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基于AMESim的纯电动汽车热管理系统的优化设计

2018-11-29 10:54:31·  来源:旺材电动车  
 
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摘要:基于AMESim软件建立了完整的纯电动汽车的热管理系统模型,并通过整车实验验证了模型的正确性.在此模型的基础上,本文分别对水冷系统、高温环境下的热管理
摘要:
基于AMESim软件建立了完整的纯电动汽车的热管理系统模型,并通过整车实验验证了模型的正确性.在此模型的基础上,本文分别对水冷系统、高温环境下的热管理系统及爬坡工况下的热管理系统进行了优化设计,并对热管理系统的控制策略进行了优化,使热管理系统能适应不同工况和环境温度的整车热管理要求.本文基于AMESim软件对纯电动汽车的热管理系统进行优化设计的方法为研究和开发纯电动汽车的热管理系统提供了思路和参考。
 
0引言
纯电动汽车是未来汽车发展的重要方向,也是目前发展最快的新能源汽车之一.为了系统地研究纯电动汽车的能量流动,需要对它建立完整的热管理系统.这不仅是汽车零部件散热的需求,更是提高整车能源效率的重要手段.
 
本文利用AMESim软件搭建了一套比较完整的纯电动汽车热管理系统的仿真模型,并通过实验验证模型的正确性,并在此模型基础上对整车热管理系统进行优化设计.
 
1纯电动汽车热管理的要求
本文研究的纯电动汽车的参数如表1所示.
本文研究的整车热管理系统主要包括两部分:电动汽车前舱水冷系统和电池包风冷系统.其中水冷系统的结构如图1所示。
根据汽车的运行情况,水冷系统有两路循环.在汽车刚起动或者低速运行时,发热部件的散热量较小,这时冷却水使用小循环,即经过水泵后,冷却水依次流过电压转换器(DC/DC)、电机控制器(MC)、电机(Motor),然后由支路流入乘员舱的空调加热系统,使车厢内部温度迅速升高,提供乘员的舒适性.当汽车加速或爬坡时,发热部件的散热量较大,冷却水经过水泵后,依次流过发热部件,冷却水温升高,这时支路阀门关闭,使冷却水流过散热器散热,降低冷却水温度.如果车速较低或散热器散热能力不足时,打开散热器后的冷却风扇,加快空气流动,提高散热器的散热能力,并迅速降低水温,控制电机等发热部件的温度,使汽车正常行驶.本研究使用的电机可承受的最高温度是120℃,为了安全及高效地运行,需将电机出水口的冷却水温度控制在80℃以内,电机控制器出水口的冷却水温度控制在75℃以内,DC/DC转换器出水口的冷却液温度控制在72℃以内,而散热器出水口的温度要低于70℃.其中,电机的温度为我们控制的重点.
 
另一个为电池包风冷系统.电池包的散热方式为风冷散热.冷空气从后备箱左侧入口进入电池包内部,散热结束后从右侧出风口排出,风机放置在后备箱右侧,具体流向见图2.通过风冷的方式,控制电池包的进风量,使电池包的内部温度保持在20℃~50℃之间,并控制其内部温差在5℃以内,使电池的工作性能达到最佳状态。
2基于AMESim软件的整车热管理系统建模
 
本文首先利用AMESim仿真平台搭建了纯电动汽车的整车模型,然后分别搭建了包括水冷系统和电池包风冷系统在内的热管理系统模型,然后将已经搭建的水冷系统模型和电池包风冷系统模型与整车系统模型相结合,将整车仿真中电机、电机控制器、电压转换器的发热量作为输入值,输给水冷系统模型;将电池的散热量作为一个输入值,输给电池包风冷系统模型,然后制定相关的控制策略,对电机、电池进行温度控制.这样就形成了一个合理的、比较完整的整车热管理系统仿真模型,如图3所示.
在各部件按照设计选取的型号的参数设置完成后,采用FTP-72循环测试工况对模型进行仿真计算.与此同时,也对实车的热管理系统进行了实验,采集实验数据.测试和仿真的环境温度为25℃,标准大气压,时间为1370s.
 
