陸訓(xùn)，汪躍中，張朝聞

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基于AMEsim純電動汽車高溫適應(yīng)性分析研究

陸訓(xùn)，汪躍中，張朝聞

（奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司，安徽 蕪湖 241000）

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，在此模型的基礎(chǔ)上，文章主要針對在不同環(huán)境溫度下，研究空調(diào)風(fēng)冷電池包系統(tǒng)，對電動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 軟件對純電動汽車熱管理系統(tǒng)溫度適應(yīng)性研究及設(shè)計的方法為提供了思路和參考。

電動汽車；熱管理；電池包；AMEsim仿真

引言

中國《中國汽車藍(lán)皮書》在2016年提出了“智能化、電動化、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?；顒影霃降脑黾?，對新能源汽車?yán)m(xù)航里程的要求也越來越高。但因為受到整車空間的限制，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。動力電池能量密度提高，伴隨產(chǎn)生的問題是電池發(fā)熱量大、溫度高，這對電池的電量及壽命等方面都有不利的影響[1]。

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)，對電動汽車整車熱管理系統(tǒng)整體集成優(yōu)化控制策略的實現(xiàn)[2]。

1 純電動汽車散熱部件散熱需求

本文研究對象，某款純電動汽車的主要參數(shù)如表1 所示：

表1 某純電動汽車的主要參數(shù)

電動汽車熱管理系統(tǒng)主要包括三個部分：電驅(qū)動系統(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)動系統(tǒng)熱管理及電池系統(tǒng)熱管理兩個部分。其中電驅(qū)動系統(tǒng)熱管理主要原理如圖1 所示。

圖1 純電動汽車前艙水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

某純電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)熱管理要求，其驅(qū)動電機(jī)設(shè)計溫度限值≤170℃。為了系統(tǒng)能夠安全高效地運行，驅(qū)動電機(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)動電機(jī)作為主要發(fā)熱部件是該套熱管理系統(tǒng)重點關(guān)注的對象。

圖2 電池包的空氣流向示意圖

動力電池作為電動汽車的核心部件，其熱管理水平的好壞直接影響電動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?？照{(diào)吹出的冷空氣從電池風(fēng)道入口進(jìn)入電池包內(nèi)部，通過對流換熱將電池包產(chǎn)生的熱量帶走并從出風(fēng)口排出，風(fēng)向流動示意如圖2所示。通過風(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。在保證兩個子系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)模型準(zhǔn)確無誤的基礎(chǔ)上，然后再將已經(jīng)搭建的電驅(qū)動熱管理模型和電池包風(fēng)冷系統(tǒng)模型，與整車系統(tǒng)一級模型相結(jié)合，共同構(gòu)成一個純電動汽車的整車熱管理模型。

圖3 純電動汽車熱管理系統(tǒng)的仿真模型

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

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AMEsim仿真來模擬不同環(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)動系統(tǒng)散熱情況分析。其中電池模型被分解成3個電池，每個單元都有一個熱質(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乘客乘員艙熱舒適性分析以及通過風(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。在運行過程中，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。

表2 水冷系統(tǒng)控制策略

3.1 電驅(qū)動散熱系統(tǒng)

為了更好的模擬出相對極端條件下的電驅(qū)動系統(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。

圖4 仿真設(shè)定車速

圖5 電機(jī)本體及進(jìn)出水溫度

圖6 MCU本體及進(jìn)出水溫度

圖7 風(fēng)扇工作狀態(tài)（0停止1工作）

通過仿真模擬分析看出，本研究所選用的電驅(qū)動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)冷卻液溫度啟動和關(guān)閉（圖7），保證電驅(qū)動系統(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

圖8 乘員艙溫度變化

圖9 空壓機(jī)轉(zhuǎn)速

通過仿真模擬分析看出，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，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)，通過圖8、9可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，為了更好的保證乘員艙舒適性水平要求，空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速會產(chǎn)生變化，同時由于環(huán)境溫度的升高，乘員艙達(dá)到目標(biāo)溫度時間會發(fā)生細(xì)微變化，但是由于空壓機(jī)轉(zhuǎn)速及時調(diào)整，能夠在規(guī)定時間（約10min）內(nèi)達(dá)到需求溫度。

