里程焦虑的“终结者”

续航里程始终是客户购买电动汽车的首要考虑因素，因此对于工程师而言，这意味着要实现从电池到车轮的整个动力总成系统的最佳效率。如Jesse Crosse的报告所述，里卡多创新的基于模型的集成开发框架非常适合高度复杂的电动汽车热管理系统的开发。

如今的电动汽车买家对价格更为敏感，续航里程的增加也不再是一味地增加更大、更重、更昂贵的电池包。为了满足最终用户的需求，电动汽车应该另辟蹊径，最大程度地提高动力总成的效率，充分利用电池的每一度电。

整个xEV系统中高效的热管理是关键。这里的“x”代表所有类型的电动汽车：从纯电池电动汽车到插电式混动汽车，再到增程式电动汽车。高效热管理不仅可以提高续航里程，还能显著改善乘客舒适度，提高汽车充电性能、电池耐久性以及续航里程的可预测性。最后一点非常重要，因为除了里程焦虑之外，如何在不同路线和天气条件下预测剩余里程也是许多潜在买家关心的问题。

里卡多在xEV系统的设计中采用了综合热管理策略，不仅着眼于动力传动系统，也注重整个车辆系统（包括乘客舱）。基于模型的集成开发框架（IMBD）是这一策略的关键。其考虑到了所有的车载系统及其作为一个整体对车辆能耗的影响。

电子视野缓解焦虑

电动汽车市场正迎来里程与性价比并重的关键节点，长里程电动汽车不再是高端购买者专有的。目前售价35,000英镑左右的电动汽车基于WLTP循环的续航里程已经达到约450公里。此外，随着电池成本持续下降，电动汽车与其同级别的内燃发动机（ICE）汽车之间的价格差异也在不断缩小。

很显然，如今高级的工程需求不仅是要充分利用电动汽车电池的能量，还要发掘动力系统零部件与电力电子元器件中残留的潜在热能。这又给汽车制造商带来了真正的挑战。

里卡多热系统全球技术专家Cedric Rouaud博士解释说：“零部件需要在不同温度下运行，导致了动力总成、加热和冷却系统的复杂度不断提高。电池的工作温度接近于人类体感最舒适的温度，因此就像车内增加了一位乘客。但电力电子元器件和驱动电机的工作温度更高，这显著地增加了硬件和控制系统的复杂性。”

他还补充说：“我们必须找出耦合或分离冷却与加热回路以及废热再利用的方法，还要根据环境温度和驾驶条件对其进行控制。我们还在研究利用卫星导航系统预测路况，以减少车载辅助设备的能耗。”

这种预测技术通过卫星导航系统获取道路类型、弯度和坡度等数据，再将其与云端动态数据（如实时行驶速度、多变的限速要求和天气）相结合，即可更详细预知未来路况（也称“电子视野），并据此来评估和减少能耗。

工作流程

在IMBD框架下，使用包括里卡多IGNITE软件在内的多种工具，首先将动力总成（电机、电力电子元器件和电池）与HVAC（乘客舱及加热和冷却系统）定义为模型子系统，并为其建立参数。

接下来创建热系统模型的一维基础模型，包括动力总成和整车在内。该模型也称物理模型，由冷却回路、HVAC和乘客舱，以及电池和电气系统组成。第三步是生成可管理的降阶模型（ROM），用于驾驶情景的模拟和分析。

最后对ROM进行优化，使其与物理控制单元相集成时能够达到或超过实时速度。

* 里卡多用于动力总成热系统优化的模块化策略已经扩展到整车应用，可以为复杂的混动汽车开发热系统控制模型，并最大程度地提高效率

快速评估不同的选项

采用这种策略，我们可以对适用于特定的任务的多种不同技术方案进行评估。例如，电池的冷却就可以通过多种方式来实现，风冷是其中一种、带水冷板的液冷是另一种，以及制冷或浸没式冷却其他方式。在浸没式冷却中，电子零部件 - 电芯/母排、MOSFET、IGBT、电机端部绕组或定子槽 - 将与电介质冷却液直接接触。

