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【原創】電動汽車驅動電機熱管理系統設計與控制策略
作者: 張鶴翔 高海龍 文章來源:AI《汽車制造業》 時間:2019/8/16 11:26:14


機與控制器在電能與機械能的轉換過程中,部分電能會損耗成為熱能釋放。對于新能源汽車,驅動電機作為動力源,控制器提供能量轉換,缺一不可。兩者的熱管理系統則主要對其冷卻,使其能夠安全可靠運行。隨著驅動電機功率和轉矩的日益增大,對電機和控制器熱管理系統的要求也隨之提高。目前,針對電機與控制器的冷卻方式依據其介質不同,可分為風冷和液冷。 


驅動電機、發電機和控制器等元件的溫度直接影響著其使用性能和壽命。當驅動電機和發電機的溫度突然升高或者超過電機的最高溫度時,可能引發電機的故障,而控制器對使用溫度也有一定的要求。因此需要開發一種高效可靠的熱管理系統,提高驅動電機、發電機和控制器等元件的使用效率和壽命。

電機熱管理的主要方法

電機與控制器在電能與機械能的轉換過程中,部分電能會損耗成為熱能釋放。對于新能源汽車,驅動電機作為動力源,控制器提供能量轉換,缺一不可。兩者的熱管理系統則主要對其冷卻,使其能夠安全可靠運行。隨著驅動電機功率和轉矩的日益增大,對電機和控制器熱管理系統的要求也隨之提高。目前,針對電機與控制器的冷卻方式依據其介質不同,可分為風冷和液冷。 

風冷

采用風冷的優點是結構簡單、不需要設計獨立的冷卻零件、維護方便及成本低,缺點是冷卻效果較差。為保證足夠的散熱量需求,驅動電機與控制器需要增大與氣流的接觸面積,導致電機和控制器體積和成本的增加;驅動電機和控制器在車輛上使用時對應的工況較為復雜,風冷無法在各工況下保持所需的散熱量,故僅在熱負荷小的小型車驅動電機或輔助電機采用風冷。如北汽新能源lite車型和雷克薩斯RX450h的后驅電機等。

水冷

相比風冷,液體具有更高的比熱,且可以根據需要主動調節系統溫度,故而液冷具有更好的穩定性。對于新能源汽車的驅動電機和控制器等元件,采用液冷可以迅速帶走熱量,實現溫度的快速降低,提高電機和控制器的效率和壽命,F階段新能源汽車電機和控制器普遍使用液冷冷卻,國內自主品牌主要采用冷卻液作為介質,如蔚來、北汽新能源和吉利等。

油冷

日系車型的電機則能夠采用ATF(自動變速器油)作為冷卻介質,與冷卻液相比,油冷電機體積更小,前機艙布置較為緊湊。如雷克薩斯RX450h和三菱PHEV的前驅動電機和發電機等,控制器仍是采用冷卻液冷卻。

系統設計

新能源汽車的電機熱管理系統主要為驅動電機、發電機、控制器、車載充電機和DC/DC等元件進行溫度控制,保證其能夠工作在最合適的溫度。

采用風冷的驅動電機和控制器均只能采用較小功率,還不能適用于常規的新能源汽車;而以ATF為冷卻介質的電機國內暫無相應產品,使用日本電機成本較高可暫不考慮;所以僅從液冷方式的元件入手考慮熱管理方案。

根據項目經驗,電機和控制器供應商只能提供零部件在臺架的基礎參數,不能覆蓋全部需求參數。因此,在熱管理系統匹配方面只能根據零部件的CFD仿真和臺架試驗時所測量的控制器和電機等元件的冷卻液流量、發熱元件的溫度(溫度傳感器置于發熱元件附近,并非實測冷卻液的溫度)和發熱元件的特性曲線作為參數。

電機熱管理系統采用散熱器進行熱交換,在混合動力車型中,電機系統的冷卻液溫度沒有發動機高,電機散熱器應盡可能置于冷卻模塊的前端,接觸空氣溫度低,有利于冷卻。電機和控制器普遍采用串聯在一路液路中,根據電機數量決定液路分支數量;并在管路中適當考慮設置控制元件,進而控制液路的切換和液流量的大小,根據不同工況進行調節,確保各個發熱元件的工作狀態。

電機熱管理系統設計時需關注以下重點內容:

①控制器溫度需求普遍低于電機,在管路連接上,將控制器置于電機前端;②DC/DCOBC工作條件和發熱量對冷卻液溫度升高程度影響較小,管路連接時可置于控制器前端串聯,或并聯于前端管路上以減小其流量;

