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基于AMESim的純電動汽車熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
2018-11-29 10:54:31· 來源：旺材電動車
摘要：基于AMESim軟件建立了完整的純電動汽車的熱管理系統(tǒng)模型，并通過整車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性．在此模型的基礎(chǔ)上，本文分別對水冷系統(tǒng)、高溫環(huán)境下的熱管理
摘要：
基于AMESim軟件建立了完整的純電動汽車的熱管理系統(tǒng)模型，并通過整車實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性．在此模型的基礎(chǔ)上，本文分別對水冷系統(tǒng)、高溫環(huán)境下的熱管理系統(tǒng)及爬坡工況下的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對熱管理系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了優(yōu)化，使熱管理系統(tǒng)能適應(yīng)不同工況和環(huán)境溫度的整車熱管理要求．本文基于AMESim軟件對純電動汽車的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法為研究和開發(fā)純電動汽車的熱管理系統(tǒng)提供了思路和參考。
0引言
純電動汽車是未來汽車發(fā)展的重要方向，也是目前發(fā)展最快的新能源汽車之一．為了系統(tǒng)地研究純電動汽車的能量流動，需要對它建立完整的熱管理系統(tǒng)．這不僅是汽車零部件散熱的需求，更是提高整車能源效率的重要手段．
本文利用AMESim軟件搭建了一套比較完整的純電動汽車熱管理系統(tǒng)的仿真模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的正確性，并在此模型基礎(chǔ)上對整車熱管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)．
1純電動汽車熱管理的要求
本文研究的純電動汽車的參數(shù)如表1所示．
本文研究的整車熱管理系統(tǒng)主要包括兩部分：電動汽車前艙水冷系統(tǒng)和電池包風(fēng)冷系統(tǒng)．其中水冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
根據(jù)汽車的運(yùn)行情況，水冷系統(tǒng)有兩路循環(huán)．在汽車剛起動或者低速運(yùn)行時(shí)，發(fā)熱部件的散熱量較小，這時(shí)冷卻水使用小循環(huán)，即經(jīng)過水泵后，冷卻水依次流過電壓轉(zhuǎn)換器（DC/DC）、電機(jī)控制器（MC）、電機(jī)（Motor），然后由支路流入乘員艙的空調(diào)加熱系統(tǒng)，使車廂內(nèi)部溫度迅速升高，提供乘員的舒適性．當(dāng)汽車加速或爬坡時(shí)，發(fā)熱部件的散熱量較大，冷卻水經(jīng)過水泵后，依次流過發(fā)熱部件，冷卻水溫升高，這時(shí)支路閥門關(guān)閉，使冷卻水流過散熱器散熱，降低冷卻水溫度．如果車速較低或散熱器散熱能力不足時(shí)，打開散熱器后的冷卻風(fēng)扇，加快空氣流動，提高散熱器的散熱能力，并迅速降低水溫，控制電機(jī)等發(fā)熱部件的溫度，使汽車正常行駛．本研究使用的電機(jī)可承受的最高溫度是120℃，為了安全及高效地運(yùn)行，需將電機(jī)出水口的冷卻水溫度控制在80℃以內(nèi)，電機(jī)控制器出水口的冷卻水溫度控制在75℃以內(nèi)，DC/DC轉(zhuǎn)換器出水口的冷卻液溫度控制在72℃以內(nèi)，而散熱器出水口的溫度要低于70℃．其中，電機(jī)的溫度為我們控制的重點(diǎn)．
另一個(gè)為電池包風(fēng)冷系統(tǒng)．電池包的散熱方式為風(fēng)冷散熱．冷空氣從后備箱左側(cè)入口進(jìn)入電池包內(nèi)部，散熱結(jié)束后從右側(cè)出風(fēng)口排出，風(fēng)機(jī)放置在后備箱右側(cè)，具體流向見圖2．通過風(fēng)冷的方式，控制電池包的進(jìn)風(fēng)量，使電池包的內(nèi)部溫度保持在20℃～50℃之間，并控制其內(nèi)部溫差在5℃以內(nèi)，使電池的工作性能達(dá)到最佳狀態(tài)。
2基于AMESim軟件的整車熱管理系統(tǒng)建模
本文首先利用AMESim仿真平臺搭建了純電動汽車的整車模型，然后分別搭建了包括水冷系統(tǒng)和電池包風(fēng)冷系統(tǒng)在內(nèi)的熱管理系統(tǒng)模型，然后將已經(jīng)搭建的水冷系統(tǒng)模型和電池包風(fēng)冷系統(tǒng)模型與整車系統(tǒng)模型相結(jié)合，將整車仿真中電機(jī)、電機(jī)控制器、電壓轉(zhuǎn)換器的發(fā)熱量作為輸入值，輸給水冷系統(tǒng)模型；將電池的散熱量作為一個(gè)輸入值，輸給電池包風(fēng)冷系統(tǒng)模型，然后制定相關(guān)的控制策略，對電機(jī)、電池進(jìn)行溫度控制．這樣就形成了一個(gè)合理的、比較完整的整車熱管理系統(tǒng)仿真模型，如圖3所示.
