整車熱管理系統(tǒng)的發(fā)展歷程

長久以來傳統(tǒng)燃油車都是汽車產(chǎn)業(yè)的主角，熱管理系統(tǒng)也相對簡單，主要包含空調(diào)系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的熱管理。

空調(diào)系統(tǒng)熱管理可細(xì)分為乘員艙制冷和乘員艙制熱。乘員艙制冷是由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)，通過壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器形成的制冷劑回路，將經(jīng)過蒸發(fā)器的空氣降溫后送入乘員艙，實(shí)現(xiàn)乘員艙制冷；乘員艙制熱是利用發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的廢熱加熱冷卻液后，通過冷卻液回路，將經(jīng)過暖風(fēng)芯體的空氣加熱后送入乘員艙，實(shí)現(xiàn)乘員艙制熱。

發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的熱管理主要是發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻需求，將吸收發(fā)動(dòng)機(jī)熱量的高溫冷卻液，經(jīng)過前端模塊散熱降溫后，循環(huán)流回發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻。

伴隨汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是伴隨著近年新能源汽車的普及，由此應(yīng)運(yùn)而生的純電車熱管理系統(tǒng)與傳統(tǒng)燃油車相比發(fā)生了很大的變化。純電車與傳統(tǒng)燃油車熱管理的差異主要包括以下三點(diǎn)：

1)兩者均需要進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)熱管理，然而在空調(diào)制熱的情況下，傳統(tǒng)燃油車可以通過發(fā)動(dòng)機(jī)的廢熱給乘員艙供熱，而純電車則必須要進(jìn)行主動(dòng)制熱。

2)由于兩者的動(dòng)力系統(tǒng)不同，傳統(tǒng)燃油車動(dòng)力系統(tǒng)熱管理主要針對發(fā)動(dòng)機(jī)模塊，而純電車熱管理主要針對電機(jī)模塊。

3)純電車相比傳統(tǒng)燃油車增加了電池?zé)峁芾恚挥斜ＷC電池維持在一定的范圍內(nèi)，才能達(dá)到電池的使用壽命、充放電性能、駕駛安全性等的最佳平衡，因此需要對電池進(jìn)行熱管理。

圖1-汽車熱管理差異

縱觀純電車近十幾年的迅猛發(fā)展過程，熱管理系統(tǒng)大致經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段：

第一階段純電車熱管理系統(tǒng)：采用單獨(dú)轉(zhuǎn)速可控的電動(dòng)壓縮機(jī)，在傳統(tǒng)燃油車制冷劑回路的基礎(chǔ)上，增加Chiller電池冷卻回路。在電池水回路上裝配水PTC，通過水PTC加熱回路冷卻液，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電池的加熱。在空調(diào)箱內(nèi)裝配空氣PTC，通過空氣PTC加熱送入乘員艙的空氣，實(shí)現(xiàn)乘員艙的加熱。

第二階段純電車熱管理系統(tǒng)：與第一代相比系統(tǒng)復(fù)雜度明顯增大。最主要的特點(diǎn)是將熱泵技術(shù)應(yīng)用到乘員艙制熱，同時(shí)將電池回路、電機(jī)回路與制冷劑回路耦合，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)、電池的余熱利用。通過熱泵技術(shù)可將環(huán)境中低品位的熱量或電機(jī)、電池回路中的余熱進(jìn)行利用，在乘員艙制熱時(shí)制熱效率提高，增加冬季純電車的續(xù)航里程。然而，此階段的熱泵系統(tǒng)一般使用制冷劑134a或1234yf，在低溫環(huán)境下制熱量能力衰減嚴(yán)重，無法滿足純電車低溫條件下的制熱量需求，因此還是需要配置水PTC或空氣PTC進(jìn)行輔助加熱。而且，這一階段的熱管理系統(tǒng)，雖然將制冷劑、電機(jī)、電池回路系統(tǒng)進(jìn)行了整合，但各執(zhí)行器及系統(tǒng)換熱器等分布分散，集成度不高，同時(shí)存在電機(jī)、電池余熱未被充分利用的問題點(diǎn)。

第三階段純電車熱管理系統(tǒng)：針對上一階段熱管理系統(tǒng)存在的問題，此階段進(jìn)行了一系列的熱管理系統(tǒng)改進(jìn)措施。為提高低溫制熱效率和能力，大眾ID4已研發(fā)成功將制冷劑由134a/1234yf替代為CO2的熱管理系統(tǒng)。在集成化方面，有代表性的特斯拉已將熱管理系統(tǒng)在整車上進(jìn)行了高度化集成，并應(yīng)用于Model Y車型上，同時(shí)此套系統(tǒng)的電機(jī)、電池余熱利用效率也有了一定程度的提升。

