基于AMESim的某純電動車型熱管理系統(tǒng)的研究

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(1.中國一汽研發(fā)總院，吉林 長春 130011；2.廣汽研究院，廣東 廣州 511434)

0. 引 言

仲韻等人基于AMESim建立的模型對某轎車1.6L 4缸發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，評價了發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)的冷卻性能[1]。王健等人基于AMESim對純電動汽車整車熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了研究，為開發(fā)純電動汽車的熱管理系統(tǒng)提供了思路和參考[2][3]。

對于普通內(nèi)燃機(jī)汽車來說，其冷卻回路中的冷卻液溫度一般會比較高，通常高于80℃。而對電動車來說，為保證電機(jī)、逆變器及電池等關(guān)鍵零部件的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，其冷卻回路中的冷卻液需要保持較低溫度，以保護(hù)各電子零部件不會過熱損壞，并延長使用壽命?，F(xiàn)在的電動車設(shè)計(jì)上，一般將電機(jī)、逆變器等零部件組成電機(jī)系統(tǒng)冷卻循環(huán)，將電池部分單獨(dú)拿出來，采用風(fēng)冷。

隨著國家對電動汽車的推廣，電動車慢慢普及開來，有進(jìn)入普通百姓家的趨勢，各汽車企業(yè)開始重點(diǎn)關(guān)注電動汽車在極限工況(高溫、爬坡)下的熱管理問題。對于高溫、爬坡工況來說，電動汽車電池部分采用風(fēng)冷已然不能滿足要求。

以某純電動車型為研究對象，綜合考慮車輛的電機(jī)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)冷卻循環(huán)，在AMESim中建立了該車型的熱管理模型。試驗(yàn)測試了該車型的冷卻性能，并利用建立的熱管理模型計(jì)算分析了其冷卻性能，計(jì)算值和試驗(yàn)值基本一致，證明了模型的正確性。最后給出了基于AMESim的熱管理模型，計(jì)算得到的車輛在環(huán)境溫度25℃、高速爬坡條件下的冷卻結(jié)果，并和試驗(yàn)值進(jìn)行對比分析。

1 零部件建模原理

建模原理，包括熱傳遞原理、電機(jī)發(fā)熱散熱原理、熱膨脹閥原理3部分。

1.1 熱傳遞原理

零部件溫度的變化主要是靠物體間的傳熱實(shí)現(xiàn)的，基于熱量傳遞的機(jī)理，熱傳遞包含熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射三種基本形式[4][5]。

圖1是平壁導(dǎo)熱示意圖，熱量由平面1傳遞到平面2。

圖1 熱傳導(dǎo)示意圖

(1)

式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)(W/(m·K))；A1為導(dǎo)熱面積(m2)；δ為壁厚度(m)；tw1為平面1表面溫度(℃)；tw2為平面2表面溫度(℃)。

熱對流和熱輻射的公式如下：

Q2=hA2Δt

(2)

(3)

式中：h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)(W/(m2·K))；A2為熱對流面積(m2)；Δt為壁面與流體的溫度差(℃)；Cb為黑體輻射系數(shù)(W/(m2·K4))；A3為熱輻射面積(m2)。

1.2 電機(jī)發(fā)熱散熱原理

根據(jù)圖2中的park坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，有如下轉(zhuǎn)換公式：

圖2 Park坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

(4)

式中：θ為電角度。

同步電機(jī)原理如圖3所示，其中IsA、IsB、IsC分別是U、V、W三相電流。

圖3 星形連接同步電機(jī)原理圖

結(jié)合式4，可得：

(5)

電機(jī)的發(fā)熱為焦耳熱損失，通過下式計(jì)算：

(6)

Rs=Rs01+aT-T0

(7)

式中：Rs為繞組電阻；a為定子繞組電阻修正系數(shù)；T0為參考溫度；T為繞組溫度。

基于上述基本原理，并結(jié)合電機(jī)、逆變器的map圖，估算動力總成生熱的map圖。

1.封頭 2.氣箱蓋 3.膜片 4.傳動片 5.氣箱座 6.矩形圈 7.壓片 8.O形圈9.上傳動桿 10.下傳動 11.閥體 12.鋼球 13.閥芯架 14.防振彈簧 15.調(diào)節(jié)彈簧 16.O形圈 17.調(diào)節(jié)座

