下降低了约10%。在实际驾驶过程中，为保证乘员舱的热舒适性，必然会开启空调系统为乘员舱加热，空调系统使用最大功率取暖，续驶里程大幅衰减至190km。如图28所示能耗分布情况，空调系统PTC加热器消耗了电池的大量能量。
5 总结
本文首先介绍了典型的动力电池包的结构，用等效电路的方法建立了单电芯发热模型，并用GT-SUITE拟三维建模方法搭建了一个可以与动力电池包内热管理回路相耦合的动力电池包热拟三维仿真模型，并与台架试验进行对比，证明了此模型的仿真精度。
然后以风神某纯电动汽车为基础，搭建了完整的高低温快充热管理系统的一维仿真模型，与高低温快充试验结果进行对比，怔明了该仿真方法的实用性。最后将热管理系统与整车进行联合建模，分析了不同温度环境下车辆的续驶里程和能耗分布，为今后的整车热管理系统性能提升和控制策略优化提供了技术基础。
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