摘要：文章主要針對基于模型預(yù)測的純電動汽車動力總成熱管理策略進(jìn)行分析。在分析過程中，主要結(jié)合AEMsim 軟件實(shí)現(xiàn)對分布式冷卻系統(tǒng)的搭建過程，并針對模型中的參數(shù)數(shù)據(jù)問題進(jìn)行匹配分析。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際臺架模型表現(xiàn)進(jìn)行驗(yàn)證處理，目的在于證明所搭建模型的準(zhǔn)確程度。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合AEMsim 軟件聯(lián)合仿真功能，提高熱管理系統(tǒng)的響應(yīng)性能，以減少冷卻系統(tǒng)的能量消耗問題。
純電動汽車熱管理系統(tǒng)一般多作用于統(tǒng)籌整車系統(tǒng)熱量之間的交互關(guān)系中，通過不斷作用增加純電動汽車的續(xù)駛里程。近年來，為進(jìn)一步加強(qiáng)純電動汽車的運(yùn)行功能，研究人員針對純電動汽車動力總成熱管理問題進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃與合理部署，要求研究人員可以針對純電動汽車動力總成分布式冷卻系統(tǒng)問題進(jìn)行重點(diǎn)研究與分析，最好可以從智能控制方式、新材料使用以及新工藝創(chuàng)新等方面進(jìn)行研究與分析。文章主要從智能控制方式入手，確保熱管理系統(tǒng)滿足整車熱管理要求的同時(shí)，減少冷卻系統(tǒng)能耗問題，確保純電動汽車運(yùn)行質(zhì)量及效益得以雙重深化。
1 純電動汽車分布式冷卻系統(tǒng)
一般來說，動力電池、驅(qū)動電機(jī)以及電機(jī)控制器在適宜溫度條件方面表現(xiàn)不一致，對于此，建議設(shè)計(jì)人員可以利用分布式冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對控制對象的針對性管理，確保冷卻效果可以達(dá)到預(yù)期。目前，在試驗(yàn)臺架的功能組成方面，主要以動力總成模塊、充放電模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊等組建而成，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1]。上位機(jī)通過模擬VCU 向BMS、MCU 發(fā)送CAN 信號的優(yōu)勢，基本上可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)控制運(yùn)行的集中管理，主要是由熱源動力電池、驅(qū)動電機(jī)等組成，具體參數(shù)如表1 所示。其中，電池包內(nèi)部設(shè)置12 個(gè)溫度點(diǎn)，驅(qū)動電機(jī)與電機(jī)控制器溫度在測點(diǎn)設(shè)施方面各取一個(gè)。上述數(shù)據(jù)在讀取管理方面，主要是由CAN 協(xié)議通信進(jìn)行讀取管理。
1.1 分布式冷卻系統(tǒng)的組成情況
在正式研究純電動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)控制方式之前，要對純電動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)組成問題進(jìn)行詳細(xì)分析。一般來說，動力電池以液冷散熱方式為主，而電機(jī)以及電機(jī)控制器則利用液冷回路實(shí)現(xiàn)散熱過程。顧慮到電機(jī)適宜工作溫度要比電機(jī)控制器高得多，因此冷卻液一般都先經(jīng)過電機(jī)控制器之后再經(jīng)過驅(qū)動電機(jī)。整車控制器則需要根據(jù)所采集的電池、電機(jī)系冷卻回路進(jìn)出水口溫度值冷卻系統(tǒng)的水泵以及風(fēng)扇設(shè)施進(jìn)行全方位控制。圖1 分布式冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)臺架主要部件構(gòu)成圖
1.2 分布式冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)方案
試驗(yàn)的目的主要是獲取驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)控制器、動力電池運(yùn)行不同工況下，發(fā)熱功率表現(xiàn)狀態(tài)。可以根據(jù)發(fā)熱功率表現(xiàn)情況，對仿真中冷卻系統(tǒng)應(yīng)用問題進(jìn)行優(yōu)化處理。需要注意的是，在研究與分析過程中，應(yīng)該忽略熱源與外界產(chǎn)生的熱交換反應(yīng)，主要是因?yàn)闊嵩刺幱跓崞胶鉅顟B(tài)時(shí)，熱源所產(chǎn)生的熱量會以熱交換方式被冷卻液帶走。因此，在冷卻液流量的確定方面，只需要根據(jù)冷卻液進(jìn)出口溫度表現(xiàn)情況即可獲得[2]。
1.3 試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)試驗(yàn)方案測定結(jié)果來看，電機(jī)以及電控系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)回路進(jìn)出口處于溫度數(shù)值穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，電機(jī)控制器進(jìn)出口冷卻系統(tǒng)在回路溫差方面表現(xiàn)較差。同時(shí)，顧慮到驅(qū)動電機(jī)與電機(jī)控制器整體功耗情況，可以利用相關(guān)公式得到電機(jī)電控?fù)Q熱數(shù)值。但是在電池冷卻回路方面，即使到放電結(jié)束，電池中冷卻回路的進(jìn)出口溫度仍然無法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
2 基于AEMsim 軟件搭建仿真模型