下一階段純電車熱管理系統(tǒng)：雖然目前純電車熱管理已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展與成果，但還是沒有達(dá)到開發(fā)出一套集安全環(huán)保、低溫高效、空間及輕量化、成本低廉等于一身的理想熱管理系統(tǒng)。而且隨著對盡量縮短充電時(shí)間的客戶需求，滿足超級快充時(shí)的高制冷能力也是熱管理系統(tǒng)需要面對的一個(gè)挑戰(zhàn)。并且，伴隨汽車智能化技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)適應(yīng)不同用戶需求的熱管理功能，必將是未來的大勢所趨。換句話說，就是我們要實(shí)現(xiàn)將熱管理功能服務(wù)化，由用戶自主選擇喜好的功能體現(xiàn)。

接下來在下一章節(jié)中介紹這種面向服務(wù)開發(fā)的軟件架構(gòu)SOA。

面向服務(wù)的軟件架構(gòu) (SOA)

簡單了解了熱管理系統(tǒng)的發(fā)展歷程之后，接下來我們一起認(rèn)識下什么是SOA。

自從進(jìn)入智能汽車時(shí)代，軟件定義汽車已被業(yè)內(nèi)人事廣接受。汽車產(chǎn)業(yè)也正在由電子時(shí)代向軟件時(shí)代轉(zhuǎn)變。軟件已逐漸成為智能汽車差異化的核心。為了滿足快速的軟件和功能的開發(fā)，面向服務(wù)的軟件架構(gòu)（SOA）開始被業(yè)界所認(rèn)可。

在SOA 架構(gòu)下，所有的服務(wù)組件接口均被標(biāo)準(zhǔn)化，軟件的部署不再依賴特定的硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)等，其松耦合、靈活易于拓展的特點(diǎn)真正意義上實(shí)現(xiàn)了汽車的“軟硬分離”。SOA能將車端不同功能及硬件能力劃分為服務(wù)，并按整車的原子能力將服務(wù)拆分為顆粒度更小的接口。

各服務(wù)組件的接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，可通過既定協(xié)議互相訪問、拓展組合；SOA的核心要素包括松耦合、標(biāo)準(zhǔn)化定義、軟件復(fù)用等。SOA使應(yīng)用層功能可在不同車型上復(fù)用，且能夠基于標(biāo)準(zhǔn)化接口快速響應(yīng)用戶新的功能需求，軟件工程師在修改或新增某一軟件功能時(shí)，只需對上層相對應(yīng)的服務(wù)組件進(jìn)行代碼編寫，而無需進(jìn)行基礎(chǔ)軟件層、運(yùn)行環(huán)境層和其他軟件組件的重新編譯和重復(fù)開發(fā)，這極大地減少了軟件升級的復(fù)雜度和成本，提高了效率。正因如此，SOA正成為軟件定義汽車的軟件趨勢。

圖2-SOA設(shè)計(jì)架構(gòu)

目前眾多主機(jī)廠及供應(yīng)商都介入SOA軟件開發(fā)，預(yù)計(jì)未來5年將迎來SOA的量產(chǎn)高峰。

汽車SOA是對整車智能化的底層能力進(jìn)行組織。將車端的硬件能力和各種功能SOA化，劃分為不同的服務(wù)，拆分成顆粒度更小的接口。這些服務(wù)根據(jù)SOA標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，基于SOA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通信。這樣，各服務(wù)組件之間就可以相互訪問，從而擴(kuò)展了服務(wù)的組合形式。為汽車出廠后的持續(xù)升級和服務(wù)降低難度、拓展出更多的可能性。

熱管理與SOA的碰撞

SOA最早被使用于整車智駕及座艙，國內(nèi)多家OEM已對其有所探索。而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，整車其他軟件也勢必需要順應(yīng)大勢來滿足SOA架構(gòu)。

而當(dāng)前階段的熱管理軟件開發(fā)多依托于傳統(tǒng)燃油汽車發(fā)展而來，大多數(shù)OEM熱管理軟件現(xiàn)階段只滿足Classic Autosar，甚至部分OEM熱管理軟件都不足以滿足Classic Autosar架構(gòu)。那么對于SOA架構(gòu)，我們應(yīng)該做什么？怎么做？

