【技术贴】AVL电动车能量管理仿真解决方案

【技术贴】AVL电动车能量管理仿真解决方案的图1

1. 背景

电动车能量管理是提高电动车整体效率、增加续驶里程的关键技术。此外,在实采路谱条件下电动车能量管理还可以对三电系统的工作条件进行详细分析和优化,保障三电系统安全运行,避免其长时间运行在危险条件下,有效延长其使用寿命。电动车能量管理技术涉及动力传动系统、三电热管理系统、HVAC以及能量管理控制策略等多个领域。随着人们对车辆性能,能耗以及舒适性要求的日益提高,车辆系统设计以及动力总成架构越来越复杂,系统变量也呈指数级增长。为了应对这些挑战,在项目早期通过虚拟仿真技术搭建整车能量管理模型,在虚拟开发阶段对不同部件进行合理匹配,对不同控制策略进行仿真优化,可以显著降低开发成本和周期,提高开发质量。

2. AVL仿真解决方案

2.1基于CRUISE M的电动车能量管理建模与仿真

CRUISE M是一款车辆多学科的系统级仿真工具,CRUISE M仿真平台专门设计用于车辆多物理系统的仿真,和高度灵活、多层次的建模方法相结合,同时集成了第三方工具的标准接口FMI,可以无缝的将发动机热力循环、尾气净化装置系统、新能源电气化系统、冷却和润滑系统、车辆传动系统、空调系统、余热回收系统以及控制系统集成到统一的仿真平台上。

【技术贴】AVL电动车能量管理仿真解决方案的图2

基于CRUISE M可以搭建详细的整车能量管理模型。对于电动车型,搭建相应的热管理系统、电机及功率元件模块、电池系统、HVAC系统、车辆和动力传动系统以及控制系统模型,针对不同的环境条件及驾驶循环,研究热管理系统工作性能,整车能量流分布,控制策略优化等内容。其相关功能和特点包括:
  • 包含全部耦合子系统的系统级仿真,考虑所有子系统间的相互作用;
  • 可研究动态过程中电池、电机响应特性对整车性能的影响;
  • 能进行车辆能量管理系统的概念设计、参数匹配与优化;
  • 支持进行车辆系统工作模式优化及控制策略开发,实现对关键部件高效的加热和冷却;
  • 乘客舱舒适性分析:制冷、采暖能量分析
  • 通过建立电池、电机和对应的热管理系统,对电池和电机稳态和瞬态工况下的能量流动过程进行模拟,计算出到整个系统的能量流动和能量分配情况,以及冷却系统各回路的流量和各部件的温度、散热量等。
  • 防止系统中关键部件出现热损坏,减少热量损失和部件耗功,高效利用和再利用热能,提高系统效率,增加续驶里程,并预测各种冷却系统改进措施对经济性和动力性的贡献,为智能热管理控制系统的开发提供依据。

【技术贴】AVL电动车能量管理仿真解决方案的图3

图1 基于CRUISE M的整车能量管理仿真原理图

2.2 基于Model.CONNECT的电动车能量管理建模与仿真

整车能量管理仿真涉及系统学科众多,受制于传统开发模式和部门分工影响,不同系统由不同的部门负责,由于历史原因可能导致不同部门使用不同的仿真软件。在进行整车能量管理仿真过程中,若能够将这些模型直接集成起来进行仿真不但可以保护各个部门的核心数据,也可以大大地减小重复的建模工作量。AVL集成和开放的开发平台Model.CONNECT为实现上述目标提供了可靠的技术手段。

Model.CONNECT可以将使用不同的软件工具生成的子系统或者部件模型集成起来,组成系统级仿真模型并执行相关的仿真计算以及优化任务。使用这个工具,用户可以快速构建系统级模型,而无需像传统解决方法必须依赖大量的软件供应商提供的开发软件定制接口进行模型的联合仿真。用户可以根据产品设计和分析目标的需求在不同的产品开发阶段互换相关联的模型,组成自己所关心的系统级仿真模型。

