陸訓(xùn),汪躍中,張朝聞.基于AMEsim純電動(dòng)汽車高溫適應(yīng)性分析研究[J].汽車實(shí)用技術(shù),2019(05):29-31

摘 要：

基于AMESim 軟件建立了完整的純電動(dòng)汽車的熱管理系統(tǒng)模型，在此模型的基礎(chǔ)上，文章主要針對(duì)在不同環(huán)境溫度下，研究空調(diào)風(fēng)冷電池包系統(tǒng)，對(duì)電動(dòng)汽車整車熱管理系統(tǒng)及電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)優(yōu)化控制，使整車熱管理系統(tǒng)能適應(yīng)不同工況和環(huán)境溫度的整車熱管理要求。文章基于AMESim 軟件對(duì)純電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)溫度適應(yīng)性研究及設(shè)計(jì)的方法為提供了思路和參考。

引言

中國(guó)《中國(guó)汽車藍(lán)皮書(shū)》在2016 年提出了“智能化、電動(dòng)化、電商化、共享化”的汽車行業(yè)四化轉(zhuǎn)型目標(biāo)，逐漸推動(dòng)汽車行業(yè)的快速轉(zhuǎn)型和汽車技術(shù)的融合發(fā)展，其中新能源汽車已經(jīng)成為未來(lái)汽車發(fā)展的重要方向，新能源汽車的廣泛使用及人們的日?；顒?dòng)半徑的增加，對(duì)新能源汽車?yán)m(xù)航里程的要求也越來(lái)越高。但因?yàn)槭艿秸嚳臻g的限制，增大電池的體積的方案可操作性不強(qiáng)，于是增大動(dòng)力電池的能量密度成為業(yè)內(nèi)提高新能源汽車?yán)m(xù)航里程一直在使用并且有效的解決方案。動(dòng)力電池能量密度提高，伴隨產(chǎn)生的問(wèn)題是電池發(fā)熱量大、溫度高，這對(duì)電池的電量及壽命等方面都有不利的影響。

如何更好的從系統(tǒng)以及整體角度，統(tǒng)籌管理整車熱管理系統(tǒng)，這不僅是汽車零部件對(duì)散熱的需求，更是提高整車能量利用率，降低整車能耗水平的重要手段。新能源電動(dòng)汽車使用依托于空調(diào)系統(tǒng)的電池液冷系統(tǒng)，在全球?qū)儆谛袠I(yè)前沿技術(shù)。本文采用一維仿真軟件AMESim 建立了一套比較完整的純電動(dòng)汽車整車熱管理系統(tǒng)的仿真模型，研究在不同環(huán)境溫度下，空調(diào)風(fēng)冷電池包系統(tǒng)，對(duì)電動(dòng)汽車整車熱管理系統(tǒng)整體集成優(yōu)化控制策略的實(shí)現(xiàn)。

1 純電動(dòng)汽車散熱部件散熱需求

本文研究對(duì)象，某款純電動(dòng)汽車的主要參數(shù)如表1 所示：

電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理，空調(diào)系統(tǒng)熱管理、電池系統(tǒng)熱管理。

本文主要研究其中的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理及電池系統(tǒng)熱管理兩個(gè)部分。其中電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理主要原理如圖1 所示。

某純電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)熱管理要求，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)溫度限值≤170℃。為了系統(tǒng)能夠安全高效地運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)電機(jī)出水口的冷卻水溫度控制≤65℃，電機(jī)控制器出水口的冷卻水溫度控制在≤63℃，DC /DC 轉(zhuǎn)換器出水口的冷卻液溫度控制在≤61℃，而散熱器出水口的溫度要≤60℃。其中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為主要發(fā)熱部件是該套熱管理系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的核心部件，其熱管理水平的好壞直接影響電動(dòng)汽車的整車性能表現(xiàn)。本文研究的電池包冷卻系統(tǒng)，其散熱方式為利用空調(diào)的部分風(fēng)量的風(fēng)冷散熱方式。空調(diào)吹出的冷空氣從電池風(fēng)道入口進(jìn)入電池包內(nèi)部，通過(guò)對(duì)流換熱將電池包產(chǎn)生的熱量帶走并從出風(fēng)口排出，風(fēng)向流動(dòng)示意如圖2 所示。通過(guò)風(fēng)冷的方式，優(yōu)化控制進(jìn)入電池包的風(fēng)量水平，使電池包的內(nèi)部溫度保持在最佳工作溫度20℃～40℃之間，且內(nèi)部溫差≤5℃。

2 整車熱管理一維仿真模型

為了更好的保證整車熱管理仿真分析的準(zhǔn)確性，本文利用AMESim 仿真分析軟件首先搭建電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的水冷散熱系統(tǒng)以及電池包風(fēng)冷系統(tǒng)在內(nèi)的子系統(tǒng)模型。在保證兩個(gè)子系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)模型準(zhǔn)確無(wú)誤的基礎(chǔ)上，然后再將已經(jīng)搭建的電驅(qū)動(dòng)熱管理模型和電池包風(fēng)冷系統(tǒng)模型，與整車系統(tǒng)一級(jí)模型相結(jié)合，共同構(gòu)成一個(gè)純電動(dòng)汽車的整車熱管理模型。

