新能源汽车热管理

什么是新能源汽车热管理？

新能源汽车 (EV) 热管理涉及调节乘客舱以及电池、电力电子设备和电机等关键部件的温度。除了确保安全性和舒适性之外，设计良好的新能源汽车热管理系统在车辆效率、快速充电能力、部件寿命和整体续航里程方面也发挥着重要作用。

Simscape 模块图：显示新能源汽车热管理系统架构，包括冷却部件和热载荷。 — 在 Simscape 中表示的典型新能源汽车热管理系统的架构。

为什么新能源汽车热管理如此重要

安全性

电池热失控预防：通过控制电芯和电池包温度，电池热管理系统降低电池包过热和热失控事件的可能性。
电机和电力电子部件保护：持续监测冷却液温度和电力电子设备结温有助于避免可能损坏部件或造成不安全运行状态的情况。

性能

快速充电就绪情况：电池温度对充电电流限值有显著影响。将电池温度保持在最佳范围内可以实现更快、更一致的直流快速充电。
高功率运行：为逆变器和电机维持安全的温度范围，可以在不降额的情况下支持持续加速和爬坡性能。

舒适性

空调温控管理：该系统通过热泵或传统的蒸汽压缩制冷系统来调节车厢温度。
集成加热和冷却：来自电机或电力电子设备的废热可以重定向以加热车厢，电池冷却回路可以与制冷剂回路集成，以高效地共享热资源，从而延长车辆续航里程。

寿命

电池寿命延长：避免长时间暴露在极端温度下可以减缓化学降解和容量损失。
电子设备和电机耐久性：稳定的热环境可降低功率半导体器件和电机绕组中的热循环应力。

使用 MATLAB 和 Simulink 设计和仿真新能源汽车热管理系统

MATLAB^® 和 Simulink^® 为新能源汽车热管理系统的建模、仿真和优化提供了完善的环境。您可以：

对电池、电机和电力电子设备的热行为进行建模
开发支持实时仿真的整车冷却液、空气和制冷剂回路模型
开发在不同模式下运行压缩机、阀和泵的控制算法
监测部件温度、功耗和热流，以确保即使在极端工况下也能安全高效地运行
仿真燃油经济性、续航里程、系统降额、老化和其他热效应，以针对实际工况优化系统

捕获部件热行为

使用 Simscape™、Simscape Electrical™ 和 Simscape Battery™，您可以在真实工况下对新能源汽车部件如何产生和传递热量进行建模。Simscape Electrical 在部件模型中直接表示热效应，从而捕获电机的绕组电阻损耗以及涡流和磁滞产生的铁损。它还对电力电子设备的开关事件和导通损耗生成的热量进行仿真。这些效应可以帮助您了解稳态运行和瞬态事件（如峰值扭矩需求或爬坡）期间的部件温升。

Simscape Battery 提供电芯、模组和电池包级别的详细热行为。通过定义传导和对流路径，您可以从电芯到电芯、电芯到板以及电芯到环境的角度来表示热量如何传递。使用具有平行流道、U 形流道和边缘冷却配置的预置冷板模块，您可以研究不同冷板设计如何影响热均匀性，并在快速充电、高功率放电和再生制动期间抑制热点。这些模型还有助于对不同老化程度的电池包执行热性能分析，以满足寿命终止时的保修标准。

通过捕获这些部件级热行为，您可以预测瞬态温升、评估运行限制，并了解每个部件如何影响车辆的整体热需求。

圆柱形电池电芯安装在冷板上方的并排示意图：显示用于分配热量或气流路径的不同仿真策略。 — 电池热行为

电机的热网络图：显示绕组（A、B、C）、转子和环境之间通过传导和对流的热传递路径。 — 电机热行为

三相逆变器的 Simulink 图：具有由开环控制器驱动的六个 IGBT 开关（A、B、C 高/低），馈入分相器和求解器。 — 功率转换器热行为

对冷却和加热架构进行建模

使用 Simscape 和 Simscape Fluids™，您可以为新能源汽车进行完整的热管理系统建模，包括用于电机、电池和电力电子设备的冷却液回路，用于车厢 HVAC 和电池冷却的制冷剂回路，以及用于寒冷气候下高效加热的热泵系统。湿空气、液体、热和制冷剂域中的部件（泵、压缩机、阀、冷板、冷凝器、蒸发器和管道网络）均可使用供应商数据或测试测量值进行参数化。这种方法使您能够捕获真实的流行为、热传递性能和运行限制，同时考虑压降、功耗和其他设计约束。

