1  引言

在以往文獻(xiàn)的研究參考下，這里提出通過對(duì)電動(dòng)客車?yán)鋮s系統(tǒng)的可控關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真計(jì)算、臺(tái)架試驗(yàn)和實(shí)車轉(zhuǎn)股試驗(yàn)，獲得電動(dòng)客車?yán)鋮s系統(tǒng)的最優(yōu)工作參數(shù)，為電動(dòng)客車?yán)鋮s系統(tǒng)的性能提升提供了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

2  電動(dòng)客車?yán)鋮s系統(tǒng)分析

純電動(dòng)客車的冷卻系統(tǒng)主要是針對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及電機(jī)控制器等關(guān)鍵發(fā)熱部件進(jìn)行冷卻。該系統(tǒng)主要包括散熱器、電子風(fēng)扇、電子水泵，如圖1所示。其中冷卻液帶走發(fā)熱源的熱量；電子水泵為冷卻液提供動(dòng)力；散熱器在風(fēng)扇的導(dǎo)流作用下將冷卻液中的熱量傳遞至空氣中。電子風(fēng)扇和電子水泵都是采用獨(dú)立電控模式，通過控制器輸入風(fēng)扇和水泵相應(yīng)的PWM信號(hào)來控制其輸出流量。風(fēng)扇與水泵由電動(dòng)客車24V低壓系統(tǒng)供電。



根據(jù)以上分析可知，純電動(dòng)客車熱源主要有驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器、動(dòng)力電池等。因此主要發(fā)熱功率為：

P=Pm+Pc+Pb （1）

式中：Pm—電機(jī)發(fā)熱功率；Pc—電機(jī)控制器發(fā)熱功率；Pb—電池發(fā)熱功率。

2.1  散熱器

客車中最常用的散熱器采用板翅式散熱片，散熱器內(nèi)部流動(dòng)為垂直流式，冷卻液進(jìn)出口為左進(jìn)右出式。散熱器的散熱性能主要考慮散熱器的散熱量：

P=A×△t×Ks （2）

式中：A—散熱器面積；Ks—散熱器傳熱系數(shù)：表示當(dāng)冷卻水和空氣之間的溫差為1℃時(shí)，每小時(shí)通過1與空氣接觸散熱表面所散走的熱量；△t—進(jìn)出口冷卻液的溫差。

冷卻系統(tǒng)熱平衡方程為：

P=q1·Cp·△t1=q2·Cp2·△t2 （3）

式中：q1—冷卻系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的冷卻液流量；Cp1—冷卻液的比熱容；

△t1—冷卻液出入水口溫差；△t2—冷卻空氣的出入溫差；q2—冷卻空氣的流量；Cp2—空氣比熱容。

根據(jù)理論計(jì)算以及實(shí)際應(yīng)用情況，實(shí)際實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取，如表1所示。



2.2  冷卻風(fēng)扇

在實(shí)際客車中冷卻風(fēng)扇的性能評(píng)價(jià)由風(fēng)壓、流量、功率、效率所決定，冷卻風(fēng)扇的理想工作狀態(tài)應(yīng)該是在一定的靜壓之下可以導(dǎo)流大量的冷卻空氣與散熱器進(jìn)行充分接觸，達(dá)到冷卻的目的。風(fēng)扇的最佳工作區(qū)域應(yīng)該處于風(fēng)量的中間狀態(tài)，風(fēng)扇最佳工作范圍示意圖，如圖2所示。從圖中可以看出，風(fēng)扇靜壓曲線與系統(tǒng)阻抗曲線的交點(diǎn)為風(fēng)扇的最優(yōu)工作點(diǎn)?？蛙?yán)鋮s風(fēng)扇是以PWM占空比作為輸入信號(hào)來控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，風(fēng)扇占空比與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系。



氣體溫度通過風(fēng)扇的作用的變化可用如下公式計(jì)算：



式中：t1—空氣入口溫度；p1、p2—進(jìn)出口壓力；γ—比熱容比；Ciseff—等熵效率。

風(fēng)扇的消耗機(jī)械功率根據(jù)下式計(jì)算：



式中：qva—風(fēng)扇流量；pa—風(fēng)扇輸出壓力；ηa—風(fēng)扇總效率。

結(jié)合散熱器性能等經(jīng)驗(yàn)值，選取風(fēng)扇基本參數(shù)，如表2所示。



2.3  電子水泵

純電動(dòng)客車采用的水泵為電子離心泵，同樣是以PWM占空比作為輸入信號(hào)來控制轉(zhuǎn)速。冷卻水泵與風(fēng)扇的工作性能圖類似。根據(jù)電動(dòng)客車?yán)鋮s系統(tǒng)中水泵的流量與功率之間的關(guān)系為：

