基于AMEsim的電動(dòng)汽車單水泵冷卻回路仿真

楊瑞東 徐啟良 楊國(guó)藝

摘 要：電動(dòng)汽車熱管理中需要散熱的關(guān)鍵部件主要有電池包和電機(jī)電控，通過(guò)分析以上關(guān)鍵部件的生熱模型，設(shè)計(jì)單水泵供給電池、電機(jī)電控冷卻液的冷卻回路，通過(guò)AMEsim進(jìn)行建模仿真，以耗電量最低為指標(biāo)得到在某一環(huán)境溫度下流經(jīng)電機(jī)電控冷卻水套的最佳冷卻液溫度，在最佳冷卻水溫度的目標(biāo)下進(jìn)行水泵的PID控制與開(kāi)關(guān)控制的對(duì)比，在PID控制下的水泵相對(duì)開(kāi)關(guān)控制提高16.3%的效率。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;冷卻回路;控制策略;AMEsim

中圖分類號(hào)：U463.23+4.93 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）16-16-03

Abstract： In the thermal management of electric vehicle， the key components that need heat dissipation mainly include battery pack and electric motor control. By analyzing the heat generation model of the above key components， the cooling circuit of single water pump supplying battery and electric motor control coolant is designed. Through AMESim modeling and simulation， the optimal coolant temperature flowing through the electric motor control cooling water jacket under a certain environmental temperature is obtained with the lowest power consumption as the index Compared with the on-off control， the efficiency of the pump under the PID control is 16.3% higher than that under the on-off control.

Keywords： Electric vehicle; Cooling circuit; Control strategy; AMEsim

CLC NO.： U463.23+4.93 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-16-03

引言

傳統(tǒng)燃油汽車的熱管理主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度管理，包括發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和空調(diào)冷卻系統(tǒng)等[1-2]。在電動(dòng)汽車中，電池和電機(jī)電控的生熱和傳熱與運(yùn)行工況和冷卻回路的主動(dòng)散熱息息相關(guān)[3]。電機(jī)水套和電控水套通常連接到同一冷卻回路，以最低耗電量為指標(biāo)得到電機(jī)電控冷卻回路最佳冷卻水溫度，設(shè)計(jì)水泵最佳工作策略[4];得到最佳冷卻水溫度后，設(shè)計(jì)散熱風(fēng)扇的控制策略來(lái)對(duì)冷卻水溫度進(jìn)行控制[5]。當(dāng)同時(shí)考慮電池，電機(jī)和電控時(shí)，若采用分體式液冷模式，則需分別搭建電池冷卻回路和電機(jī)電控冷卻回路，并開(kāi)發(fā)出適應(yīng)不同冷卻回路要求的控制策略[6]。

本文通過(guò)AMEsim搭建電池電機(jī)電控的熱管理模型，以電池、電機(jī)及電控的溫度為管理目標(biāo)，設(shè)計(jì)了單水泵供給冷卻液流經(jīng)電池、電機(jī)及電控的冷卻回路，在NEDC工況下，以耗電量最低為評(píng)價(jià)指標(biāo)得到流經(jīng)電機(jī)電控表面的最佳冷卻液溫度，在最佳冷卻溫度下，對(duì)水泵進(jìn)行PID控制與開(kāi)關(guān)控制的效率對(duì)比。

1 電動(dòng)汽車整車?yán)鋮s回路設(shè)計(jì)

1.1 冷卻回路連接方式

電動(dòng)汽車整車?yán)鋮s的關(guān)鍵部件有電池、電機(jī)及電機(jī)控制器、其中電池最佳溫度范圍為25-35℃，電機(jī)及電機(jī)控制器最佳溫度范圍為40-60℃。

空調(diào)冷卻回路在本文中用于控制電池溫度。空調(diào)壓縮機(jī)功率由電池當(dāng)前溫度與目標(biāo)溫度的差值進(jìn)行控制。

電機(jī)及電機(jī)控制器冷卻支路中主要包括水泵、電機(jī)控制器水套、電機(jī)水套、散熱器和散熱風(fēng)扇等部件，電池冷卻支路中主要包括電池包、冷卻板、換熱器等部件。整個(gè)冷卻回路在水泵與電機(jī)控制器水套之間有三通閥，由此通過(guò)單水泵供給冷卻液。

