續航里程始終是客戶購買電動汽車的首要考慮因素，因此對於工程師而言，這意味著要實現從電池到車輪的整個動力總成系統的最佳效率。如Jesse Crosse的報告所述，裡卡多創新的基於模型的整合開發框架非常適合高度複雜的電動汽車熱管理系統的開發。

如今的電動汽車買家對價格更為敏感，續航里程的增加也不再是一味地增加更大、更重、更昂貴的電池包。為了滿足終端使用者的需求，電動汽車應該另闢蹊徑，最大程度地提高動力總成的效率，充分利用電池的每一度電。

整個xEV系統中高效的熱管理是關鍵。這裡的“x”代表所有型別的電動汽車：從純電池電動汽車到插電式混動汽車，再到增程式電動汽車。高效熱管理不僅可以提高續航里程，還能顯著改善乘客舒適度，提高汽車充電效能、電池耐久性以及續航里程的可預測性。最後一點非常重要，因為除了里程焦慮之外，如何在不同路線和天氣條件下預測剩餘里程也是許多潛在買家關心的問題。

裡卡多在xEV系統的設計中採用了綜合熱管理策略，不僅著眼於動力傳動系統，也注重整個車輛系統（包括乘客艙）。基於模型的整合開發框架（IMBD）是這一策略的關鍵。其考慮到了所有的車載系統及其作為一個整體對車輛能耗的影響。

電子視野緩解焦慮

電動汽車市場正迎來里程與價效比並重的關鍵節點，長里程電動汽車不再是高階購買者專有的。目前售價35,000英鎊左右的電動汽車基於WLTP迴圈的續航里程已經達到約450公里。此外，隨著電池成本持續下降，電動汽車與其同級別的內燃發動機（ICE）汽車之間的價格差異也在不斷縮小。

很顯然，如今高階的工程需求不僅是要充分利用電動汽車電池的能量，還要發掘動力系統零部件與電力電子元器件中殘留的潛在熱能。這又給汽車製造商帶來了真正的挑戰。

裡卡多熱系統全球技術專家Cedric Rouaud博士解釋說：“零部件需要在不同溫度下執行，導致了動力總成、加熱和冷卻系統的複雜度不斷提高。電池的工作溫度接近於人類體感最舒適的溫度，因此就像車內增加了一位乘客。但電力電子元器件和驅動電機的工作溫度更高，這顯著地增加了硬體和控制系統的複雜性。”

他還補充說：“我們必須找出耦合或分離冷卻與加熱迴路以及廢熱再利用的方法，還要根據環境溫度和駕駛條件對其進行控制。我們還在研究利用衛星導航系統預測路況，以減少車載輔助裝置的能耗。”

這種預測技術透過衛星導航系統獲取道路型別、彎度和坡度等資料，再將其與雲端動態資料（如實時行駛速度、多變的限速要求和天氣）相結合，即可更詳細預知未來路況（也稱“電子視野），並據此來評估和減少能耗。

工作流程

在IMBD框架下，使用包括裡卡多IGNITE軟體在內的多種工具，首先將動力總成（電機、電力電子元器件和電池）與HVAC（乘客艙及加熱和冷卻系統）定義為模型子系統，併為其建立引數。

接下來建立熱系統模型的一維基礎模型，包括動力總成和整車在內。該模型也稱物理模型，由冷卻迴路、HVAC和乘客艙，以及電池和電氣系統組成。第三步是生成可管理的降階模型（ROM），用於駕駛情景的模擬和分析。

最後對ROM進行最佳化，使其與物理控制單元相整合時能夠達到或超過實時速度。

* 裡卡多用於動力總成熱系統最佳化的模組化策略已經擴充套件到整車應用，可以為複雜的混動汽車開發熱系統控制模型，並最大程度地提高效率

快速評估不同的選項

採用這種策略，我們可以對適用於特定的任務的多種不同技術方案進行評估。例如，電池的冷卻就可以透過多種方式來實現，風冷是其中一種、帶水冷板的液冷是另一種，以及製冷或浸沒式冷卻其他方式。在浸沒式冷卻中，電子零部件 - 電芯/母排、MOSFET、IGBT、電機端部繞組或定子槽 - 將與電介質冷卻液直接接觸。