Ppump=Z·qv3 （6）

式中：Ppump—水泵功率；Z—系統(tǒng)阻抗；qv—水泵流量。

根據(jù)式（6）可看出水泵功率與流量的三次方成比例關(guān)系，當(dāng)流量較小的時(shí)候，功率與流量比值也就是斜率較小，功率的較小增長就能獲得流量的較大增長，當(dāng)流量大到一定程度時(shí)，需要較多的功率增長才能獲得較小的流量增長，導(dǎo)致能量的浪費(fèi)。因此，使水泵工作于近線性區(qū)域時(shí)可獲得最大流量功耗比。水泵的基本參數(shù)，如表3所示。




3  仿真分析

在實(shí)際中，電動(dòng)客車?yán)鋮s系統(tǒng)往往無法工作在最優(yōu)工作狀態(tài)，會(huì)造成能耗的額外浪費(fèi)。根據(jù)以上散熱理論的分析，風(fēng)扇與水泵開啟后在中負(fù)荷階段的工作效率較高，且能耗相對(duì)較低，因此根據(jù)純電動(dòng)客車?yán)鋮s系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建了仿真模型，如圖2所示。并對(duì)電動(dòng)客車?yán)鋮s系統(tǒng)中風(fēng)扇與水泵的最優(yōu)工作范圍進(jìn)行了仿真計(jì)算。為了方便試驗(yàn)驗(yàn)證，環(huán)境溫度設(shè)置為35℃，且將發(fā)熱總功率簡化成可控的發(fā)熱源。散熱器的散熱能力與熱源功率大小、水泵風(fēng)扇的開啟程度相關(guān)，所以散熱性能主要與冷卻液出入口溫度和環(huán)境溫度相關(guān)，定義h為冷卻系統(tǒng)的散熱能力系數(shù)：

h=△T1/△T2 （7）

式中：△T1—進(jìn)出水口的溫差；△T2—進(jìn)水口溫度與環(huán)境溫度的溫差。

3.1  電子水泵的最佳工作策略

根據(jù)以上對(duì)電子水泵的分析得出水泵在近線性區(qū)域內(nèi)工作為最佳，但考慮到水泵的低功率運(yùn)行可能導(dǎo)致風(fēng)扇在高功率狀態(tài)下工作進(jìn)而影響冷卻系統(tǒng)的整體散熱性。為了探索水泵運(yùn)行功率與風(fēng)扇運(yùn)行功率之間的關(guān)系，以及對(duì)散熱性能的影響，仿真以風(fēng)扇占空比分別為50%、60%、80%、95%與水泵占空比分別為35%、50%、70%、95%交叉仿真計(jì)算。系統(tǒng)散熱能力系數(shù)通過式（7）計(jì)算得出，并且統(tǒng)計(jì)繪制折線圖，如圖3所示。熱源功率為5kW的仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)，熱源功率10kW的仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)，如圖4所示。通過曲線走向可以推斷出水泵在PWM占空比為35%時(shí)對(duì)冷卻系統(tǒng)的散熱性能影響最大。





3.2  風(fēng)扇經(jīng)濟(jì)工作范圍

基于實(shí)車?yán)鋮s風(fēng)扇的控制邏輯，模型通過熱源功率恒定的情況下，比較風(fēng)扇不同門限值對(duì)功耗的影響。根據(jù)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，風(fēng)扇在出水口水溫達(dá)到60℃時(shí)以最高PWM占空比工作，為了找到風(fēng)扇每小時(shí)功耗最低工作點(diǎn)，對(duì)風(fēng)扇的最低開啟溫度進(jìn)行測(cè)試計(jì)算。仿真通過固定水泵占空比、邏輯門限控制，在不同熱源的情況下，風(fēng)扇不同開啟溫度的耗電仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)，如圖6所示。從結(jié)果分析可以看出，不同熱源下，風(fēng)扇以43℃為開啟溫度的小時(shí)耗電量均低于其他開啟溫度。



4  試驗(yàn)驗(yàn)證

通過設(shè)計(jì)的仿真模型搭建電動(dòng)客車?yán)鋮s系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)架，如圖7所示。通過功率可控的中央空調(diào)加熱器模擬車載電機(jī)的發(fā)熱源；搭建與車輛冷卻系統(tǒng)基本一致的水循環(huán)系統(tǒng)，管路長度與實(shí)車一致，并加裝水流量傳感器和關(guān)鍵位置的水溫度傳感器，盡量減少傳感器對(duì)管路水阻的影響；搭建與車輛一致的散熱器以及風(fēng)扇系統(tǒng)；搭建冷卻系統(tǒng)的熱管理控制系統(tǒng)以及電耗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)在環(huán)境溫度為35℃下進(jìn)行。



4.1  水泵臺(tái)架開環(huán)試驗(yàn)