【技术贴】AVL电动车能量管理仿真解决方案的图4

图2 Model.CONNECT 模型及常见支持软件

Model.CONNECT支持30多款汽车行业常用软件,包括CRUISE,CRUISE M, AVL BOOST, AEMSim, GT-SUITE, KULI, Flowmaster, Dymola, MATLAB等。为应对联合仿真可能导致的计算速度较慢问题,Model.CONNECT支持分布式联合仿真、HPC及云计算,有效提高联合仿真速度。另外,车辆能量管理涉及多领域多学科模型耦合,不可避免产生耦合误差,Model.CONNECT专利技术误差补偿算法NEPCE(Near EnergyPreserving Coupling Element) 结合多种技术用以补偿和消除协同仿真误差,并确保最大的仿真精度。图3显示了采用耦合补偿算法后,车辆百公里车速条件下刹车距离的模拟,可以看到采用补偿算法能够精准避免由于耦合误差导致的1.9m刹车距离的误差。

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图3 百公里车速下刹车距离的模拟

Model.CONNECT 作为联合仿真平台,实践证明能够有效的将整车能量管理各个子系统模型无缝联合起来,组成系统级仿真环境,并执行能量管理相关的仿真计算以及任务优化。

3. 案例分析

3.1基于CRUISE M的电动车能量管理仿真实例

基于CRUISE M搭建电动车能量管理模型如图4所示,包括整车动力传动系统、电机冷却系统、空调制冷及采暖系统和电池热管理系统。在这个案例中,为了模拟较大的整车负载,驾驶循环定义为两组US06循环。

【技术贴】AVL电动车能量管理仿真解决方案的图6

图4 基于CRUISE M搭建电动车能量管理模型图

电机冷却系统如图5所示,考虑了对充电机、电机控制器和驱动电机的冷却,冷却方式包含:小循环冷却、电机余热回收用于电池加热模式以及电机散热器模式。

【技术贴】AVL电动车能量管理仿真解决方案的图7

图5 电机冷却系统模型图

空调与电池热管理系统模型如图6所示。在常规的空调系统回路基础上,并联了一路Chiller支路用于电池包冷却。电池热管理系统包含了冷却和加热两种方式,电池包冷却通过电池冷却液与Chiller换热实现,电池包加热通过电机余热回收和PTC加热实现。

【技术贴】AVL电动车能量管理仿真解决方案的图8

图6 空调与电池热管理系统模型图

根据以上模型,可以对电动车辆的热管理性能及续驶里程等结果进行分析。

图7展示了38℃环境下车速,电机进、出水温,电池进出水温随时间的变化。车速变化导致电机需求功率以及电机散热器的风量变化,模型可以计算出电机冷却水温,从图中可以看到部分区域电机冷却水温超过80℃,可能会引起电机的功率保护,相应地需要对电机冷却系统进行优化。另外,模型中定义了Chiller的工作区间为水温超过50℃开始工作,水温低于30℃停止工作。从仿真结果可以看到,由于电池冷却系统只有Chiller一种冷却形式,开始阶段进出水温均逐渐升高,一旦水温到达50℃,Chiller开始工作,水温迅速下降,当水温低于30℃以后,Chiller停止工作,水温又开始继续逐渐上升。在本案例中,两组US06循环下,Chiller工作两次。

【技术贴】AVL电动车能量管理仿真解决方案的图9

图7 车速,电机进、出水温(左),电池进、出水温(右)随时间的变化

由于Chiller支路的工作会影响蒸发器支路冷媒的流量,因此必然会对乘客舱降温性能产生影响。图8左展示了该工况下电池冷却液温度和乘客舱平均温度随时间的变化。可以看到当冷却液温度到达50℃后,Chiller开始工作,此时乘客舱的温度会明显上升,当冷却液温度到达30℃以后,Chiller停止工作,此时乘客舱平均温度又会迅速下降。从这里可以看到,由于电池包的热管理与空调系统的相互耦合,导致系统之间联系更加紧密。在系统设计及控制策略开发过程中,需要明确各个系统的需求和相应的优先级,对各项性能进行平衡。图8右展示了38℃环境下制冷空调开闭对电池SOC的影响。可以看到空调开启状态下电池SOC下降更快。折算成US06循环的续驶里程,空调关闭状态下为303km,空调开启状态下为249km,空调开启使续驶里程下降了18%。通过整车能量管理模型,可以对整车能量流进行分析,研究各个子系统功耗,在此基础上对子系统或者不同的热管理控制策略进行仿真优化,提升电动车的续驶里程。