1.2 冷卻回路工作策略

為實(shí)現(xiàn)對(duì)整車關(guān)鍵部件溫度控制，需要制定各冷卻回路的工作策略如表1。

表1中空調(diào)壓縮機(jī)功率由PID控制，電池冷卻支路中冷卻液流經(jīng)換熱器后溫度降低。水泵功率為電池冷卻支路冷卻液所需功率和電機(jī)電控支路冷卻液所需功率之和。

2 電動(dòng)汽車整車?yán)鋮s模型搭建

模型搭建中主要使用了AMEsim中的IPF-drive庫(kù)和Electric Motors and Drives庫(kù)搭建驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，Two-Phase Flow庫(kù)和Air- Condition庫(kù)搭建空調(diào)模型，Thermal Hydraulic庫(kù)用于搭建冷卻回路，電路由Electrical Basics庫(kù)搭建，使用Signal和Control庫(kù)對(duì)各部件進(jìn)行控制，Thermal庫(kù)則用于體現(xiàn)部件之間的熱量傳遞。

3 最佳溫度仿真

在環(huán)境溫度為35℃時(shí)，電池目標(biāo)溫度為30℃，電池溫度在工況內(nèi)可以穩(wěn)定在30℃附近。

電機(jī)電控冷卻支路的冷卻水溫度從25℃起每隔5℃作為一個(gè)冷卻水溫度區(qū)間，不同冷卻液溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)耗電量如圖1所示，同一工況下，當(dāng)冷卻水溫度在40℃以下時(shí)，電機(jī)電控支路閥門開(kāi)啟早，使空調(diào)大功率工作時(shí)間增長(zhǎng)，耗電量較高;當(dāng)冷卻水溫度在45℃以上時(shí)，風(fēng)扇長(zhǎng)期處于開(kāi)啟狀態(tài)，風(fēng)扇消耗電量增加;在NEDC工況中，電機(jī)電控冷卻液最高溫度接近56℃，因此在冷卻液55℃-60℃范圍內(nèi)時(shí)因電機(jī)電控冷卻支路管道閥門開(kāi)啟晚，因此耗電量會(huì)有所下降。因此環(huán)境溫度為35℃時(shí)的冷卻水最佳溫度范圍為40℃-45℃，同理，在不同環(huán)境溫度下會(huì)對(duì)應(yīng)不同的最佳的冷卻水溫度。

水泵的控制策略主要分為開(kāi)關(guān)控制和PI控制。在開(kāi)關(guān)控制中，通過(guò)溫度閾值觸發(fā)水泵開(kāi)關(guān)，水泵只有全開(kāi)和全關(guān)兩種狀態(tài);PI控制中，設(shè)定目標(biāo)溫度，水泵功率由當(dāng)前冷卻水溫度與目標(biāo)溫度之間的差值來(lái)控制。在同一工況下，同一目標(biāo)冷卻水溫度范圍內(nèi)，水泵兩種控制方法的功率對(duì)比如圖2所示。

在PI控制下水泵消耗能量為0.135kW·h，開(kāi)關(guān)控制下水泵消耗能量為0.157kW·h，說(shuō)明在同一環(huán)境溫度和目標(biāo)冷卻水溫度條件下，PI控制下水泵效率可以提高16.3%。

4 總結(jié)

本文采用電機(jī)電控冷卻支路與電池冷卻支路并聯(lián)的冷卻回路，由單個(gè)水泵進(jìn)行冷卻水供給，基于AMEsim搭建整車?yán)鋮s回路，以電池、電機(jī)及電控的溫度為管理目標(biāo)，在NEDC工況下，以耗電量最低為評(píng)價(jià)指標(biāo)得到流經(jīng)電機(jī)電控表面的最佳冷卻液溫度，在最佳冷卻溫度下，對(duì)水泵進(jìn)行PI控制與開(kāi)關(guān)控制的對(duì)比，仿真證明水泵在PI控制下效率提高16.3%。

參考文獻(xiàn)

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