Rouaud说：“我们可以根据所有的评判标准来评估出某一特定场景下的最佳冷却方法，这些评判标准包括成本、冷却布置和加热要求等，并且评估所需要的时间仅为此正常评估所需用时的四分之一。”

超快速充电器使电动汽车的充电功率达到350千瓦，电池的热管理要求也随之水涨船高。Rouaud补充说：“未来三到五年，电动汽车将在十分钟内完成充电。因此我们必须开发新型的冷却方法，例如浸没式冷却。”无论是特斯拉选择的侧面冷却还是雪佛兰Volt和保时捷Taycan选择的底部冷却技术，充电倍率都被限制为3-3.5C（C倍率用来衡量相对于电池容量的充电倍率）。根据电池包的大小，这种充电倍率水平将使充电时间达到20-30分钟左右。

Rouaud说：“利用非导电的液体，冷却液可以与电池连接片和母排直接接触，极大提高冷却性能，有可能以4.5-6C的充电倍率在8-10分钟内完成充电。”

这种技术常用的液体包括变速箱使用的变速箱油或冷却油，其导热系数低于水基冷却液，但整体冷却效果远远高于使用乙二醇和水作为冷却液的传统水冷板技术。

市场上最新型的合成冷却液具有不易燃的特点，因此安全系数更高，但其传热系数低于变速箱油和变压器油，不过其粘度也更低，进而流速较高，因此冷却液的相对性能的准确建模是非常重要的。作为“创新英国”（Innovate UK）资助的I-CoBAT（浸没式冷却电池）项目的一部分，里卡多正在与制造商M&I合作开发这种新型液体。该项目于2019年6月启动，将于2020年底结束。

快充的准备工作

为了实现大功率快速充电，必须在汽车到达快速充电站之前优化电池温度。电子视野（electronic horizon）的概念就在此时闪亮登场。

为了使汽车在插入充电桩后立即开始快速充电，电池温度必须保持在25到30摄氏度范围内。如果超出该范围，系统将为了保护电池而降低充电速度，进而在充电过程中优化电池温度，这将导致充电速度显著减慢，延长充电时间。

如果在电池温度较低的情况下过快充电，电池将遭到不可逆的损坏。如果温度过高，电池可能不会受到损坏，但预期寿命将会缩短。此外，如果未能在开始充电前完全优化电池温度，20分钟的充电时间有可能延长到40分钟。

乘客舱能源管理

乘客舱的舒适度是一个与能量管理和电动汽车里程没有明显关联但又非常重要的因素。使用模型预测控制（Model Predictive Control）来预测系统的未来行为尤其有助于提升乘客舱舒适度。Rouaud解释说：“我们还可以将能耗与乘客舱内的二氧化碳浓度联系起来。如果将加热系统设置为再循环模式，可以加快乘客舱的升温速度，不过为了乘客的健康着想，还需要监控乘客舱的空气质量。”

在乘客舱的供暖与制冷应用中，为了降低总能耗，可以摒弃经通风口吹进热气或冷气的方法。通风口的位置通常位于可以直接将空气吹到乘客的双脚、面部、上体和挡风玻璃处，不过即使是双区或多区供暖系统，也需要消耗大量能源才能维持乘客的舒适感。多区温度控制系统也并不是可以令所有人都满意，因此我们的解决方案是针对个体乘客采用局部供暖和制冷方法，注重热能管理，维持局部舒适感，而不是为整个乘客舱消耗能量。

在寒冷天气下，散热板、加热座椅和加热方向盘等局部供暖方案比通过通风口取暖的方法更为有效。Rouaud解释到：“与开足马力的传统供暖系统相比，这种方法同样使用电能，但消耗的能量却少得多。”

