基于AMEsim純電動汽車高溫適應性分析研究

陸訓，汪躍中，張朝聞

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基于AMEsim純電動汽車高溫適應性分析研究

陸訓，汪躍中，張朝聞

（奇瑞新能源汽車技術有限公司，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模型，在此模型的基礎上，文章主要針對在不同環境溫度下，研究空調風冷電池包系統，對電動汽車整車熱管理系統及電池熱管理系統優化控制，使整車熱管理系統能適應不同工況和環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溫度適應性研究及設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”的汽車行業四化轉型目標，逐漸推動汽車行業的快速轉型和汽車技術的融合發展，其中新能源汽車已經成為未來汽車發展的重要方向，新能源汽車的廣泛使用及人們的日常活動半徑的增加，對新能源汽車續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，于是增大動力電池的能量密度成為業內提高新能源汽車續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，伴隨產生的問題是電池發熱量大、溫度高，這對電池的電量及壽命等方面都有不利的影響[1]。

如何更好的從系統以及整體角度，統籌管理整車熱管理系統，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系統的電池液冷系統，在全球屬于行業前沿技術。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的仿真模型，研究在不同環境溫度下，空調風冷電池包系統，對電動汽車整車熱管理系統整體集成優化控制策略的實現[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如表1 所示：

表1 某純電動汽車的主要參數

電動汽車熱管理系統主要包括三個部分：電驅動系統熱管理，空調系統熱管理、電池系統熱管理。

本文主要研究其中的電驅動系統熱管理及電池系統熱管理兩個部分。其中電驅動系統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結構圖

某純電動汽車電驅動系統熱管理要求，其驅動電機設計溫度限值≤170℃。為了系統能夠安全高效地運行，驅動電機出水口的冷卻水溫度控制≤65℃，電機控制器出水口的冷卻水溫度控制在≤63℃，DC /DC 轉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，驅動電機作為主要發熱部件是該套熱管理系統重點關注的對象。

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。本文研究的電池包冷卻系統，其散熱方式為利用空調的部分風量的風冷散熱方式。空調吹出的冷空氣從電池風道入口進入電池包內部，通過對流換熱將電池包產生的熱量帶走并從出風口排出，風向流動示意如圖2所示。通過風冷的方式，優化控制進入電池包的風量水平，使電池包的內部溫度保持在最佳工作溫度20℃～40℃之間，且內部溫差≤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確性，本文利用AMESim仿真分析軟件首先搭建電驅動系統的水冷散熱系統以及電池包風冷系統在內的子系統模型。在保證兩個子系統冷卻系統模型準確無誤的基礎上，然后再將已經搭建的電驅動熱管理模型和電池包風冷系統模型，與整車系統一級模型相結合，共同構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的仿真模型

設置相關子模型的結構系統參數，確保無誤后進行仿真分析調試計算。設定需求的測試工況對模型進行仿真計算。

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性研究，通過AMEsim仿真來模擬不同環境溫度下的乘員艙舒適性改變情況、電池溫升變化及電驅動系統散熱情況分析。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冷的方式優化控制電池包的進風量，使電池包的內部溫度保持在25℃～40℃之間的主要原則。在運行過程中，水冷系統的主要控制策略主要依據溫度傳感器采集電機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、風扇的轉速等。水冷系統的控制策略如表2 所示。

表2 水冷系統控制策略

3.1 電驅動散熱系統

為了更好的模擬出相對極端條件下的電驅動系統散熱能力，仿真模型環境溫度設置為40℃，車速60km/h，9%坡度的山路爬坡工況。

圖4 仿真設定車速

圖5 電機本體及進出水溫度

圖6 MCU本體及進出水溫度

圖7 風扇工作狀態（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動熱管理模型及控制策略下，電機、MCU的出水溫度分別在55℃和53℃左右（圖4、5、6），且風扇能夠很好的根據冷卻液溫度啟動和關閉（圖7），保證電驅動系統散熱能力，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 空壓機轉速

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到最優狀態，通過圖8、9可以發現，當環境溫度發生變化時，為了更好的保證乘員艙舒適性水平要求，空壓機的轉速會產生變化，同時由于環境溫度的升高，乘員艙達到目標溫度時間會發生細微變化，但是由于空壓機轉速及時調整，能夠在規定時間（約10min）內達到需求溫度。

圖10 電池不同Cell溫度值

4 高溫環境下的散熱試驗研究

本試驗目的為了驗證該套整車熱管理系統在高溫環境下適應性能力。研究考察的惡劣工況為所需冷卻系統的散熱量更大的長距離山路爬坡工況。試驗在整車環境艙中進行（圖11），設置環境溫度為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。試驗測試在環境艙中進行，試驗測試設備及環境條件見表3。

表3 試驗設備

試驗目的為考察這一過程中，電動汽車冷卻系統散熱能力是否能夠達到一個熱平衡水平，并保證在一個有效的工作溫度范圍內，保證各驅動系統部件正常工作。經過環境艙模擬山路爬坡工況運行結束后，電機進出水溫度如圖12所示，可以看出，雖然外界環境溫度升高至40℃，但是運行工況測試結束后，電機出水口的冷卻水溫度仍然不足60℃，說明整套冷卻系統具有很好的散熱性能，能夠保證電機和其他發熱部件的正常工作。

圖12 電機進出水溫度

圖13 電池不同模組溫度

對電池包而言，外界環境溫度40℃時，電池的工作性能將會受到一定的影響，必須使空壓機滿負荷工作，將電池模塊產生的熱量盡快散到大氣中，才能保持電池的性能。電池包內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，該套空調風冷系統電池包的熱管理，能夠很好的利用空調冷風達到冷卻電池包的目的，整套電動汽車熱管理系統有效可靠。

5 總結

本文基于AMESim 軟件，建立了完整的純電動汽車的熱管理系統模型，并通過整車試驗采集溫度數據對仿真結果進行驗證，結果證實試驗結果能夠很好的匹配仿真分析結果。同時也論證了該套熱管理系統在高溫環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進行分析設計及試驗驗證的方法為研究和開發純電動汽車的熱管理系統提供了思路和參考。

[1] 陳雪峰,葉梅嬌,汪孟瑛.汽車空調系統回熱器的應用與研究.北京理工大學出版社,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的優化設計.佳木斯大學學報( 自然科學版),2011,09.

[3] 鐘韻.基于AMESim 的發動機冷卻系統的仿真分析[J].汽車節能, 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

A

1671-7988(2019)05-29-04

U469.7

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1671-7988(2019)05-29-04

U469.7

陸訓，就職于奇瑞新能源汽車技術有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.05.008