Amesim 新能源汽车热管理系统开发

温度是影响新能源汽车各系统性能的关键变量。在新能源动力总成系统里，它不仅会作用于发动机、电机、电池的工作效率，还对电池寿命与使用安全性有着显著影响。所以，设计一套科学合理的新能源热管理系统十分必要，其目的是让新能源汽车动力总成各部件都能在最佳温度区间内发挥性能，从而满足整车续航里程等动力性与经济性指标。由此可见，热管理及整车能量管理是新能源汽车领域的重要技术方向。

      在这一技术领域中，存在诸多需要解决的问题，例如：怎样平衡发动机模式、纯电模式与混动模式，以实现混合动力汽车油耗最低？如何提升纯电动汽车的续航里程？怎样加快发动机暖机进程，满足更严格的法规要求？如何确保动力电池在各类工况下都处于合理温度范围？怎样设计电池包单体布局，保障足够的散热能力？该选择风冷、水冷还是空调快冷等合适的散热方式？如何对水泵、风扇进行主动转速控制，提高整车能量效率？以及如何匹配空调系统，在满足整车制冷需求的同时提升能量利用率？而 Simcenter Amesim 系统仿真平台，能够精准完成上述多系统耦合的匹配分析与优化工作。

一、Simcenter Amesim 新能源热管理系统模型构建

如图 1（Amesim 热管理系统模型架构）所示，Simcenter Amesim 新能源热管理系统仿真可搭建发动机冷却 / 润滑、电池热管理回路、电机热管理回路等热管理系统，同时能构建精准的发动机、电池、电机等模型。在计算发动机、电池、电机性能的过程中，为热管理系统提供准确的发热边界条件，而动力部件的性能又依赖于整车实际的驾驶循环。

基于此，Simcenter Amesim 能够构建新能源整车动力性 / 经济性模型、热管理模型与控制模型相结合的整车能量管理模型（VEM）。在整车控制及热管理控制策略建模方面，除了利用信号库搭建控制策略模型，Simcenter Amesim 的 Statechart 模块还能助力快速实现状态控制策略。借助 Statechart 建立的电动车热管理策略，包括优先电池冷却、优先乘员舱冷却以及电池与乘员舱平衡冷却，具体如图 3（Amesim Statechart 控制策略模型）所示。

此外，通过分析 US06 工况下某电动车的能量流程图（图 4），可以量化各子系统、部件在整车中的功耗情况，为系统的改进与优化指明方向。

二、Simcenter Amesim 新能源热管理典型应用

2.1 热管理系统匹配分析

Simcenter Amesim 热管理系统能够对水泵、系统管路、发动机、电池、电机等各类零部件的水套模型，以及散热器、chiller 等各类换热器进行建模，进而完成发动机、电池、电机等不同热管理系统的详细搭建。该系统可满足风冷、液冷、直冷等不同电池热管理架构的系统匹配与分析优化需求，典型电池热管理系统架构如图 5 所示。

以电机热管理回路系统模型为例，来阐述 Amesim 热管理系统的匹配流程。首先搭建水泵、逆变器水套、电机水套、管路及散热器模型，将本体热容模型与整车动力性 / 经济性模型耦合，计算出精准的电机和逆变器动态发热边界，随后分析水泵、散热器等部件的性能是否能满足整车不同工况热负荷下，对电机、逆变器等的温度控制要求，电机热管理回路如图 6 所示。

图6   电机热管理回路

在相同工况下，还能开展不同部件、不同参数对热管理系统性能的耦合分析。比如，分析不同水泵转速、不同散热器尺寸参数对电机转子温度及温度控制的影响，从而为热管理系统的进一步改进优化提供依据，参数敏感性分析如图 7 所示。

2.2 续驶里程预测分析

对于纯电动汽车而言，高低温环境会带来两方面影响：一方面会显著影响电池自身性能；另一方面，低温环境下电池和乘员舱的加热需求，高温环境下电池、电机的降温需求以及乘员舱的制冷需求，都会使相应系统功耗增加，进而对整车续航里程产生明显影响。不同环境温度下，整车各子系统的能耗占比及对续航里程的影响如图 8（EV 能耗分布及对续驶里程影响）所示。

图 8 中的数据仅反映了电动车在不同温度环境下续航里程的大致变化趋势。若要对某一具体电动车的续航里程进行分析，可利用 Simcenter Amesim 搭建包含整车动力性 / 经济性模型、热管理系统及空调系统模型的续航里程预测分析模型，低温续驶里程预测模型如图 9 所示。

在低温环境续航里程预测分析中，Amesim 的精准电池模型不仅能考虑低温环境下电池容量的损耗，还能计算不同驾驶循环下 PTC（正温度系数加热器）为电池和乘员舱加热所导致的系统功耗增加。例如，某电动车在环境温度从 - 10℃到 10℃（间隔 4℃，共 6 个工况）的 NEDC 循环下，续航里程的变化趋势如图 10 所示，该结果也融入了电池和乘员舱的加热策略。

而在高温续航里程预测分析中，面临的新挑战是空调系统的加入会增加系统复杂度，同时必须考虑高温环境下电池与乘员舱制冷功率需求的平衡问题。以液冷系统为例，图 11（Amesim 高温续驶里程预测模型）中红色圈出的模块，便是液冷系统关键部件 Chiller 的详细物理模型。

高温续航里程的完整模型，还包含前文提及的利用 Amesim Statechart 功能搭建的详细热管理控制策略模型。通过该模型，可分析三种不同的电池与乘员舱降温策略，以及不同环境温度对整车能耗的影响。例如，在一次 NEDC 循环中，不同环境温度（20℃/30℃/40℃）和不同热管理策略（1：电池冷却优先、2：乘员舱冷却优先、3：电池与乘员舱平衡冷却）对电动车续航里程的影响，计算结果以一次 NEDC 循环后的剩余 SOC（_state of charge，电池剩余电量）呈现。