風(fēng)扇和水泵均是基于冷卻系統(tǒng)溫度按邏輯門限值控制，為了避免風(fēng)扇水泵在開機(jī)與關(guān)機(jī)兩種狀態(tài)下頻繁切換，開關(guān)溫度設(shè)置回滯區(qū)。由于仿真與實(shí)際試驗(yàn)存在一定的誤差，所以仿真與試驗(yàn)得出的散熱能力系數(shù)會(huì)有一定的偏差。通過仿真測(cè)試出的數(shù)據(jù)圖4、圖5與試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖8、圖9兩組圖相比較可以看出，仿真與試驗(yàn)結(jié)果具有一定誤差，但曲線規(guī)律大致相同，所以通過AMESim搭建的純電動(dòng)客車?yán)鋮s系統(tǒng)的仿真模型能夠提供有較為可靠的計(jì)算結(jié)果。當(dāng)熱源為5kW時(shí)，隨著風(fēng)扇占空比的增加，水泵占空比在35%時(shí)，系統(tǒng)散熱能力系數(shù)相比水泵在更高的占空比時(shí)的散熱能力系數(shù)要高出許多，可以達(dá)到0.25左右；當(dāng)熱源為10kW時(shí)，風(fēng)扇占空比從50%增至70%，系統(tǒng)散熱能力系數(shù)的增加較為明顯，且水泵占空比為35%時(shí)散熱能力系數(shù)高達(dá)0.35左右。可以看出當(dāng)水泵占空比為較低的35%時(shí)系統(tǒng)散熱能力系數(shù)為最高，即水泵的較小占空比對(duì)系統(tǒng)的散熱能力系數(shù)的起主導(dǎo)作用，且熱源功率較低時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的提高對(duì)系統(tǒng)散熱能力系數(shù)的提高影響較小。

4.2  風(fēng)扇臺(tái)架閉環(huán)試驗(yàn)

電子風(fēng)扇需要在控制邏輯固定、水泵恒定占空比，以及不同熱源功率的前提下進(jìn)行閉環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果曲線與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比可以看出，仿真的能耗曲線波動(dòng)較大，通過四條曲線可以看出，熱源功率越低，對(duì)風(fēng)扇的每小時(shí)能耗影響越低，即風(fēng)扇無需以大功率狀態(tài)工作。隨著熱源功率的增加，風(fēng)扇的每小時(shí)能耗曲線波動(dòng)也越為明顯，尤其熱源功率為20kW時(shí)曲線波動(dòng)最為明顯。四條曲線在風(fēng)扇開啟溫度為43℃時(shí)出現(xiàn)最低值。由此看出，電子風(fēng)扇在此開啟溫度下工作，風(fēng)扇能耗最低。



5  純電動(dòng)客車轉(zhuǎn)股試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

5.1  散熱溫度數(shù)據(jù)分析



經(jīng)過仿真計(jì)算與臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定控制邏輯的參數(shù)，針對(duì)控制邏輯進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過CAN線采集生成數(shù)據(jù)圖。環(huán)境溫度為28℃，優(yōu)化前的散熱器出水口溫度，如圖11所示。車輛啟動(dòng)后在600S時(shí)溫度開始急速上升，散熱器出水口溫度多次達(dá)到40℃，即風(fēng)扇會(huì)總以大功率工作，能耗較大，且在4700s之后，出水口溫度在39.5℃附近波動(dòng)。通過優(yōu)化后的散熱器出水口溫度，如圖12所示。車輛在啟動(dòng)后1000s后溫度開始緩慢上升，最高溫度在維持在39℃左右，相比優(yōu)化前最高溫度降低了1℃，即風(fēng)扇無需以最大功率長時(shí)間工作，節(jié)省了大量能耗。優(yōu)化前后散熱器出水口溫度范圍均在控制范圍之內(nèi)。

5.2  風(fēng)扇水泵耗能情況

電動(dòng)客車?yán)鋮s系統(tǒng)在優(yōu)化之前，水泵為不可調(diào)節(jié)水泵，通過測(cè)試兩小時(shí)風(fēng)扇工作，能耗為717.45Wh；水泵耗能為365.836Wh。經(jīng)過優(yōu)化后冷卻系統(tǒng)改用可調(diào)電子水泵，且按邏輯門限進(jìn)行控制后，風(fēng)扇工作兩小時(shí)的耗能為176.8Wh，水泵耗能77.14Wh，優(yōu)化前后冷卻系統(tǒng)總能耗降低非常明顯。

6  結(jié)論

為滿足純電動(dòng)客車?yán)鋮s系統(tǒng)的能耗優(yōu)化，仿真計(jì)算、臺(tái)架試驗(yàn)、均在環(huán)境溫度為35℃的前提下進(jìn)行，最終確定風(fēng)扇與水泵的最優(yōu)工作點(diǎn)。最后以此優(yōu)化策略進(jìn)行了試車試驗(yàn)，試驗(yàn)與仿真結(jié)果均表明：

（1）風(fēng)扇以最低開啟溫度為43℃時(shí)，每小時(shí)能耗最低。

（2）水泵在PWM占空比為35%時(shí)對(duì)冷卻系統(tǒng)的散熱性能影響最明顯。

（3）冷卻系統(tǒng)優(yōu)化后的出水口最高溫度相比優(yōu)化前降低了1℃。

（4）通過風(fēng)扇與水泵的參數(shù)優(yōu)化，純電動(dòng)客車?yán)鋮s系統(tǒng)在保證散熱效果良好的前提下，降低了大量能耗。