圖4 熱力膨脹閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 四象限圖

1.3 熱膨脹閥原理

熱力膨脹閥可以控制蒸發(fā)器的過熱，在汽車空調(diào)系統(tǒng)中起著重要作用，電池冷卻部分使用了帶截止功能的熱力膨脹閥。

熱力膨脹閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，其特性曲線一般通過四象限圖來表示，如圖5所示：

(1)制冷劑壓力-溫度曲線、感溫包充注特性曲線；

圖6 冷卻系統(tǒng)示意圖

圖7 空調(diào)系統(tǒng)示意圖

圖8 空調(diào)熱力膨脹閥四象限圖

(2)不同溫度值時，蒸發(fā)器出口壓力與閥門開度關(guān)系曲線；

(3)質(zhì)量流量與閥門開度的關(guān)系曲線；

(4)質(zhì)量流量與蒸發(fā)器出口溫度的關(guān)系曲線。

其中感溫包壓力PB有如下公式：

(8)

式中：P0為0℃時感溫包的壓力；P10為10℃時感溫包的壓力；te為蒸發(fā)器出口溫度。

圖9 電池?zé)崃ε蛎涢y四象限圖

圖10 中間換熱器制冷劑、冷卻液流向示意圖

圖11 中間換熱器內(nèi)部制冷劑、冷卻液流向示意圖

閥門開度x(0≤x≤1)滿足如下公式：

(9)

式中：Pe為蒸發(fā)器出口壓力；tso為蒸發(fā)器出口壓力,當(dāng)Pe=P0時，閥門開啟溫度；tfo為蒸發(fā)器出口壓力，當(dāng)Pe=P0時，閥門全開溫度。

(10)

另外，熱力膨脹閥零點(diǎn)可通過調(diào)節(jié)座在小范圍內(nèi)微調(diào)。

2 基于AMESim的模型的建立與標(biāo)定

該純電動車主要參數(shù)如表1所示：

表1 車輛主要參數(shù)

因?yàn)檎麄€系統(tǒng)建模比較復(fù)雜，首先介紹該純電動車熱管理系統(tǒng)原理，然后給出供應(yīng)商提供的(電磁)熱力膨脹閥的四象限圖，最后分別就零部件中冷凝器的建模標(biāo)定、中間換熱器的建模與標(biāo)定進(jìn)行簡要說明。

整個空調(diào)系統(tǒng)部分的建模與標(biāo)定，參考了王坤的文章[6]。

2.1 熱管理系統(tǒng)原理

電動車的冷卻系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)如圖6,7所示。

其中冷卻系統(tǒng)包含電機(jī)冷卻循環(huán)、電池冷卻循環(huán)，空調(diào)通過中間換熱器參與電池冷卻。

空調(diào)系統(tǒng)中包含兩個(電磁)熱力膨脹閥，空調(diào)兼顧電池冷卻，作用很關(guān)鍵。

2.2 (電磁)熱力膨脹閥的四象限圖

供應(yīng)商提供的(電磁)熱力膨脹閥的四象限圖如圖8，9所示。

2.3 部分子系統(tǒng)的建立與標(biāo)定

因?yàn)檎麄€系統(tǒng)建模比較復(fù)雜，此部分僅就冷凝器的建模標(biāo)定、中間換熱器的建模標(biāo)定進(jìn)行簡要說明，另外附帶介紹散熱器、壓縮機(jī)相關(guān)的map圖。

2.3.1 冷凝器建模與標(biāo)定

文中未對冷凝器中制冷劑的流動和換熱過程進(jìn)行機(jī)理性的研究，涉及到的制冷劑側(cè)和空氣側(cè)的換熱系數(shù)均采用AMESim自帶的關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對冷凝器進(jìn)行了標(biāo)定。

冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2：

表2 冷凝器結(jié)構(gòu)參數(shù)

試驗(yàn)條件：冷凝器室干球溫度35℃，相對濕度30%，冷凝壓力17.4barA，入口過熱度20℃，出口過冷度10℃。

冷凝器標(biāo)定后的換熱計(jì)算值與試驗(yàn)值對比見表3：

表3 冷凝器標(biāo)定

冷凝器的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差值在5%以內(nèi)，滿足工程需要，可以應(yīng)用于后續(xù)的整車熱管理系統(tǒng)仿真。

2.3.2 中間換熱器的建模與標(biāo)定

中間換熱器制冷劑、冷卻液流向如圖10，11所示，制冷劑入口和冷卻液入口在異側(cè)，逆流換熱。

試驗(yàn)條件：冷卻液流量12 L/min，進(jìn)口溫度30℃。

中間換熱器換熱計(jì)算值與試驗(yàn)值對比見表4：

表4 中間換熱器標(biāo)定

2.3.3 其 它

散熱器換熱map圖如圖12所示：

圖12 散熱器換熱map圖

AMEsim中，決定壓縮機(jī)性能參數(shù)的等熵、等容、機(jī)械效率map圖如圖13-15所示。

圖13 壓縮機(jī)等熵效率map圖

圖14 壓縮機(jī)等容效率map圖

圖15 壓縮機(jī)機(jī)械效率map圖

基于AMESim的整車模型見圖16。

圖16 基于AMESim的修正

圖17 動力電池溫度

圖18 動力電池SOC

整車模型主要通過調(diào)整相關(guān)零部件的換熱系數(shù)來修正；陽光模擬修正主要參考相關(guān)設(shè)計(jì)文件。

3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

進(jìn)行整車仿真計(jì)算與試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 實(shí)測與計(jì)算結(jié)果

基于AMESim的熱管理模型，計(jì)算得到的車輛在環(huán)境溫度25℃、高速爬坡條件下的冷卻結(jié)果，并和試驗(yàn)值進(jìn)行對比分析，見表6，部分結(jié)果曲線對比見圖17和圖18。為方便計(jì)算，AMESim仿真中，空調(diào)開，實(shí)際試驗(yàn)中，空調(diào)與電池制冷均關(guān)閉。

表6 實(shí)測與計(jì)算結(jié)果

動力電池溫度、動力電池SOC的計(jì)算值與實(shí)測值有較好的一致性。

4 結(jié) 語

以某純電動車型為研究對象，綜合考慮車輛的電機(jī)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)冷卻循環(huán)，在AMESim中建立了該車型的熱管理模型。試驗(yàn)測試了該車型的冷卻性能，并利用建立的熱管理模型計(jì)算分析了其冷卻性能，計(jì)算值和試驗(yàn)值基本一致，證明了模型的正確性。

給出了基于AMESim的熱管理模型，計(jì)算得到的車輛在環(huán)境溫度25℃、高速爬坡條件下的冷卻結(jié)果，并和試驗(yàn)值進(jìn)行對比分析。

文中基于AMESim中建立的純電動車整車熱管理模型，可以加深對純電動車整車熱管理的認(rèn)識，另外也可用于該類型純電動車熱管理系統(tǒng)的前期設(shè)計(jì)開發(fā)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn):

[1] 仲韻，顧寧，梁樂華，等. 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.

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[3] 林春景，許思傳，王健. 基于AMESim的純電動汽車動力系統(tǒng)熱管理仿真研究[J]. LMS中國用戶大會,2013.

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[5] 王慶年，韓彪，王鵬宇，等. 電動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)及電機(jī)最優(yōu)冷卻溫度控制[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2015,45(1):1-6.

[6] 王坤，張余民，付眾，等. 基于AMESim汽車空調(diào)制冷系統(tǒng)仿真研究[J]. Lms中國用戶大會,2013.

[7] 付永領(lǐng)，齊海濤. LMS Imagine Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真實(shí)例教程[M]. 北京航空航天大學(xué)出版社,2011,07.

[8] LMS Amesim幫助文件.