圖10 電池不同Cell溫度值

4 高溫環(huán)境下的散熱試驗研究

本試驗?zāi)康臑榱蓑炞C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)的散熱量更大的長距離山路爬坡工況。試驗在整車環(huán)境艙中進(jìn)行（圖11），設(shè)置環(huán)境溫度為40℃。運行工況為60km/h等速9%坡度，運行時間為電池SOC從80%一直運行，直至30%SOC為止。試驗測試在環(huán)境艙中進(jìn)行，試驗測試設(shè)備及環(huán)境條件見表3。

表3 試驗設(shè)備

試驗?zāi)康臑榭疾爝@一過程中，電動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)散熱能力是否能夠達(dá)到一個熱平衡水平，并保證在一個有效的工作溫度范圍內(nèi)，保證各驅(qū)動系統(tǒng)部件正常工作。經(jīng)過環(huán)境艙模擬山路爬坡工況運行結(jié)束后，電機(jī)進(jìn)出水溫度如圖12所示，可以看出，雖然外界環(huán)境溫度升高至40℃，但是運行工況測試結(jié)束后，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。

圖12 電機(jī)進(jìn)出水溫度

圖13 電池不同模組溫度

對電池包而言，外界環(huán)境溫度40℃時，電池的工作性能將會受到一定的影響，必須使空壓機(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13所示。從圖中可以看出，在高溫環(huán)境下，電池各模塊的平均溫度不超過40℃，各個模塊的溫度差最高為3℃，溫度一致性較好。這說明高溫爬坡工況下，該套空調(diào)風(fēng)冷系統(tǒng)電池包的熱管理，能夠很好的利用空調(diào)冷風(fēng)達(dá)到冷卻電池包的目的，整套電動汽車熱管理系統(tǒng)有效可靠。

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，并通過整車試驗采集溫度數(shù)據(jù)對仿真結(jié)果進(jìn)行驗證，結(jié)果證實試驗結(jié)果能夠很好的匹配仿真分析結(jié)果。同時也論證了該套熱管理系統(tǒng)在高溫環(huán)境及較為惡劣的山路爬坡工況下，能夠很好的保證各散熱部件的有效工作。本文基于AMSim 軟件對純電動汽車的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行分析設(shè)計及試驗驗證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。

[1] 陳雪峰,葉梅嬌,汪孟瑛.汽車空調(diào)系統(tǒng)回?zé)崞鞯膽?yīng)用與研究.北京理工大學(xué)出版社,2018,1:60-62.

[2] 王健,許思傳,陳黎.基于AMESim 的純電動汽車熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計.佳木斯大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版),2011,09.

[3] 鐘韻.基于AMESim 的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)的仿真分析[J].汽車節(jié)能, 2008.1.

Study on High temperature adaptability of Electric vehicle based on Amesim software

Lu Xun, Wang Yuezhong, Zhang Chaowen

( Chery New Energy Automobile Technology Co., Ltd, Anhui Wuhu 241000 )

based on AMEsim software, a complete thermal management system model of pure electric vehicle is establi -shed. On the basis of this model, this paper mainly studies the air-cooled battery pack system under different ambient tem -perature. The thermal management system of electric vehicle and the battery heat management system are optimized to meet the requirements of vehicle thermal management under different working conditions and ambient temperatures. The research and design method of temperature adaptability of pure electric vehicle thermal management system based on AMEsim software is provided in this paper.

electric vehicle; heat management; battery pack; AMEsim simulation

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1671-7988(2019)05-29-04

U469.7

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1671-7988(2019)05-29-04

U469.7

陸訓(xùn)，就職于奇瑞新能源汽車技術(shù)有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.008