如果利用传动系统和电池的热能为电力供暖提供补充，还可以将供暖能耗从几千瓦降至几百瓦。同样，也可以将局部制冷策略从现有的风扇冷却座椅或Peltier冷却模块（使用热电材料）扩展到乘客舱的其他区域。

为做到这一点，可以按照与车辆系统建模相同的步骤对人体进行一维建模，再将输出的结果与周围复杂气流的3D模型相结合。

考虑人的因素

人体建模应该考虑到多种复杂细节，包括乘员穿着的衣物、年龄和性别，以及在乘车前的活动水平等。还可以使用导航数据确定太阳的位置以及周边的建筑与树木等的位置，这些信息有可能影响周边的环境温度以及与乘客舱的光照。实施四级或五级无人驾驶后，乘员可以将座椅移动到与HVAC通风口位置不相关的任意位置，届时这种建模方法对于乘客舱舒适度和乘客健康将变得更为重要。

现代建筑常用的抽取地源热的热泵也开始在量产电动汽车中找到用武之地。热泵的工作方式从本质上说与制冷系统相反：从低温区域吸收热量，释放到温度较高的区域。一台电加热器使用1千瓦电量产生约1千瓦热量，但热泵的热效率可能是电加热器的两倍甚至更多：每使用1千瓦能量可产生2千瓦以上的热量。诚然，热泵需要非常复杂的控制系统，但我们刚好利用IMBD和先进的控制方法，将热泵与电动汽车或混动/插电混动汽车中的复杂的热系统相集成。

里卡多驱动系统控制技术主管Peter Fussey教授解释说：“我们可以采取一种极为有效的方法为复杂的热系统开发控制算法：将热系统分解为核心控制问题，再使用优化控制理论（一种数学最小化方法）沿目标路线求解，在虚拟环境中确定最佳解决方案。接下来生成一种控制器，这种控制器利用车内相对有限的计算资源就能正常运行。

“热系统由散热器和热源组成，带有数个冷却回路，可以将热量传递到车辆各处。”Fussey接着说，“我们的目标是尽可能高效地为车辆各处传送热量，废热再利用，同时最大限度地减少仅用于车辆热管理的电池能量。”

* 动力总成电气化增加了热管理要求，但也为开发更具成本效益的综合热管理（ITM）解决方案带来了机遇。

建模的艺术

建立用于系统设计和需求定位的详细零部件模型是整个开发过程的起点。控制工程师使用多种模型降阶技术，从这些复杂的模型中提取出面向控制的模型。Fussey解释说：“这些简化后的模型，运行很快，但精度较低。为控制器选择模型是一门艺术，合适的模型能够捕捉到我们在系统中寻找的元素，同时避开不需要的细节。”

有了合适的面向控制的模型，我们可以使用模型预测控制（Model Predictive Control）等技术对模型进行编码，将其集成于汽车控制系统，实现热系统的实时优化。与传统控制器相比，这种模型能够减少标定时间，提高控制性能。

* 在乘客舱的供暖与制冷应用中，为了降低总能耗，可以摒弃经通风口吹进热气或冷气的方法。可以按照与车辆系统建模相同的步骤对个体乘员进行一维建模，再将输出结果与乘客舱周围复杂气流的3D模型相结合，以便于进行详细分析。

前景

里卡多IMBD方法早已久经考验。与其他不成熟的技术相比，使用IMBD开发电动汽车热系统时，可以对更多的备选方案进行评估，并帮助开发者直接确认最佳的系统设计。

将优化策略与最新车联网技术相结合，能够为控制器提供详细的未来路况信息或者，电子视野，有助于更好地管理汽车系统和能量预算，从而缓解用户的里程焦虑。

在实现动力电池性能最大化方面，这种详细的建模和热系统优化技术比谨慎的局部改进更为有效。

考虑到动力总成以及乘客舱供暖和制冷系统的所有改进，里卡多估计IMBD能够使汽车的整体能源效率提升10％至15％。更重要的是，里卡多的研究已经超越汽车领域，并扩展至船舶、铁路和航空应用。