Rouaud說：“我們可以根據所有的評判標準來評估出某一特定場景下的最佳冷卻方法，這些評判標準包括成本、冷卻佈置和加熱要求等，並且評估所需要的時間僅為此正常評估所需用時的四分之一。”

超快速充電器使電動汽車的充電功率達到350千瓦，電池的熱管理要求也隨之水漲船高。Rouaud補充說：“未來三到五年，電動汽車將在十分鐘內完成充電。因此我們必須開發新型的冷卻方法，例如浸沒式冷卻。”無論是特斯拉選擇的側面冷卻還是雪佛蘭Volt和保時捷Taycan選擇的底部冷卻技術，充電倍率都被限制為3-3.5C（C倍率用來衡量相對於電池容量的充電倍率）。根據電池包的大小，這種充電倍率水平將使充電時間達到20-30分鐘左右。

Rouaud說：“利用非導電的液體，冷卻液可以與電池連線片和母排直接接觸，極大提高冷卻效能，有可能以4.5-6C的充電倍率在8-10分鐘內完成充電。”

這種技術常用的液體包括變速箱使用的變速箱油或冷卻油，其導熱係數低於水基冷卻液，但整體冷卻效果遠遠高於使用乙二醇和水作為冷卻液的傳統水冷板技術。

市場上最新型的合成冷卻液具有不易燃的特點，因此安全係數更高，但其傳熱係數低於變速箱油和變壓器油，不過其粘度也更低，進而流速較高，因此冷卻液的相對效能的準確建模是非常重要的。作為“創新英國”（Innovate UK）資助的I-CoBAT（浸沒式冷卻電池）專案的一部分，裡卡多正在與製造商M&I合作開發這種新型液體。該專案於2019年6月啟動，將於2020年底結束。

快充的準備工作

為了實現大功率快速充電，必須在汽車到達快速充電站之前最佳化電池溫度。電子視野（electronic horizon）的概念就在此時閃亮登場。

為了使汽車在插入充電樁後立即開始快速充電，電池溫度必須保持在25到30攝氏度範圍內。如果超出該範圍，系統將為了保護電池而降低充電速度，進而在充電過程中最佳化電池溫度，這將導致充電速度顯著減慢，延長充電時間。

如果在電池溫度較低的情況下過快充電，電池將遭到不可逆的損壞。如果溫度過高，電池可能不會受到損壞，但預期壽命將會縮短。此外，如果未能在開始充電前完全最佳化電池溫度，20分鐘的充電時間有可能延長到40分鐘。

乘客艙能源管理

乘客艙的舒適度是一個與能量管理和電動汽車裡程沒有明顯關聯但又非常重要的因素。使用模型預測控制（Model Predictive Control）來預測系統的未來行為尤其有助於提升乘客艙舒適度。Rouaud解釋說：“我們還可以將能耗與乘客艙內的二氧化碳濃度聯絡起來。如果將加熱系統設定為再迴圈模式，可以加快乘客艙的升溫速度，不過為了乘客的健康著想，還需要監控乘客艙的空氣質量。”

在乘客艙的供暖與製冷應用中，為了降低總能耗，可以摒棄經通風口吹進熱氣或冷氣的方法。通風口的位置通常位於可以直接將空氣吹到乘客的雙腳、面部、上體和擋風玻璃處，不過即使是雙區或多區供暖系統，也需要消耗大量能源才能維持乘客的舒適感。多區溫度控制系統也並不是可以令所有人都滿意，因此我們的解決方案是針對個體乘客採用區域性供暖和製冷方法，注重熱能管理，維持區域性舒適感，而不是為整個乘客艙消耗能量。

在寒冷天氣下，散熱板、加熱座椅和加熱方向盤等區域性供暖方案比透過通風口取暖的方法更為有效。Rouaud解釋到：“與開足馬力的傳統供暖系統相比，這種方法同樣使用電能，但消耗的能量卻少得多。”

如果利用傳動系統和電池的熱能為電力供暖提供補充，還可以將供暖能耗從幾千瓦降至幾百瓦。同樣，也可以將區域性製冷策略從現有的風扇冷卻座椅或Peltier冷卻模組（使用熱電材料）擴充套件到乘客艙的其他區域。

