陆训,汪跃中,张朝闻.基于AMEsim纯电动汽车高温适应性分析研究[J].汽车实用技术,2019(05):29-31
摘 要：
基于AMESim 软件建立了完整的纯电动汽车的热管理系统模型，在此模型的基础上，文章主要针对在不同环境温度下，研究空调风冷电池包系统，对电动汽车整车热管理系统及电池热管理系统优化控制，使整车热管理系统能适应不同工况和环境温度的整车热管理要求。文章基于AMESim 软件对纯电动汽车热管理系统温度适应性研究及设计的方法为提供了思路和参考。
引言
中国《中国汽车蓝皮书》在2016 年提出了“智能化、电动化、电商化、共享化”的汽车行业四化转型目标，逐渐推动汽车行业的快速转型和汽车技术的融合发展，其中新能源汽车已经成为未来汽车发展的重要方向，新能源汽车的广泛使用及人们的日常活动半径的增加，对新能源汽车续航里程的要求也越来越高。但因为受到整车空间的限制，增大电池的体积的方案可操作性不强，于是增大动力电池的能量密度成为业内提高新能源汽车续航里程一直在使用并且有效的解决方案。动力电池能量密度提高，伴随产生的问题是电池发热量大、温度高，这对电池的电量及寿命等方面都有不利的影响。
如何更好的从系统以及整体角度，统筹管理整车热管理系统，这不仅是汽车零部件对散热的需求，更是提高整车能量利用率，降低整车能耗水平的重要手段。新能源电动汽车使用依托于空调系统的电池液冷系统，在全球属于行业前沿技术。本文采用一维仿真软件AMESim 建立了一套比较完整的纯电动汽车整车热管理系统的仿真模型，研究在不同环境温度下，空调风冷电池包系统，对电动汽车整车热管理系统整体集成优化控制策略的实现。
1 纯电动汽车散热部件散热需求
本文研究对象，某款纯电动汽车的主要参数如表1 所示：
电动汽车热管理系统主要包括三个部分：电驱动系统热管理，空调系统热管理、电池系统热管理。
本文主要研究其中的电驱动系统热管理及电池系统热管理两个部分。其中电驱动系统热管理主要原理如图1 所示。
某纯电动汽车电驱动系统热管理要求，其驱动电机设计温度限值≤170℃。为了系统能够安全高效地运行，驱动电机出水口的冷却水温度控制≤65℃，电机控制器出水口的冷却水温度控制在≤63℃，DC /DC 转换器出水口的冷却液温度控制在≤61℃，而散热器出水口的温度要≤60℃。其中，驱动电机作为主要发热部件是该套热管理系统重点关注的对象。
动力电池作为电动汽车的核心部件，其热管理水平的好坏直接影响电动汽车的整车性能表现。本文研究的电池包冷却系统，其散热方式为利用空调的部分风量的风冷散热方式。空调吹出的冷空气从电池风道入口进入电池包内部，通过对流换热将电池包产生的热量带走并从出风口排出，风向流动示意如图2 所示。通过风冷的方式，优化控制进入电池包的风量水平，使电池包的内部温度保持在最佳工作温度20℃～40℃之间，且内部温差≤5℃。
2 整车热管理一维仿真模型
为了更好的保证整车热管理仿真分析的准确性，本文利用AMESim 仿真分析软件首先搭建电驱动系统的水冷散热系统以及电池包风冷系统在内的子系统模型。在保证两个子系统冷却系统模型准确无误的基础上，然后再将已经搭建的电驱动热管理模型和电池包风冷系统模型，与整车系统一级模型相结合，共同构成一个纯电动汽车的整车热管理模型。
设置相关子模型的结构系统参数，确保无误后进行仿真分析调试计算。设定需求的测试工况对模型进行仿真计算。
3 仿真分析研究
本文主要为了研究电池在不同温度下的适应性研究，通过AMEsim仿真来模拟不同环境温度下的乘员舱舒适性改变情况、电池温升变化及电驱动系统散热情况分析。其中电池模型被分解成3 个电池，每个单元都有一个热质量，为了将电池的温度维持在35°C 左右。仿真模型控制基于对乘客乘员舱热舒适性分析以及通过风冷的方式优化控制电池包的进风量，使电池包的内部温度保持在25℃～40℃之间的主要原则。在运行过程中，水冷系统的主要控制策略主要依据温度传感器采集电机出水口的冷却水温度，将冷却水温传递给中央控制器，控制水泵、风扇的转速等。水冷系统的控制策略如表2 所示。
3.1 电驱动散热系统
为了更好的模拟出相对极端条件下的电驱动系统散热能力，仿真模型环境温度设置为40℃，车速60km/h，9%坡度的山路爬坡工况。
通过仿真模拟分析看出，本研究所选用的电驱动热管理模型及控制策略下，电机、MCU 的出水温度分别在55℃和53℃左右（图4、5、6），且风扇能够很好的根据冷却液温度启动和关闭（图7），保证电驱动系统散热能力，以更好的保证各散热部件的正常工作。
3.2 乘员舱舒适性及电池包散热
通过仿真模拟分析看出，本研究所选用乘员舱舒适性及电池风冷控制策略，能够有效保证乘员舱制冷需求的同时，保障电池温度在25℃～40℃之间的主要原则，以更好的保证电池性能达到最优状态，通过图8、9 可以发现，当环境温度发生变化时，为了更好的保证乘员舱舒适性水平要求，空压机的转速会产生变化，同时由于环境温度的升高，乘员舱达到目标温度时间会发生细微变化，但是由于空压机转速及时调整，能够在规定时间（约10min）内达到需求温度。
4 高温环境下的散热试验研究
本试验目的为了验证该套整车热管理系统在高温环境下适应性能力。研究考察的恶劣工况为所需冷却系统的散热量更大的长距离山路爬坡工况。试验在整车环境舱中进行（图11），设置环境温度为40℃。运行工况为60km/h 等速9%坡度，运行时间为电池SOC 从80%一直运行，直至30%SOC为止。试验测试在环境舱中进行，试验测试设备及环境条件见表3。
试验目的为考察这一过程中，电动汽车冷却系统散热能力是否能够达到一个热平衡水平，并保证在一个有效的工作温度范围内，保证各驱动系统部件正常工作。经过环境舱模拟山路爬坡工况运行结束后，电机进出水温度如图12 所示，可以看出， 过程中，以RC 模型为前提的SOC 估算则更为准确。在蓄电池不持续放电过程中，电流保持恒定放电。以RC 模型、Thevenin 模型为前提SOC 估算，均存在一定的误差，当应用RC 模型开展的估算更为可靠、准确。
5 结束语
总而言之，在倡导绿色低碳发展理念的当前时代背景下，应用绿色环保的能源是时代的大势所趋。相较于其他电池能源，锂电池表现出使用寿命长、无记忆效应、能量质量比高等优势，可在人们生活的方方面面得到广泛推广，并对现代产品生产有着十分重要的影响。本次充电设备的研究，为高电压、大电流电动汽车充放电设备研发打下了坚实的基础。今后锂电池将会进一步趋于小体积、轻重量及高能量密度。伴随对锂电池研究的不断深入，对锂电池一系列参数的了解势必会越来越精确，与之相应的新充放电方法及控制技术也会诞生，进而为人类社会发展做出更大的贡献。
来源：汽车CFD热管理