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图8 电池冷却液温度、乘客舱平均温度随时间变化(左),制冷空调开闭对电池SOC的影响(右)

3.2 基于Model.CONNECT的电动车能量管理仿真实例

在进行整车能量管理仿真过程中,为了充分利用不同部门所搭建的子系统模型,可以通过ModelCONNECT将不同软件所搭建的模型集成在一起,考虑不同子系统之间的相互作用对整车能量分配策略进行优化。图9为基于Model CONNECT所搭建的电动车能量管理系统模型,其中动力传动系统基于AVL CRUISE软件搭建,其他系统均基于AVL CRUISE M所搭建。对于广大用户来讲,完全可以基于公司各部门的实际情况集成诸如GT-Suite,Kuli,Flowmaster,Matlab,AMESim等所搭建的热管理子系统模型及控制策略。近年来,我们也成功支持不同的用户开展过类似的工作。

【技术贴】AVL电动车能量管理仿真解决方案的图11

图9 基于Model.CONNECT搭建电动车能量管理模型图

在该模型中,整车动力传动系统接收热管理其他子系统计算得到的电池、电机、逆变器温度和附件功耗,同时作为热管理系统的热源。电池冷却系统通过三通阀控制Chiller支路和小循环回路冷却液流量。当电池温度过低时,通过PTC加热装置使电池快速预热,同时用户也可以选择使用电机余热回收装置加热电池。客舱空调系统一方面监控电池温度,对Chiller制冷剂回路的流量进行控制,另一方面将客舱温度控制在目标值范围内。不同系统之间的相互关系和各子系统控制策略如图10所示。

【技术贴】AVL电动车能量管理仿真解决方案的图12

图10 电动车能量管理仿真原理图

基于该模型,可以进行不同季节环境下车辆性能仿真。图11为仿真得到的WLTC循环过程中不同季节电池、电机和逆变器温度变化情况(红色为春季,蓝色为夏季,绿色为冬季)。可以看到,基于当前冷却系统架构和运行策略,可以实现冬季电池快速预热,在夏季将电池温度控制在合理范围内。从对比结果上看冬季WLTC循环后期电池温度高于春季工况,主要原因在于冬季客舱需要通过PTC加热装置加热,电池放电功率较大,对应的电池发热量大于春季工况。

【技术贴】AVL电动车能量管理仿真解决方案的图13

图11 WLTC循环过程中不同季节电池、电机和逆变器温度变化情况

基于所搭建的VEMS系统模型可以进行热管理系统中关键部件选型匹配、控制策略优化及不同热管理技术对整车能耗影响的研究。图12为冬季WLTC循环工况下是否加入余热回收支路对电机和电池温度的影响,以及对电池总能耗的影响(虚线为考虑电机余热回收结果,实线不考虑余热回收结果)。在该模型中电机余热回收支路在电池温度小于20℃开启,当电池温度超过20℃以后,开启电机大循环散热,大循环支路开启后电机温度急剧下降。从图中可以看到电机余热回收加入后可以使电池更快预热,最终使冷启动过程中电池耗电量减少2.2%,但同时由于电机大循环回路开启时间延迟导致电机温度升高。

【技术贴】AVL电动车能量管理仿真解决方案的图14

图12 余热回收系统对电池电机温度及电池总能耗的影响

4.  结论

针对电动车能量管理仿真,AVL提供了基于系统级仿真软件CRUISEM的解决方案,其主要优点是建模简单,功能模块全面,在一款软件上即可完成整车能量管理的仿真,可以完成整车动力传动系统,电池电机热管理系统以及HVAC系统等的建模、分析与优化的仿真任务。

考虑到整车能量管理涉及系统众多,各个系统部门可能使用不同软件进行相应的仿真工作,为了避免客户重复建模,充分利用各个部门模型的优势,AVL提供了基于集成和开放式仿真平台Model CONNECT的整车能量管理仿真解决方案,用户可以通过ModelCONNECT将不同软件所搭建的模型集成在一起,进行整车能量管理仿真,并进行相应的优化工作。

电动车能量管理AVL CRUISE M

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