為做到這一點，可以按照與車輛系統建模相同的步驟對人體進行一維建模，再將輸出的結果與周圍複雜氣流的3D模型相結合。

考慮人的因素

人體建模應該考慮到多種複雜細節，包括乘員穿著的衣物、年齡和性別，以及在乘車前的活動水平等。還可以使用導航資料確定太陽的位置以及周邊的建築與樹木等的位置，這些資訊有可能影響周邊的環境溫度以及與乘客艙的光照。實施四級或五級無人駕駛後，乘員可以將座椅移動到與HVAC通風口位置不相關的任意位置，屆時這種建模方法對於乘客艙舒適度和乘客健康將變得更為重要。

現代建築常用的抽取地源熱的熱泵也開始在量產電動汽車中找到用武之地。熱泵的工作方式從本質上說與製冷系統相反：從低溫區域吸收熱量，釋放到溫度較高的區域。一臺電加熱器使用1千瓦電量產生約1千瓦熱量，但熱泵的熱效率可能是電加熱器的兩倍甚至更多：每使用1千瓦能量可產生2千瓦以上的熱量。誠然，熱泵需要非常複雜的控制系統，但我們剛好利用IMBD和先進的控制方法，將熱泵與電動汽車或混動/插電混動汽車中的複雜的熱系統相整合。

裡卡多驅動系統控制技術主管Peter Fussey教授解釋說：“我們可以採取一種極為有效的方法為複雜的熱系統開發控制演算法：將熱系統分解為核心控制問題，再使用最佳化控制理論（一種數學最小化方法）沿目標路線求解，在虛擬環境中確定最佳解決方案。接下來生成一種控制器，這種控制器利用車內相對有限的計算資源就能正常執行。

“熱系統由散熱器和熱源組成，帶有數個冷卻迴路，可以將熱量傳遞到車輛各處。”Fussey接著說，“我們的目標是儘可能高效地為車輛各處傳送熱量，廢熱再利用，同時最大限度地減少僅用於車輛熱管理的電池能量。”

* 動力總成電氣化增加了熱管理要求，但也為開發更具成本效益的綜合熱管理（ITM）解決方案帶來了機遇。

建模的藝術

建立用於系統設計和需求定位的詳細零部件模型是整個開發過程的起點。控制工程師使用多種模型降階技術，從這些複雜的模型中提取出面向控制的模型。Fussey解釋說：“這些簡化後的模型，執行很快，但精度較低。為控制器選擇模型是一門藝術，合適的模型能夠捕捉到我們在系統中尋找的元素，同時避開不需要的細節。”

有了合適的面向控制的模型，我們可以使用模型預測控制（Model Predictive Control）等技術對模型進行編碼，將其集成於汽車控制系統，實現熱系統的實時最佳化。與傳統控制器相比，這種模型能夠減少標定時間，提高控制性能。

* 在乘客艙的供暖與製冷應用中，為了降低總能耗，可以摒棄經通風口吹進熱氣或冷氣的方法。可以按照與車輛系統建模相同的步驟對個體乘員進行一維建模，再將輸出結果與乘客艙周圍複雜氣流的3D模型相結合，以便於進行詳細分析。

前景

裡卡多IMBD方法早已久經考驗。與其他不成熟的技術相比，使用IMBD開發電動汽車熱系統時，可以對更多的備選方案進行評估，並幫助開發者直接確認最佳的系統設計。

將最佳化策略與最新車聯網技術相結合，能夠為控制器提供詳細的未來路況資訊或者，電子視野，有助於更好地管理汽車系統和能量預算，從而緩解使用者的里程焦慮。

在實現動力電池效能最大化方面，這種詳細的建模和熱系統最佳化技術比謹慎的區域性改進更為有效。

考慮到動力總成以及乘客艙供暖和製冷系統的所有改進，裡卡多估計IMBD能夠使汽車的整體能源效率提升10％至15％。更重要的是，裡卡多的研究已經超越汽車領域，並擴充套件至船舶、鐵路和航空應用。