【技术贴】AVL CRUISE M整车能量管理应用流程

AVL CRUISE M作为一款多物理场系统仿真工具，支持用户开展新能源整车能量管理虚拟仿真，本篇文章为您详细介绍AVL CRUISE M整车能量管理应用流程。

新能源汽车的耗能部件越来越多，结构越来越复杂，并且系统关联性更强，集成度也更高，如果是采用试验的方法进行整车能量优化工作，成本和周期都会大大增加。AVL基于这些挑战开发出一款多物理场系统仿真工具AVL CRUISE M， 能够在一个模型中集成机械、电气、气路、热网络、两相流等多个物理场，系统考虑发动机、变速箱、传动系统、电气化动力总成部件、冷却润滑、空调客舱等，仿真分析在循环工况下整车能量传递过程，有效监控各个系统或部件的能耗占比，为实现整车层级能耗最优提供支持。

对于纯电动汽车，动力电池的化学能转化为电能，再通过电机转换为机械能驱动车辆。电池是唯一的能源，无论是车辆驱动还是热管理系统，都需要从电池获取能量。因此如何在保证安全性、舒适性、可靠性的前提下，确保电动车能耗最低，续航最优是当前OEM面临的难点课题。AVL CRUISE M能够搭建详细的整车能量管理系统模型，包括动力传动系统、动力总成热管理系统以及空调客舱系统，基于此，支持分析优化各个系统性能，做到各个系统之间的耦合控制最优，从而，使得整车能耗最低。接下来，详细介绍AVL CRUISE M整车能量管理应用流程：

第一步：动力传动系统建模和仿真

动力传动系统模型是整车能量管理模型中最基础也是最重要的部分，能够提供车辆运行的速度，转矩等工况信息，主要包括动力系统和传动系统两部分，用来模拟动力输出（发动机或电池），以及动力传递到轮端，产生驱动力，使得汽车能以一定的速度行驶。

AVL CRUISE M支持搭建各种不同类型的动力传动系统模型，包括纯电动车、混合动力车辆、传统燃油车、燃料电池车。上图为纯电动车动力传动系统模型。

基于搭建的动力传动系统模型，可以开展如下整车动力性经济性能仿真：

1）加速性能仿真 2）最高车速仿真 3）爬坡性能仿真 4）续航里程仿真

除了按照建模流程手动搭建动力传动系统模型，AVL CRUISE M还提供了一种快速搭建动力传动系统模型的工具Powertrain Model Generator，目前，支持传动车（MT/AT/DCT/CVT）、纯电车、混动车和燃料电池车等。

基于动力传动系统模型，在预研及虚拟开发阶段，能够基于整车动力性经济性开发KPI进行动力总成架构选型匹配、动力总成部件选型、关键动力系统部件进行参数优化。

第二步：动力总成热管理系统建模

动力总成热管理系统主要包括以下四部分：

1）发动机热管理系统，AVL CRUIS M支持搭建发动机冷却润滑回路，模拟流经发动机水套的高温冷却液通过散热器与环境实现热量交换，低温下实现快速暖机，冬天实现对客舱进行加热；

2）变速箱热管理系统：搭建包括油泵，润滑油路等，模拟润滑油对变速器进行冷却；

3）电池热管理系统：搭建电池水冷板和冷却液回路，模拟高温下chiller与制冷剂回路换热，通过冷板对电池进行温度控制；低温下，通过热泵或者PTC对冷却液进行加热，从而通过冷板对电池进行加热，使其工作在较为合适的温度范围内；

4）电机热管理系统：建立包括油泵的油冷回路，或者冷却液回路，通过换热器与外部环境或者其他回路进行换热，从而控制电机的工作温度。

纯电动车的热管理对续航影响更为明显，上图为电池热管理系统，主要包括两部分，右侧为电池的水冷板建模，左侧为电池的冷却回路建模。可以基于需求，搭建不同详细程度的模型，电芯级、模组级以及整包级，来模拟电池内部的热管理回路，从而实现电池温度监测和控制。

AVL CRUISE M支持从三维CFD模型转为1D详细的热网络模型，不仅能够提高一维热管理模型建模效率，而且能够提高模型精度。

对于电机热网络模型，同样支持3D转1D的热管理模型建模。也支持基于AVL CRUISE M中模块搭建相应的模型。

以水冷电机为例，水冷电机热管地路径为：轴-轴承-转子-定子-壳体-冷却水套，将每个发热环节、传热路径离散出来，以传热质量块的形式，模拟分析各个热源之间热传递路线。然后，搭建冷却回路模型，与各个热质量块进行换热。

第三步：整车空调系统建模

对于纯电车而言，空调系统对高温和低温的续航影响很大，研究表明，低温下，AC ON会导致续航里程40%左右的降低，有必要搭建详细的空调系统模型，在虚拟环境下优化空调系统的策略，保证舒适性和经济性。空调系统主要包括压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器、储液罐、高低压管路电气控制装置等零部件系统。一般空调实现的功能是制冷，但是可以通过一个四通换向阀将冷凝器和蒸发器功能互换，实现制热，也就是热泵模式。

如上图，为控制制冷模式和热泵模式，在制冷剂回路中通过冷凝器冷凝方法，蒸发器蒸发吸热实现客舱内部和外部环境之间的热交换，从而实现客舱的降温和采暖的功能。在整个回路会涉及到制冷器与空气的换热，制冷剂与电池冷却回路换热，AVL CRUISE M中换热器模型方便搭建此换热模型，并基于VLE calibration自动标定工具自动标定蒸发器或者冷凝器的换热量。

除此之外，还需搭建乘客舱模型，模拟与空调系统耦合，对整个降温采暖，混风控制，鼓风机风量进行模拟。

第四步：整车能量管理系统耦合仿真

整车能量管理关注的是整车层级的经济性，需要将各个系统连接起来（机械、电气、热、控制），实现整车能量管理系统的完整建模，如下图为纯电动车完整的能量管理模型，基于此模型，可以仿真分析系统级的能耗，开展能量流分析，从而从整车经济性角度进行分析和优化。

第五步：系统优化及DOE

AVL CRUISE M自带两种优化工具DOE和Optimization，可以将关键KPI（如高低温续航、百公里电耗）设置为目标，将需要优化的参数设为变量，进行自动寻优：

· 常用的优化和DOE内容

①主减速比 ②部件优化 ③压缩机和泵性能map优化 ④能量回收控制边界，如回收强度

⑤热管理控制边界，如阀开启关闭的温度 ⑥管路支持或节流口大小控制参数