設(shè)置相關(guān)子模型的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)，確保無(wú)誤后進(jìn)行仿真分析調(diào)試計(jì)算。設(shè)定需求的測(cè)試工況對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

3 仿真分析研究

本文主要為了研究電池在不同溫度下的適應(yīng)性研究，通過(guò)AMEsim仿真來(lái)模擬不同環(huán)境溫度下的乘員艙舒適性改變情況、電池溫升變化及電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)散熱情況分析。其中電池模型被分解成3 個(gè)電池，每個(gè)單元都有一個(gè)熱質(zhì)量，為了將電池的溫度維持在35°C 左右。仿真模型控制基于對(duì)乘客乘員艙熱舒適性分析以及通過(guò)風(fēng)冷的方式優(yōu)化控制電池包的進(jìn)風(fēng)量，使電池包的內(nèi)部溫度保持在25℃～40℃之間的主要原則。在運(yùn)行過(guò)程中，水冷系統(tǒng)的主要控制策略主要依據(jù)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)速等。水冷系統(tǒng)的控制策略如表2 所示。

3.1 電驅(qū)動(dòng)散熱系統(tǒng)

為了更好的模擬出相對(duì)極端條件下的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)散熱能力，仿真模型環(huán)境溫度設(shè)置為40℃，車速60km/h，9%坡度的山路爬坡工況。

通過(guò)仿真模擬分析看出，本研究所選用的電驅(qū)動(dòng)熱管理模型及控制策略下，電機(jī)、MCU 的出水溫度分別在55℃和53℃左右（圖4、5、6），且風(fēng)扇能夠很好的根據(jù)冷卻液溫度啟動(dòng)和關(guān)閉（圖7），保證電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)散熱能力，以更好的保證各散熱部件的正常工作。

3.2 乘員艙舒適性及電池包散熱

通過(guò)仿真模擬分析看出，本研究所選用乘員艙舒適性及電池風(fēng)冷控制策略，能夠有效保證乘員艙制冷需求的同時(shí)，保障電池溫度在25℃～40℃之間的主要原則，以更好的保證電池性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，通過(guò)圖8、9 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，為了更好的保證乘員艙舒適性水平要求，空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)產(chǎn)生變化，同時(shí)由于環(huán)境溫度的升高，乘員艙達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)間會(huì)發(fā)生細(xì)微變化，但是由于空壓機(jī)轉(zhuǎn)速及時(shí)調(diào)整，能夠在規(guī)定時(shí)間（約10min）內(nèi)達(dá)到需求溫度。

4 高溫環(huán)境下的散熱試驗(yàn)研究

本試驗(yàn)?zāi)康臑榱蓑?yàn)證該套整車熱管理系統(tǒng)在高溫環(huán)境下適應(yīng)性能力。研究考察的惡劣工況為所需冷卻系統(tǒng)的散熱量更大的長(zhǎng)距離山路爬坡工況。試驗(yàn)在整車環(huán)境艙中進(jìn)行（圖11），設(shè)置環(huán)境溫度為40℃。運(yùn)行工況為60km/h 等速9%坡度，運(yùn)行時(shí)間為電池SOC 從80%一直運(yùn)行，直至30%SOC為止。試驗(yàn)測(cè)試在環(huán)境艙中進(jìn)行，試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備及環(huán)境條件見(jiàn)表3。

試驗(yàn)?zāi)康臑榭疾爝@一過(guò)程中，電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)散熱能力是否能夠達(dá)到一個(gè)熱平衡水平，并保證在一個(gè)有效的工作溫度范圍內(nèi)，保證各驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部件正常工作。經(jīng)過(guò)環(huán)境艙模擬山路爬坡工況運(yùn)行結(jié)束后，電機(jī)進(jìn)出水溫度如圖12 所示，可以看出， 過(guò)程中，以RC 模型為前提的SOC 估算則更為準(zhǔn)確。在蓄電池不持續(xù)放電過(guò)程中，電流保持恒定放電。以RC 模型、Thevenin 模型為前提SOC 估算，均存在一定的誤差，當(dāng)應(yīng)用RC 模型開(kāi)展的估算更為可靠、準(zhǔn)確。

 5 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，在倡導(dǎo)綠色低碳發(fā)展理念的當(dāng)前時(shí)代背景下，應(yīng)用綠色環(huán)保的能源是時(shí)代的大勢(shì)所趨。相較于其他電池能源，鋰電池表現(xiàn)出使用壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、能量質(zhì)量比高等優(yōu)勢(shì)，可在人們生活的方方面面得到廣泛推廣，并對(duì)現(xiàn)代產(chǎn)品生產(chǎn)有著十分重要的影響。本次充電設(shè)備的研究，為高電壓、大電流電動(dòng)汽車充放電設(shè)備研發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。今后鋰電池將會(huì)進(jìn)一步趨于小體積、輕重量及高能量密度。伴隨對(duì)鋰電池研究的不斷深入，對(duì)鋰電池一系列參數(shù)的了解勢(shì)必會(huì)越來(lái)越精確，與之相應(yīng)的新充放電方法及控制技術(shù)也會(huì)誕生，進(jìn)而為人類社會(huì)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。