3仿真与实验验证
3.1水冷系统的仿真与实验验证
在FTP-72工况下,电机控制器的散热量约为300W到1500W之间,电机的散热量约为500W到2000W之间,再加上电压转换器DC/DC和一些低压供电系统的散热量,约1000W左右,这些热量即为冷却水系统的热负荷,需要通过散热器和风扇将热量传递到环境中.
运行过程中,温度传感器采集电机出水口的冷却水温度,将冷却水温传递给中央控制器,控制水泵、风扇的转速和流量以及阀门的开度.水冷系统的控制策略如表2所示.
在此控制策略下,我们将仿真结果和实验测得的电机出水口的冷却水温度进行对比,如图4所示.
从图4可以看出,在FTP-72工况下,环境温度为25℃时,经过实验采集的电机出水口的冷却水温度与仿真计算的温度差值最大为5℃,误差百分比平均约为6%左右.此结果说明通过AMESim搭建的纯电动汽车热管理系统具有比较可靠的仿真结果,可以较准确地计算出冷却水的流动状态和最高温度.本研究选用的电机出水口的冷却水最高温度可达到80℃,在此控制策略下,电机出水口的冷却水温度(低于65℃)远远低于最高温度,而且整个循环工况,风扇一直未启动.这说明原来的系统设计采用的水泵,风扇等部件还有进一步选型优化的空间.
3.2电池包风冷系统的仿真与实验验证
 
电池包内有八个电池模块,分别用温度传感器采集每个模块的温度,对最高温度和最低温度进行监控,并选取这八个温度的平均值,用平均温度调节风机的转速和电池包进风口的风量.分别采集八个模块的温度,其仿真如图5所示.从上图可以看出,电池包内各模块的温度变化较均匀,温度差在1.5℃以内,且包内最高温度不超过32.5℃,可以保证电池在较高的性能下工作.一个循环工况中,仿真得到的电池包内部的平均温度与实验所采集到的平均温度数据相比较,如图6所示.
 
从图6可以看出,在实验过程中,电池包内的平均温度始终维持在31℃附近,并未出现大的温度波动.实验数据与仿真的结果有一定的出入,造成这种误差的原因是仿真中电池包内的温度初始值为27℃,并随着车辆的行驶,温度逐渐升高,而实验中,由于温度采集的滞后性,温度传感器并不是从汽车行驶的初始时刻开始工作的,而是达到一定稳定状态后,才开始记录温度数据.此外,对比分析可知,实验测试的电池包内部的平均温度结果与仿真计算结果的最大误差在前200s内,最高误差温度为4℃,200s后误差较小,低于1℃.从400s之后开始,当两组温度都达到30℃后,仿真数据与实验数据基本一致,误差不超过1℃.因而分析可知,仿真模型基本正确,能够比较准确地预测电池包内部的温度变化,同时本研究设计的风冷系统对稳定和控制电池包的工作温度范围具有良好的效果。
 
4基于AMESim的纯电动汽车热管理系统的优化设计
 
4.1水冷系统的优化
分析仿真和实验结果可以发现水冷系统的水泵、风扇的选型及系统的控制策略都有优化的空间.接下来,在仿真模型的参数设置中,减小散热器的长度和宽度,在保证散热能力的同时可以有效地节省空间.然后再根据冷却系统的流量,对水泵进行选型,将水泵的额定流量减少为原车试验型号的50%,在减少流量的同时水泵的功率也随之降低
 
由于原车的风扇根本没有进行工作,在正常情况下,热量全部都由散热器流向环境,因此在优化时,我们根据设计规范来选择风机的流量、风压、功率等,可以根据风机的类型和性能曲线选择风机,使所选风机在系统中处于最佳工况.
此外,水冷系统的控制策略也调整如表3所示.
在对参数进行重新设计匹配后,我们仍然采用FTP-72工况进行仿真计算.经过优化后的水冷系统仿真结果如图7和图8所示.
由上图可以看出,通过散热器的冷却水温度下降约11℃左右,完全可以满足整车的散热需求.冷却水经过电机后的温度仍然不太高,不到60℃,根据控制策略的要求,冷却风扇仍然没有工作.因此在接下来的优化中,我们可以采用更加恶劣的工况,考察车辆散热系统的能力.