在各部件按照設(shè)計(jì)選取的型號的參數(shù)設(shè)置完成后，采用FTP－72循環(huán)測試工況對模型進(jìn)行仿真計(jì)算．與此同時(shí)，也對實(shí)車的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．測試和仿真的環(huán)境溫度為25℃，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，時(shí)間為1370s．
3仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3．1水冷系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
在FTP－72工況下，電機(jī)控制器的散熱量約為300W到1500W之間，電機(jī)的散熱量約為500W到2000W之間，再加上電壓轉(zhuǎn)換器DC/DC和一些低壓供電系統(tǒng)的散熱量，約1000W左右，這些熱量即為冷卻水系統(tǒng)的熱負(fù)荷，需要通過散熱器和風(fēng)扇將熱量傳遞到環(huán)境中．
運(yùn)行過程中，溫度傳感器采集電機(jī)出水口的冷卻水溫度，將冷卻水溫傳遞給中央控制器，控制水泵、風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速和流量以及閥門的開度．水冷系統(tǒng)的控制策略如表2所示．
在此控制策略下，我們將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測得的電機(jī)出水口的冷卻水溫度進(jìn)行對比，如圖4所示．
從圖4可以看出，在FTP－72工況下，環(huán)境溫度為25℃時(shí)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)采集的電機(jī)出水口的冷卻水溫度與仿真計(jì)算的溫度差值最大為5℃，誤差百分比平均約為6%左右．此結(jié)果說明通過AMESim搭建的純電動汽車熱管理系統(tǒng)具有比較可靠的仿真結(jié)果，可以較準(zhǔn)確地計(jì)算出冷卻水的流動狀態(tài)和最高溫度．本研究選用的電機(jī)出水口的冷卻水最高溫度可達(dá)到80℃，在此控制策略下，電機(jī)出水口的冷卻水溫度（低于65℃）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于最高溫度，而且整個(gè)循環(huán)工況，風(fēng)扇一直未啟動．這說明原來的系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的水泵，風(fēng)扇等部件還有進(jìn)一步選型優(yōu)化的空間．
3．2電池包風(fēng)冷系統(tǒng)的仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
電池包內(nèi)有八個(gè)電池模塊，分別用溫度傳感器采集每個(gè)模塊的溫度，對最高溫度和最低溫度進(jìn)行監(jiān)控，并選取這八個(gè)溫度的平均值，用平均溫度調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電池包進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)量．分別采集八個(gè)模塊的溫度，其仿真如圖5所示．從上圖可以看出，電池包內(nèi)各模塊的溫度變化較均勻，溫度差在1．5℃以內(nèi)，且包內(nèi)最高溫度不超過32．5℃，可以保證電池在較高的性能下工作．一個(gè)循環(huán)工況中，仿真得到的電池包內(nèi)部的平均溫度與實(shí)驗(yàn)所采集到的平均溫度數(shù)據(jù)相比較，如圖6所示．