一旦对系统架构进行了建模，您可以运行行驶工况和瞬态仿真，以研究冷却液回路和制冷剂回路在快速充电、冷浸启动和陡坡爬升期间如何交互。您也可以比较主动、被动和混合冷却策略；针对最差情形对泵、冷板和热交换器进行选型；并了解液冷、制冷剂冷却与风冷辅助等冷却策略之间的权衡。这些仿真帮助您量化车厢加热和冷却载荷如何影响车辆续航里程，并评估热泵运行相对于电阻加热的性能优势。通过在单一建模环境中探索这些权衡，您可以评估替代热架构并设计满足性能和效率需求的系统。

Simscape 模块图：显示新能源汽车热系统架构，包括冷却部件、热载荷和控制。 — 使用 Simscape Fluids 构建的带热泵的新能源汽车热系统示例。

设计新能源汽车热管理的控制策略

新能源汽车热管理意味着在环境条件、功率要求和舒适性需求变化时管理电池、电机、电力电子设备和车厢温度。Simulink^® 通过基于模型的设计为开发控制策略提供结构化环境，使工程师能够设计结合前馈和 PID 方法的闭环控制，用于阀作动、质量流量（泵）控制和热交换路径选择。同一环境还支持动态规划等更高级的方法，用于预测性热管理。使用 Stateflow^®，您可以定义监督逻辑，根据电池温度、环境条件和运行约束管理工作模式之间的转移。

通过在单一仿真环境中集成物理模型和控制逻辑，您可以在开发周期早期设计和测试监督式热策略，从而减少高成本的硬件变更。您可以评估在接近热限值时，何时以及如何对扭矩或充电功率进行降额，量化不同工作模式如何影响能耗和车辆续航里程，并在各种行驶工况和环境条件下进行快速假设分析。您也可以在车辆或硬件在环 (HIL) 测试之前，更有信心地细化控制策略以满足性能、安全和效率目标。

Simulink 模块图：具有每个新能源汽车热系统作动器（包括风扇、泵、阀和压缩机）的控制子系统。 — 新能源汽车热系统作动器的控制算法。

创建 ROM、生成代码并执行 HIL 测试

使用 Simulink、Embedded Coder^® 和 HDL Coder™，您可以从控制算法生成高效的 C/C++ 或 HDL 代码，并从 Simscape 被控对象模型生成代码，用于在 dSPACE^®、Speedgoat^® 和其他 HIL 平台上进行快速原型构建和实时执行。通过在物理测试之前在实时环境中运行您的热管理策略，您可以确认安全工作行为、评估降额和模式转移，并减少对高成本且容易带来风险的硬件测试的依赖。

由于热流体系统的控制方程的高度非线性特性，复杂的热管理系统模型可能并不始终能够在实时条件下运行。为了使用此类模型执行 HIL 测试，您可以从物理模型中最具数值挑战性的部分创建数据驱动的降阶模型 (ROM)。通过将复杂动态简化为更易于管理的形式，ROM 使工程师能够执行仿真，同时保持有效控制器验证所需的准确性。

针对 HIL 进行分区的模型，从控制算法生成代码，在实时系统上对物理模型进行仿真。 — 使用热 ROM 生成和部署控制代码并执行 HIL 测试。

工程师可以使用 MATLAB、Simulink、Simscape 和 Simscape Fluids 设计稳健高效的新能源汽车热管理系统。通过利用仿真和虚拟测试，团队可以加速开发周期、增强可靠性并降低物理原型构建成本。随着安全需求的提高以及对部件性能和寿命的期望不断增长，MathWorks 解决方案使工程师能够推进热管理技术，并开发更安全、更高效、更持久的新能源汽车。