4.2高温环境下热管理系统的优化
我们考察恶劣工况,设置环境温度为40℃.在高温环境下整车不需要再向乘员舱供暖,反而需要向乘员舱制冷,因此冷却系统的散热量更大.仍然采用FTP-72工况,当环境温度为40℃时,其他的参数和条件和上文的仿真不变.但是控制策略调整为:在环境温度为40℃时,完全关闭支路小循环,使所有的冷却水都通过散热器进行散热.经过一个循环工况后,电机出水口的冷却水温度如图9所示.由图9可以看出,虽然外界环境温度升高至40℃,但是在循环工况下,电机出水口的冷却水温度仍然不足60℃,说明整套冷却系统具有很好的散热性能,能够保证电机和其他发热部件的正常工作.散热器进出口的冷却水温度如图10所示.
由图10可以看出,根据高温环境所制定的控制策略,温控阀门始终全开,冷却水全部通过散热器进行冷却,散热器进出水口的冷却水温度差最大约为10℃.在此高温条件下,散热器进口的冷却水温仍然低于60℃,不需要打风扇就能够满足散热量.风扇可以作为备用条件,在高温且高速或者爬坡等工况下,可以打开风扇,加强散热器的散热.对电池包而言,外界环境温度40℃时,电池的工作性能将会受到一定的影响,必须使风机满负荷工作,将电池模块产生的热量尽快散到大气中,才能保持电池的性能.电池包内各模块的温度和平均温度如图11和图12所示.
从上图可以看出,在高温环境下,电池模块的平均温度不超过47℃,其中电池包出风口处模块的温度最高,进风口第2个模块的温度最低,但各个模块的温度差最高为1℃,温度一致性较好.
4.3爬坡工况下热管理系统的优化
在上文研究的基础上,选择具有一定坡度的路况进行仿真.在NEDC循环工况下,环境温度为40℃,道路坡度在3%~4%,部分路段达到5%左右,考察电动汽车的动力性能和冷却效果.在外界环境温度为40℃条件下,冷却水全部经过散热器散热.在此工况下,散热器进出口的冷却水温度如图13所示.
从上图可以看出,在高温环境下,车辆在爬坡道路时,散热器的最大温差约为5℃左右.散热器进口温度低于65℃,能满足热管理的要求.电池包内部的平均温度变化如图14所示.由图14可知,在外界环境为40℃时,车辆运行NEDC工况并有爬坡道路时,电池包内部的平均温度约升高10℃,最高温度接近50℃.此时对电池的性能有较大的影响,长时间运行在高温状态下,会对锂离子电池的寿命产生严重影响,并存在安全隐患.这说明高温爬坡工况下,风冷系统已不太适合电池包的热管理,不能很好地冷却电池包,应该采用水冷方式或者其他冷却方式来设计电池包的热管理系统.
5总结
本文基于AMESim软件,建立了完整的纯电动汽车的热管理系统模型,并通过整车实验采集温度数据对仿真结果进行验证,结果证实实验结果与仿真结果基本一致,表明该仿真模型对于整车的仿真和冷却系统的热量管理具有较高的精度.其次,在此模型的基础上,分别对水冷系统、高温环境下热管理系统及爬坡工况下热管理系统进行了优化设计.与此同时,本文对热管理系统的控制策略也进行了优化,使得热管理系统能适应不同的运行工况和环境温度.本文基于AMSim软件对纯电动汽车的热管理系统进行优化设计的方法为研究和开发纯电动汽车的热管理系统提供了思路和参考.