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增程式電機控制器高效熱分析與研究

2021-11-03 22:47:47·  來源：電動學(xué)堂  作者：萬光前等  
　
文章來源：山推工程機械股份有限公司隨著柴油機排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，工程機械純電動化已成為行業(yè)未來的一個發(fā)展趨勢。純電動工程機械的核心部件是電機電控系統(tǒng)及
文章來源：山推工程機械股份有限公司
隨著柴油機排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，工程機械純電動化已成為行業(yè)未來的一個發(fā)展趨勢。純電動工程機械的核心部件是電機電控系統(tǒng)及動力電池系統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)的運行質(zhì)量直接影響電動設(shè)備的動力性、可靠性等性能參數(shù)。系統(tǒng)溫度是決定電機電控系統(tǒng)及動力電池系統(tǒng)運行質(zhì)量的關(guān)鍵因素，動力電池溫度過低會影響電池放電功率和安全性，溫度過高會嚴(yán)重影響動力電池壽命和穩(wěn)定性。采用熱管理系統(tǒng)控制動力電池溫度處于最佳溫度范圍，不僅有利于提高電池的續(xù)航能力，還有利于提高動力電池的使用壽命。電機電控系統(tǒng)溫度過高會造成控制器熱擊穿、電子元件損壞、電機輸出限制等故障。一個好的熱管理系統(tǒng)是多個系統(tǒng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，包含電機電控及動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、整機液壓系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)。此外，商品化的純電動工程機械還要配置駕乘環(huán)境熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前已有成熟的商業(yè)化解決方案，本文不做論述。
1  純電動推土機熱管理系統(tǒng)介紹
純電動推土機以傳統(tǒng)柴油動力推土機為基礎(chǔ)設(shè)計，保留推土機原有各項功能，將動力源與動力傳動裝置進行替換：動力電池組替換柴油機，驅(qū)動電機及控制器替換變矩器變速箱等部件，液壓泵由分動箱驅(qū)動變?yōu)殡姍C驅(qū)動。本文涉及產(chǎn)品電機電控、動力電池系統(tǒng)的配置明細(xì)為：驅(qū)動電機及控制器2組，液壓泵驅(qū)動電機（下文簡稱液壓電機）及控制器1組，動力電池1組。動力源及動力傳動裝置的變更必然引起整機熱管理系統(tǒng)的適應(yīng)性變化，同時新增電氣元件的適合工作溫度范圍也大不相同，詳見表1。因此，應(yīng)統(tǒng)籌考慮純電動推土機各子系統(tǒng)溫度要求設(shè)計整機熱管理系統(tǒng)。
為保證熱交換效率，電機電控及動力電池均采用配比為50%純水+50%乙二醇的長效防凍液作為冷卻介質(zhì)，并采用強制冷卻模式。冷卻介質(zhì)與被冷卻元件實現(xiàn)熱交換后最終經(jīng)風(fēng)冷冷卻器實現(xiàn)向外界環(huán)境散熱。液壓油也通過風(fēng)冷冷卻器向環(huán)境散熱。綜合考慮各元件溫度需求，將電機電控風(fēng)冷單元及液壓油風(fēng)冷單元集成為復(fù)合散熱器，采用電子風(fēng)扇進行冷卻。由于動力電池溫度范圍要求嚴(yán)格，傳統(tǒng)風(fēng)冷方案已無法滿足需求，因此采用商業(yè)化程度較高的BTMS進行冷卻。根據(jù)溫度要求，本文將電機電控及液壓油熱管理系統(tǒng)定義為高溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)，將動力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)定義為低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)。
2  高溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計
2.1  高溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)布置
系統(tǒng)采用水冷單元與油冷單元集成，水冷各分支并聯(lián)，控制器與電機串聯(lián)的總體布置方案，總體布置如圖1所示。相比電機而言，控制器需求溫度較低，串聯(lián)時將控制器布置在前側(cè)，冷卻液先經(jīng)過控制器再進入電機進行冷卻。設(shè)計時要通過調(diào)節(jié)管路長度、增加節(jié)流裝置等手段調(diào)控水冷各分支的流阻，避免出現(xiàn)因流量差異導(dǎo)致的換熱不均衡現(xiàn)象。

