电动汽车冷却系统设计及电机最优冷却温度控制

传统汽车的热管理主要是指发动机热效应分析, 包括发动机冷却循环系统和驾驶室温度管理系统等[1, 2, 3]。电动汽车(EV)动力源是电机和电池构成的电系统及其控制元件, 其发热原理与传统同发动机发热原理有很大的不同, 冷却回路也不同于传统汽车。因此有必要根据这些特点来分析、设计和验证电动汽车的热管理系统。本文基于AMESim多领域仿真软件搭建电动汽车冷却系统, 并进行仿真验证。

目前针对电动汽车的热管理研究主要集中在电池系统热管理, 包括对电池工作温度区间的研究控制以及充电状态下电池温度的主动控制[4, 5, 6], 而对包括电机、电机整流控制器以及驾驶室在内的整车热管理研究并不多。

零部件温度变化主要是靠物质之间的传热实现的, 基于热量传递的机理, 热传递有三种基本形式, 即热传导、热对流和热辐射[7]。

图1是平壁导热示意图, 热量由平面1传递到平面2。其中壁厚度为δ , 侧面积为A, 假设两平面维持恒温tw1 和tw2, 单位时间由平面1传递到平面2的热量为Φ , 材料的导热系数为λ 。从而单位时间内单位面积上所通过的热量为q, 其计算公式如下:

同样的道理可以得到热对流和热辐射的计算公式如下:

式中: 是表面传热系数, 单位为W/(m2· K); Δ t是壁面与流体之间的温度差; 为黑体辐射能流率, 单位为W/m2; 为黑体辐射系数, 单位为W/(m2· K4); 是热力学温度, 单位为K。

汽车热传导往往是以上3种热传导的组合, 比如发动机缸体和冷却系统热量传递就包括热传递和热对流两种。

根据行车工况和环境条件, 热管理系统可以自动调节冷却强度以保证被冷却对象工作在最佳温度范围, 从而优化整车的环保性能和节能效果, 同时改善汽车运行安全性和驾驶舒适性等[8]。电动汽车热管理系统必然要考虑到电机冷却系统、电机控制器冷却系统、电池热管理系统和驾驶室采暖制冷系统以及环境影响等因素。

电动汽车的关键部件是电机和电池及其附件。因此电动汽车的热管理模型主要就是电机和电池冷却系统温度控制, 同时也要考虑电机控制器、逆变器等温度管理。

电机或者电池等是结构复杂的物理实体, 同一结构的不同点温度是有差异的, 且是时时变化的, 因此有必要将复杂构型简化为一些简单的热容, 此热容考虑结构的材料、质量、换热面积等参数, 是通过试验数据得到的。比如电机可以简化为线圈热容、转子热容、壳体热容和冷却板热容等; 控制器可以简化为内部核心半导体热容和外壳热容。有的部件是发热部件, 有的是传热部件, 它们最终都与环境或者冷却介质实现热传递, 从而达到自身温度调节。表1是搭建EV汽车及其热管理系统模型所需要的整车和核心部件热条件参数。固件部件主要包括电机、电池和电机控制器及附件等。电池的冷却形式主要有风冷、油冷、水冷等形式, 此处电池采用风冷形式冷却, 其他的采用水冷冷却, 因此需要水冷的是电机和电机控制器。

由表1可见, 电机要求冷却水低于80 ℃, 电机控制器要求冷却水必须低于70 ℃, 两者相差不大, 因此在冷却系统设计上, 采用电机和电机控制器串联冷却回路。电机控制器的冷却液温度要低于电机冷却液温度, 从而为了保证各个部件的正常工作, 从散热器出来的冷却液先经过电机控制器外壳, 再经过电机外壳。

根据上述分析, 电动汽车动力源连接及其冷却回路布置简图如图2所示。高压电源是唯一的能量源, 需要给电机、电机控制器、水泵电机、空调等部件供电。高压电源经过电机控制器和三相换流器整流成三相电信号, 并直接与电机的三相接口相连。这期间控制器会在半导体上产生热量, 并与外壳有一定的热交换。电机的线圈与转子都会产生热量, 线圈与转子、外壳都有热交换。外壳最终与冷却液及大气实现热交换。

原理三相无刷永磁同步电机原理如图3所示, 其中IsA 、IsB 、IsC 分别是U、V、W三相电流。经过式(4)的坐标变换可以得到励磁电流θ Isd 和转矩电流Isq, 其中是电角度。

电机散发的热量计算公式如式(5)所示:

式中:Rs是电机的绕组电阻, 是一个温度函数:

式中: Rs0 是电机额定绕组电阻; Ψ 是定子线圈电阻修正系数; T是电机绕组温度; T0是参照温度。

电机线圈产生的热量 一部分用于自身温度升高, 一部分传递给电机外壳和电机转子, 如式(7)所示:

式中: mw 是绕组质量; Cw 是绕组比热容; (λ /δ ) wp 是绕组-外壳传热系数; Awp 是绕组-外壳传热面积; Tp 是外壳温度; (λ /δ ) wr 是绕组-转子传热系数; Awr 是绕组-转子传热面积; Tr是转子温度。

电机冷却水经过电机外壳水套, 直接与冷却水进行对流热交换的是电机外壳。外壳与绕组、电机转子的传递热交换以及与冷却水的对流热交换满足式(8)的热平衡:

式中: (λ /δ )pr 是外壳-转子传热系数; Apr 是外壳-转子传热面积; mp 是外壳质量; Cp 是外壳比热容; hm 是外壳-冷却液混合对流系数; Am 是混合对流面积; Twa是冷却液温度。

根据式(4)~式(8)可知, 电流越大, 温度越高, 电机的散热量越大, 温差越大, 散热量就越大, 最终需要冷却液温度越低。要使冷却水温度更低就得增加冷却液的流量, 增大水泵的功率。因此电机温度控制是控制水泵的输入功率, 此处采用鲁棒性较好的PI控制, 如式(9)所示:

式中:Twa_r是冷却水的理想温度。

根据式(5)(6), 电机温度越低, 电机效率越高, 动力系统耗电量就越低; 但是要使电机温度低, 冷却水的温度就得更低, 从而导致水泵和风扇工作时间加长, 附件的耗电量增加。电机效率和冷却水温度的关系同附件耗电量和冷却水温度的关系是相互矛盾的, 单独根据电机效率或者附件耗电量寻找最优冷却温度是不合理的。当总的耗电量最低时, 系统的效率最高, 因此选择总的耗电量来评价最优冷却温度是合理的。在环境温度20 ℃时不同的冷却温度对应的总耗电量变化曲线如图4所示, 温度高于40 ℃, 冷却水温度越低, 耗电量越小; 温度低于40 ℃, 冷却水温度越低, 耗电量越大。冷却水温度等于40 ℃时, 耗电量最低, 对应的系统温度最低, 因此40 ℃是此时的最佳冷却水温度。同理, 不同的环境温度可以找到一系列这样的最佳温度, 进而开发出最佳冷却水温度控制策略。

表2是建模中采用的部件等效热容参数, 电机绕组材料是纯铜, 控制外壳材料是碳素钢。而电机转子、电池等材料是环氧基树脂, 热值、密度等性能参数见表2。

在AMESim多领域仿真平台上搭建的电动车传动系和热管理系统模型如图5所示。模型主要涵盖了电机、电池、传动系、汽车等动力学模型; 同时包括驾驶员、整车控制器、电机控制器等控制模型; 还有水泵、冷却循环管道、散热器风扇、补水泵等冷却循环回路; 以及各个部件等效热容、附件热阻、DC/DC等模型。仿真前设置好整车、热容等关键参数, 选定仿真循环以及环境温度。为了简化模型, 未包含具体的驾驶室温度管理系统(空调和PTC加热系统), 而以等效电负载的形式加在低压电源之上。

本文选择的仿真循环是EPA-US06循环, 车速和时间曲线如图6所示。整个循环耗时600 s, 最高车速129 km/h, 集成城市循环和高速循环于一体, 能够比较好地验证整车动力性能以及热管理系统工作能力。

基于上面得到的最佳冷却水温度之后, 可以开发出最佳冷却水温度控制策略。以冷却水实际温度和最佳温度差值作为控制量控制水泵的功率, 使冷却水温度平衡在最佳温度附近, 再与水泵定排量控制算法作对比, 如图7所示。绝大部分时间下, 后者散热量要低于前者, 说明最优冷却温度控制下的电机效率要高于水泵定排量控制的电机效率。仿真结果对比如表3所示, 采用最优冷却温度控制, 电池输出能量的66.1%传输到了车轮, 而采用水泵定排量控制, 只有60.5%的电池能量传输到了车轮; 系统效率提高了约5%, 说明冷却系最优冷却温度控制对系统的效率提高是很有帮助的, 达到了系统效率优化的效果。

电动汽车热管理的关键是电机、电池和电机控制器温度控制。本文分析了三种热量转移方式, 并将其应用到汽车等效热容和冷却液之间的热传递分析之中, 从理论上解释无刷永磁同步电机发热机理及冷却原理。根据电机和控制器的温度特性设计了串联冷却回路, 并在AMESim上搭建了仿真模型, 依据总电量最低为标准, 寻找出冷却系统的最佳冷却温度, 并开发出最优冷却温度控制。与水泵定排量控制相比, 前者的系统效率明显提高。

The authors have declared that no competing interests exist.