基于AMEsim的電動汽車單水泵冷卻回路仿真

楊瑞東 徐啟良 楊國藝

摘 要：電動汽車熱管理中需要散熱的關鍵部件主要有電池包和電機電控，通過分析以上關鍵部件的生熱模型，設計單水泵供給電池、電機電控冷卻液的冷卻回路，通過AMEsim進行建模仿真，以耗電量最低為指標得到在某一環境溫度下流經電機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下進行水泵的PID控制與開關控制的對比，在PID控制下的水泵相對開關控制提高16.3%的效率。

關鍵詞：電動汽車;冷卻回路;控制策略;AMEsim

中圖分類號：U463.23+4.93 ?文獻標志碼：A ?文章編號：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

傳統燃油汽車的熱管理主要針對發動機的溫度管理，包括發動機冷卻系統和空調冷卻系統等[1-2]。在電動汽車中，電池和電機電控的生熱和傳熱與運行工況和冷卻回路的主動散熱息息相關[3]。電機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得到電機電控冷卻回路最佳冷卻水溫度，設計水泵最佳工作策略[4];得到最佳冷卻水溫度后，設計散熱風扇的控制策略來對冷卻水溫度進行控制[5]。當同時考慮電池，電機和電控時，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電控冷卻回路，并開發出適應不同冷卻回路要求的控制策略[6]。

本文通過AMEsim搭建電池電機電控的熱管理模型，以電池、電機及電控的溫度為管理目標，設計了單水泵供給冷卻液流經電池、電機及電控的冷卻回路，在NEDC工況下，以耗電量最低為評價指標得到流經電機電控表面的最佳冷卻液溫度，在最佳冷卻溫度下，對水泵進行PID控制與開關控制的效率對比。

1 電動汽車整車冷卻回路設計

1.1 冷卻回路連接方式

電動汽車整車冷卻的關鍵部件有電池、電機及電機控制器、其中電池最佳溫度范圍為25-35℃，電機及電機控制器最佳溫度范圍為40-60℃。

空調冷卻回路在本文中用于控制電池溫度。空調壓縮機功率由電池當前溫度與目標溫度的差值進行控制。

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

1.2 冷卻回路工作策略

為實現對整車關鍵部件溫度控制，需要制定各冷卻回路的工作策略如表1。

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

2 電動汽車整車冷卻模型搭建

模型搭建中主要使用了AMEsim中的IPF-drive庫和Electric Motors and Drives庫搭建驅動系統，Two-Phase Flow庫和Air- Condition庫搭建空調模型，Thermal Hydraulic庫用于搭建冷卻回路，電路由Electrical Basics庫搭建，使用Signal和Control庫對各部件進行控制，Thermal庫則用于體現部件之間的熱量傳遞。

3 最佳溫度仿真

在環境溫度為35℃時，電池目標溫度為30℃，電池溫度在工況內可以穩定在30℃附近。

電機電控冷卻支路的冷卻水溫度從25℃起每隔5℃作為一個冷卻水溫度區間，不同冷卻液溫度區間對應耗電量如圖1所示，同一工況下，當冷卻水溫度在40℃以下時，電機電控支路閥門開啟早，使空調大功率工作時間增長，耗電量較高;當冷卻水溫度在45℃以上時，風扇長期處于開啟狀態，風扇消耗電量增加;在NEDC工況中，電機電控冷卻液最高溫度接近56℃，因此在冷卻液55℃-60℃范圍內時因電機電控冷卻支路管道閥門開啟晚，因此耗電量會有所下降。因此環境溫度為35℃時的冷卻水最佳溫度范圍為40℃-45℃，同理，在不同環境溫度下會對應不同的最佳的冷卻水溫度。

水泵的控制策略主要分為開關控制和PI控制。在開關控制中，通過溫度閾值觸發水泵開關，水泵只有全開和全關兩種狀態;PI控制中，設定目標溫度，水泵功率由當前冷卻水溫度與目標溫度之間的差值來控制。在同一工況下，同一目標冷卻水溫度范圍內，水泵兩種控制方法的功率對比如圖2所示。

在PI控制下水泵消耗能量為0.135kW·h，開關控制下水泵消耗能量為0.157kW·h，說明在同一環境溫度和目標冷卻水溫度條件下，PI控制下水泵效率可以提高16.3%。

4 總結

本文采用電機電控冷卻支路與電池冷卻支路并聯的冷卻回路，由單個水泵進行冷卻水供給，基于AMEsim搭建整車冷卻回路，以電池、電機及電控的溫度為管理目標，在NEDC工況下，以耗電量最低為評價指標得到流經電機電控表面的最佳冷卻液溫度，在最佳冷卻溫度下，對水泵進行PI控制與開關控制的對比，仿真證明水泵在PI控制下效率提高16.3%。

參考文獻

[1] 梁小波，袁俠義，谷正氣，等. 運用一維/三維聯合仿真的汽車熱管理分析[J].汽車工程，2010，32 （9）：793-799.

[2] Eichlseder W， Raab G， Hager J M.Haidinger：optimization of heat management of vehicles using simulation tools [C]//VTMS4 Confe -rence， London，1999.

[3] Antti Lajunen， Antti Kalttonen.Investigation of Thermal Energr Los-ses in the Powertrain of an Electric City Bus[J]. IEEE，2015.

[4] 王慶年，韓彪，王鵬宇，等.電動汽車冷卻系統設計及電機最優冷卻溫度控制[J].吉林大學學報，2015，45（1）：1-6.

[5] 馮權.純電動汽車動力總成熱管理策略研究[D].杭州：浙江大學， 2019.

[6] 胥軍，孫裕民，李剛炎，等.電動物流車驅動電機冷卻系統最優溫度控制[J].華東理工大學學報，2018，46（12）：51-57.