文章在純電動汽車整車模型的搭建方面主要利用AEMsim 模型，針對試驗(yàn)臺架搭建動力總成分布式冷卻系統(tǒng)仿真模型問題進(jìn)行重點(diǎn)研究。與以往整車模型進(jìn)行結(jié)合使用，根據(jù)試驗(yàn)測得結(jié)果，確定電機(jī)、電控整體換熱數(shù)值，并將相關(guān)數(shù)據(jù)輸入電機(jī)冷卻水路模型。需要注意的是，在動力電池應(yīng)用方面，應(yīng)該將仿真模型中的電池生熱量問題作為主要研究對象，按照相關(guān)策略內(nèi)容實(shí)現(xiàn)對電動汽車動力總成冷卻系統(tǒng)的仿真分析過程[3]。如此一來，設(shè)計(jì)人員只需要通過設(shè)置模型參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)與試驗(yàn)臺架的匹配分析過程。同時(shí)，像散熱器總成以及電子水泵等能耗部件都可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確匹配過程。在電機(jī)系統(tǒng)冷卻回路仿真驗(yàn)證過程中，設(shè)計(jì)人員可以將試驗(yàn)測得的電機(jī)系統(tǒng)散熱數(shù)據(jù)導(dǎo)入相關(guān)軟件。并且設(shè)定電機(jī)在不同轉(zhuǎn)矩以及不同轉(zhuǎn)速條件下所適合的進(jìn)出口溫度數(shù)值。在完成上述仿真模型構(gòu)建工作之后，工作人員可以針對數(shù)據(jù)反饋結(jié)果對冷卻系統(tǒng)采取針對性控制策略并加以優(yōu)化。此外，與試驗(yàn)臺架基本保持一致。設(shè)計(jì)人員可以將試驗(yàn)測得的電機(jī)系統(tǒng)散熱數(shù)據(jù)導(dǎo)入相關(guān)軟件，并合理設(shè)定電機(jī)運(yùn)行在不同轉(zhuǎn)矩以及不同轉(zhuǎn)速條件下，電機(jī)冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定后所呈現(xiàn)的進(jìn)出口溫度值。當(dāng)所設(shè)定的轉(zhuǎn)速滿足額定轉(zhuǎn)速條件時(shí)，可以根據(jù)不同準(zhǔn)據(jù)穩(wěn)定狀態(tài)下所得到的進(jìn)出口溫度數(shù)值進(jìn)行綜合對比與分析。一般來說，要將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)誤差率控制在3.6%以下[4]。
3 基于模型預(yù)測的純電動汽車動力總成熱管理策略
電動汽車實(shí)際運(yùn)行過程中，電池溫度設(shè)定一般不可以超過50℃。因此在電池出口冷卻水溫度設(shè)置方面，應(yīng)該嚴(yán)格控制在38℃以下。驅(qū)動電機(jī)發(fā)熱量較大，在溫度升高速率方面明顯比電池要快，再加上冷卻溫度較低，容易造成電子水泵與電子風(fēng)扇的能耗問題。一般來說，試驗(yàn)用的驅(qū)動機(jī)可承受的最高溫度為120℃。為確保電機(jī)冷卻系統(tǒng)與其他部件之間實(shí)現(xiàn)高效應(yīng)用目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員電機(jī)冷卻系統(tǒng)出口冷卻液溫度的設(shè)置方面應(yīng)該滿足不超過58℃的標(biāo)準(zhǔn)。從近些年的發(fā)展情況看，以模型預(yù)測為主的控制手段，逐漸在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中得到了廣泛推廣與應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員通過實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)模型參數(shù)的辨識與管理，基本上可以根據(jù)歷史信息反饋結(jié)果預(yù)測某一時(shí)刻輸入對未來電動汽車運(yùn)行操作可能產(chǎn)生的不利影響。主要根據(jù)其預(yù)測特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對每一個(gè)控制周期在線優(yōu)化操作的控制管理。最終根據(jù)檢測對象實(shí)際輸出數(shù)值，完成對模型初始預(yù)測的矯正處理，以確保預(yù)測結(jié)果更加精準(zhǔn)、合理。另外，管理方面還可以積極借鑒國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，對純電動汽車動力總成熱管理問題進(jìn)行針對性處理[5]。
4 結(jié)論
文章主要根據(jù)模型預(yù)測控制手段，針對純電動汽車分布式冷卻系統(tǒng)的控制方法問題，構(gòu)建了科學(xué)合理的純電動汽車動力總成臺架，并根據(jù)電機(jī)處于不同工況下所表現(xiàn)出的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行監(jiān)測與管理。根據(jù)文章的研究，可得出以下結(jié)論。1）當(dāng)電池處于恒功率放電狀態(tài)時(shí)，電流的增大與SOC的變化會促使電池產(chǎn)生量保持在不斷變化的狀態(tài)中。2）通過利用參數(shù)數(shù)據(jù)匹配并構(gòu)建相關(guān)仿真模型，基本上可以對電池冷卻水回路與電機(jī)電控冷卻水回路的分析問題進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證。3）基于模型預(yù)測的純電動汽車動力總成熱管理問題的研究，建議研究人員可以從多種工況下進(jìn)行綜合對比，并根據(jù)冷卻系統(tǒng)控制對象響應(yīng)速度表現(xiàn)情況進(jìn)行針對性研究與分析，提出相對應(yīng)的管理策略，確保純電動汽車運(yùn)行質(zhì)量安全。
作者：馬偉
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