復(fù)合散熱器集成多個電子風(fēng)扇及控制器，在水冷單元及油冷單元出口處安裝溫度傳感器，控制器分析水溫及油溫后按照既定控制策略向風(fēng)扇發(fā)送指令，調(diào)控風(fēng)扇轉(zhuǎn)速或控制多個風(fēng)扇的開閉，使防凍液和液壓油處于設(shè)定的溫度范圍，同時還可以取得可觀的節(jié)能效果。
2.2  水冷系統(tǒng)計算
設(shè)計使用最高環(huán)境溫度為45℃。根據(jù)管路及各電子元件流阻值確定電子水泵流量為45L/min。則系統(tǒng)總散熱功率Qw表達式為

式中Qw——系統(tǒng)總散熱功率；Qw1——驅(qū)動電機散熱功率，取4kW；Qw2——電機控制器散熱功率，取3.5kW；Qw3——液壓電機散熱功率，取3.6kW；n——安全系數(shù)，取1.1。
帶入各項數(shù)值得系統(tǒng)總散熱功率為24.3kW。
計算時設(shè)定水冷單元入口溫度為65℃，計算整個系統(tǒng)溫度降Δtw，確定水冷單元出口溫度。
式中Qw——系統(tǒng)總散熱功率，取24.3kW；
Vw——冷卻液循環(huán)流量，取45L/min；
rw——冷卻液密度，近似取1000kg/m3；
Cw——冷卻液比熱，近似取4.187kJ/kg℃。
帶入數(shù)值計算得系統(tǒng)溫度降為7.74℃，滿足控制器入口溫度要求。用式(2)計算校驗水冷各分支溫升，滿足設(shè)計要求。
2.3  油冷系統(tǒng)計算
設(shè)計使用最高環(huán)境溫度為45℃，系統(tǒng)理論散熱功率12kW，取安全系數(shù)1.1，計算輸入確定為13.2kW。計算時設(shè)定油冷單元入口溫度為80℃，計算確定液壓油溫度降Δtw，確定油冷單元出口溫度。

式中Q0——系統(tǒng)總散熱功率，取13.2kW；V0——液壓油循環(huán)流量，取17L/min；r0——液壓油密度，近似取875kg/m3；C0——液壓油比熱，近似取2.094kJ/kg℃。
帶入數(shù)據(jù)計算得系統(tǒng)溫降約為25.4℃，滿足設(shè)計要求。
3  低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計
文中純電動推土機采用8組電池作為動力源，電池組自帶加熱功能，選用單冷型BTMS即可，無需選用具有加熱功能的冷暖型BTMS。目前商業(yè)化BTMS根據(jù)其制冷量不同分為5kW及8kW兩種規(guī)格，具體設(shè)計過程中可根據(jù)電池組的熱負(fù)荷特性選用相應(yīng)規(guī)格的產(chǎn)品。
為保證各電池組冷卻液流量均勻，且溫度精確控制在適合范圍內(nèi)，電池組冷卻管路采用2組電池串聯(lián)，各電池冷卻支路并聯(lián)的布置形式，如圖2所示。


設(shè)計過程中，要綜合考慮高度差等因素，通過控制各分支管路長度、內(nèi)徑、走向等，保證各分支流阻及流量均衡。此外，要在合適的位置增加膨脹水箱，保證電池及BTMS的冷卻液一次性注率及運行過程除氣效果，必要時可使用2個膨脹水箱。其布置示例如圖3所示。
此外，BTMS控制邏輯也是保證熱管理系統(tǒng)精準(zhǔn)運行的關(guān)鍵。BTMS檢測實際水溫，與設(shè)定的目標(biāo)水溫比對，確定工作模式后向執(zhí)行單元發(fā)送指令，典型的工作模式如下。
1）關(guān)機模式除BTMS控制器外，其余部件均停止工作。
2）自循環(huán)模式BTMS控制器控制水泵循環(huán)，其余部件停止工作。
3）制冷模式根據(jù)采集溫度控制BTMS風(fēng)扇、壓縮機的開閉。
4  結(jié)語
該熱管理系統(tǒng)已完全可以滿足純電動推土機的工作要求，文中涉及的設(shè)計方法、布置方案對其它純電動工程機械熱管理系統(tǒng)設(shè)計具有一定的借鑒意義。后續(xù)還應(yīng)在控制邏輯細(xì)化等方面開展研究工作，使純電動工程機械熱管理系統(tǒng)運行更精準(zhǔn)、更節(jié)能。

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