從圖6可以看出，在實(shí)驗(yàn)過程中，電池包內(nèi)的平均溫度始終維持在31℃附近，并未出現(xiàn)大的溫度波動．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真的結(jié)果有一定的出入，造成這種誤差的原因是仿真中電池包內(nèi)的溫度初始值為27℃，并隨著車輛的行駛，溫度逐漸升高，而實(shí)驗(yàn)中，由于溫度采集的滯后性，溫度傳感器并不是從汽車行駛的初始時(shí)刻開始工作的，而是達(dá)到一定穩(wěn)定狀態(tài)后，才開始記錄溫度數(shù)據(jù)．此外，對比分析可知，實(shí)驗(yàn)測試的電池包內(nèi)部的平均溫度結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果的最大誤差在前200s內(nèi)，最高誤差溫度為4℃，200s后誤差較小，低于1℃．從400s之后開始，當(dāng)兩組溫度都達(dá)到30℃后，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致，誤差不超過1℃．因而分析可知，仿真模型基本正確，能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)測電池包內(nèi)部的溫度變化，同時(shí)本研究設(shè)計(jì)的風(fēng)冷系統(tǒng)對穩(wěn)定和控制電池包的工作溫度范圍具有良好的效果。
4基于AMESim的純電動汽車熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
4．1水冷系統(tǒng)的優(yōu)化
分析仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)水冷系統(tǒng)的水泵、風(fēng)扇的選型及系統(tǒng)的控制策略都有優(yōu)化的空間．接下來，在仿真模型的參數(shù)設(shè)置中，減小散熱器的長度和寬度，在保證散熱能力的同時(shí)可以有效地節(jié)省空間．然后再根據(jù)冷卻系統(tǒng)的流量，對水泵進(jìn)行選型，將水泵的額定流量減少為原車試驗(yàn)型號的50%，在減少流量的同時(shí)水泵的功率也隨之降低
由于原車的風(fēng)扇根本沒有進(jìn)行工作，在正常情況下，熱量全部都由散熱器流向環(huán)境，因此在優(yōu)化時(shí)，我們根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范來選擇風(fēng)機(jī)的流量、風(fēng)壓、功率等，可以根據(jù)風(fēng)機(jī)的類型和性能曲線選擇風(fēng)機(jī)，使所選風(fēng)機(jī)在系統(tǒng)中處于最佳工況．
此外，水冷系統(tǒng)的控制策略也調(diào)整如表3所示．
在對參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)匹配后，我們?nèi)匀徊捎肍TP－72工況進(jìn)行仿真計(jì)算．經(jīng)過優(yōu)化后的水冷系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖7和圖8所示．
由上圖可以看出，通過散熱器的冷卻水溫度下降約11℃左右，完全可以滿足整車的散熱需求．冷卻水經(jīng)過電機(jī)后的溫度仍然不太高，不到60℃，根據(jù)控制策略的要求，冷卻風(fēng)扇仍然沒有工作．因此在接下來的優(yōu)化中，我們可以采用更加惡劣的工況，考察車輛散熱系統(tǒng)的能力．
4．2高溫環(huán)境下熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化
我們考察惡劣工況，設(shè)置環(huán)境溫度為40℃．在高溫環(huán)境下整車不需要再向乘員艙供暖，反而需要向乘員艙制冷，因此冷卻系統(tǒng)的散熱量更大．仍然采用FTP－72工況，當(dāng)環(huán)境溫度為40℃時(shí)，其他的參數(shù)和條件和上文的仿真不變．但是控制策略調(diào)整為：在環(huán)境溫度為40℃時(shí)，完全關(guān)閉支路小循環(huán)，使所有的冷卻水都通過散熱器進(jìn)行散熱．經(jīng)過一個(gè)循環(huán)工況后，電機(jī)出水口的冷卻水溫度如圖9所示．由圖9可以看出，雖然外界環(huán)境溫度升高至40℃，但是在循環(huán)工況下，電機(jī)出水口的冷卻水溫度仍然不足60℃，說明整套冷卻系統(tǒng)具有很好的散熱性能，能夠保證電機(jī)和其他發(fā)熱部件的正常工作．散熱器進(jìn)出口的冷卻水溫度如圖10所示．