圖3-不同軟件格式差異

首先，需要明確的一點(diǎn)， Autosar軟件架構(gòu)和SOA軟件架構(gòu)并不是沖突的。筆者認(rèn)為，Autosar架構(gòu)更多的是一種規(guī)范，統(tǒng)一了軟件接口、交換格式、方法論標(biāo)準(zhǔn)。其中Auotsar所實(shí)現(xiàn)軟硬件分離也正是SOA架構(gòu)所需要的。但Autosar是一種面向信號的軟件架構(gòu)，而SOA是一種面向服務(wù)的軟件架構(gòu)。這也表明SOA更側(cè)重一種架構(gòu)策略層面的指導(dǎo)思想。可以理解成SOA在AUTOSAR的基礎(chǔ)上對ASW進(jìn)一步分層，以便實(shí)現(xiàn)更大的解耦。所以，如果現(xiàn)有熱管理軟件暫不滿足Classic Autosar架構(gòu)，需現(xiàn)對其進(jìn)行改造以滿足Classic Autosar架構(gòu)。然后再進(jìn)行以下轉(zhuǎn)換。

其次，筆者認(rèn)為為滿足SOA，熱管理軟件需要實(shí)現(xiàn)以下兩部分。

1)暴露能力

SOA的本質(zhì)是由信號導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)榉?wù)導(dǎo)向。SOA軟件既然需要面向服務(wù)，首先就需要暴露自己的能力以供其他服務(wù)調(diào)用。而熱管理軟件做為一個(gè)為空調(diào)及三電系統(tǒng)服務(wù)的軟件模塊，所以熱管理軟件的服務(wù)接口大部分面向于空調(diào)及三電系統(tǒng)。正是基于以上情況筆者建議將熱管理軟件大部分邏輯算法布置于SOA軟件架構(gòu)的基礎(chǔ)服務(wù)層。

而鑒于熱管理系統(tǒng)涉及到多部件控制策略的強(qiáng)耦合，所以熱管理軟件只有傳感器和執(zhí)行器可以置于元服務(wù)層釋放服務(wù)接口以供診斷及后市場使用。即需要將熱管理軟件中傳感器、執(zhí)行器信號轉(zhuǎn)換及硬件診斷部分從熱管理主體軟件中拆分出來。

注：因熱管理系統(tǒng)強(qiáng)耦合性，執(zhí)行器強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)需要考慮系統(tǒng)安全性，所以該部分服務(wù)接口筆者不建議直接釋放。需添加算法并對其進(jìn)行保護(hù)。

2)信號轉(zhuǎn)換為服務(wù)

SOA的本質(zhì)是由信號導(dǎo)向轉(zhuǎn)變?yōu)榉?wù)導(dǎo)向。整車傳統(tǒng)軟件開發(fā)，模塊交互通過信號的形式進(jìn)行交互。為實(shí)現(xiàn)SOA的轉(zhuǎn)變，模塊間交互要變更為服務(wù)導(dǎo)向。好在AUTOSAR支持SOME-IP，能夠?qū)崿F(xiàn)交互形式的切換。

結(jié)語

最后總結(jié)一下基于SOA架構(gòu)的熱管理軟件設(shè)計(jì)對熱管理軟件開發(fā)的影響：

1)可按需定制

現(xiàn)有軟件開發(fā)多是基于開發(fā)人員的經(jīng)驗(yàn)及車型定位進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是，畢竟千人千面。基于SOA 平臺(tái)，開發(fā)者可以自由開發(fā)出海量的服務(wù)和應(yīng)用，通過測試驗(yàn)證后上架；用戶可以自由訂閱服務(wù)，實(shí)現(xiàn)用車千人千面。由此熱管理在實(shí)現(xiàn)SOA后也可通過把決策權(quán)釋放給用戶從而實(shí)現(xiàn)個(gè)性定制。例如，A更看中電池的安全，所以A選擇電池?zé)峁芾韮?yōu)先。B更在乎用車舒適性，所以B把乘客艙熱管理優(yōu)先級拉滿。C在乎加速的暢快感，所以C更在乎電機(jī)時(shí)刻準(zhǔn)備好以便下一秒動(dòng)力的全力輸出。

2)可實(shí)現(xiàn)軟件快速迭代

基于SOA架構(gòu)，我們可以提升軟件迭代速度。新的功能開發(fā)可以不影響或盡可能少的影響已有軟件。以后軟件迭代將更多的以功能增加包的形式釋放。

而且也將類似手機(jī)一樣，吸引更多的軟件開發(fā)人員依托于已釋放的API接口進(jìn)行二次開發(fā)。屆時(shí)一定會(huì)有很多有趣的APP會(huì)開發(fā)出來。但是，各大OEM也要注意相關(guān)API接口的管理，加強(qiáng)信息安全及功能安全建設(shè)，以免被不法分子惡意使用。

審核編輯：劉清