由圖10可以看出，根據(jù)高溫環(huán)境所制定的控制策略，溫控閥門始終全開，冷卻水全部通過散熱器進(jìn)行冷卻，散熱器進(jìn)出水口的冷卻水溫度差最大約為10℃．在此高溫條件下，散熱器進(jìn)口的冷卻水溫仍然低于60℃，不需要打風(fēng)扇就能夠滿足散熱量．風(fēng)扇可以作為備用條件，在高溫且高速或者爬坡等工況下，可以打開風(fēng)扇，加強(qiáng)散熱器的散熱．對電池包而言，外界環(huán)境溫度40℃時(shí)，電池的工作性能將會受到一定的影響，必須使風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷工作，將電池模塊產(chǎn)生的熱量盡快散到大氣中，才能保持電池的性能．電池包內(nèi)各模塊的溫度和平均溫度如圖11和圖12所示．
從上圖可以看出，在高溫環(huán)境下，電池模塊的平均溫度不超過47℃，其中電池包出風(fēng)口處模塊的溫度最高，進(jìn)風(fēng)口第2個(gè)模塊的溫度最低，但各個(gè)模塊的溫度差最高為1℃，溫度一致性較好．
4．3爬坡工況下熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化
在上文研究的基礎(chǔ)上，選擇具有一定坡度的路況進(jìn)行仿真．在NEDC循環(huán)工況下，環(huán)境溫度為40℃，道路坡度在3%～4%，部分路段達(dá)到5%左右，考察電動汽車的動力性能和冷卻效果．在外界環(huán)境溫度為40℃條件下，冷卻水全部經(jīng)過散熱器散熱．在此工況下，散熱器進(jìn)出口的冷卻水溫度如圖13所示．
從上圖可以看出，在高溫環(huán)境下，車輛在爬坡道路時(shí)，散熱器的最大溫差約為5℃左右．散熱器進(jìn)口溫度低于65℃，能滿足熱管理的要求．電池包內(nèi)部的平均溫度變化如圖14所示．由圖14可知，在外界環(huán)境為40℃時(shí)，車輛運(yùn)行NEDC工況并有爬坡道路時(shí)，電池包內(nèi)部的平均溫度約升高10℃，最高溫度接近50℃．此時(shí)對電池的性能有較大的影響，長時(shí)間運(yùn)行在高溫狀態(tài)下，會對鋰離子電池的壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響，并存在安全隱患．這說明高溫爬坡工況下，風(fēng)冷系統(tǒng)已不太適合電池包的熱管理，不能很好地冷卻電池包，應(yīng)該采用水冷方式或者其他冷卻方式來設(shè)計(jì)電池包的熱管理系統(tǒng)．
5總結(jié)
本文基于AMESim軟件，建立了完整的純電動汽車的熱管理系統(tǒng)模型，并通過整車實(shí)驗(yàn)采集溫度數(shù)據(jù)對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果證實(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，表明該仿真模型對于整車的仿真和冷卻系統(tǒng)的熱量管理具有較高的精度．其次，在此模型的基礎(chǔ)上，分別對水冷系統(tǒng)、高溫環(huán)境下熱管理系統(tǒng)及爬坡工況下熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)．與此同時(shí)，本文對熱管理系統(tǒng)的控制策略也進(jìn)行了優(yōu)化，使得熱管理系統(tǒng)能適應(yīng)不同的運(yùn)行工況和環(huán)境溫度．本文基于AMSim軟件對純電動汽車的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法為研究和開發(fā)純電動汽車的熱管理系統(tǒng)提供了思路和參考．
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