③電子水泵根據液路的總液阻和液流量要求選取合適的產品,布置時將水泵布置在回路中位置較低的地方;

④根據需要選擇控制元件電子三通閥和電子四通閥;

⑤因電機的工作效率也會受到低溫影響,可在管路中設計電子三通閥模擬節溫器的功能,在寒冷工況使冷卻液不經過散熱器,為電機保溫;

⑥電機散熱器對冷卻風溫度需求與冷凝器接近,如果可以分開布置在最前端,則分開布置;如不能,因冷凝器為電池提供冷卻,可將冷凝器置于最前,適當加大散熱的面積;

⑦設計膨脹水箱解決加注和除氣的問題,機艙空間緊張時可與電池膨脹水箱合一使用,在通氣管路中設計毛細管,減少冷卻液的交換。


1 電機熱管理模塊

四驅混合動力車型電機系統熱管理模塊的原理如圖1所示。對于純電動車輛去掉其中的發電機即其控制器,并把DC/DCOBC串聯到前電機回路。匹配完成后電子水泵可考慮使用定轉速模式,可節約成本,簡化控制。從能量精細控制的層面看,則可增加更多控制元件,如流量比例閥,精確控制液路中的液流量分配等。

若車型驅動策略是適時四驅,存在前電機或后電機長時間單獨驅動車輛的情況時,可在前電機或后電機分路中增加電子水閥控制液路通斷,在電機不工作時切斷液路,以節省電能。此時需考慮OBCDC/DC的工作時間,判斷其放置位置以滿足散熱需求。

1中電子三通閥有兩種工作狀態,可接通液路1或接通液路2。其中接通液路1是常用的工作狀態,將該狀態定為常開狀態,接通液路2定為切換狀態。在高溫環境工況下,電機系統開始運行后,感應到系統中零部件散熱需求,VCU控制電子水泵啟動,電子三通閥維持常開狀態,冷卻液經電子水泵強制在管路中循環,吸收上述零部件散發的熱量,爾后再經過低溫散熱器將冷卻液所吸收的熱量散發出去,實現各零部件的冷卻;低溫環境工況下,電機系統開始運行后,系統中的溫度傳感器感應冷卻液溫度低,并確保上述發熱零部件未發出冷卻需求,VCU則發出信號,系統中電子三通閥切換狀態,冷卻液循環將不經過散熱器,而是依靠發熱零部件的熱量對冷卻液加熱,為零部件進行暖機。

控制策略

電機熱管理系統內的控制元件主要由控制管路切換的閥體(電子三通閥)、控制液流量的泵體(電子水泵)、控制風量電子風扇組成。前兩類元件通過管路中和發熱元件中的溫度傳感器為輔助,可改變熱管理系統中冷卻液的流向、流量和溫度,在不同的工況下對熱管理系統做出最佳的變換。

電子三通閥在熱管理系統中較為常見,技術也比較成熟。目前成熟的產品均只有兩個狀態,即原始狀態和切換狀態。系統啟動時為原始狀態,接收變更信號后變為切換狀態,在系統關閉后則重新調整為原始狀態。目前可以聯通兩個液路的產品還處在開發狀態。

電子水泵則都屬于電機驅動的產品,其性能調節均由對電機的調節完成?刹捎PWM控制電機在不同工況下調整最佳轉速,也可在臺架標定后將電機設定為固定轉速,可節省成本。電子風扇也普遍使用PWM控制轉速調節,以滿足不同工況下風速需求;也采用電阻調速,控制成本。

1.電子三通閥控制

上述原理中的電子三通閥可以實現一進兩出的功能。連接液路1是常開狀態,連接液路2是切換狀態。根據電機系統中各零部件工作情況不同,對其狀態進行控制?刂撇呗匀绫1所示。



1  電子三通閥控制條件

需要注意的是,滿足常開條件中任何一個條件,電子三通閥即保持常開狀態;只有滿足常閉的所有條件時,電子三通閥才切換狀態。

2.電子水泵控制

電子水泵根據電機系統各發熱零部件的冷卻需求對水泵轉速進行調節。電子水泵通常是PWM控制,其控制曲線如圖2所示。


2  電機電子水泵PWM曲線

前水泵滿足下述條件中任意一條即開始工作:

①前電機檢測溫度達到T3;

②前電機控制器檢測溫度達到T3;

③發電機檢測溫度達到T3;

④發電機控制器檢測溫度達到T3。

隨著上述零部件的工作溫度的上升,前水泵開度開始增大,直到前電機、前電機控制器、發電機、發電機控制器中任何一個零件溫度達到T4,后水泵開啟到100%(全開);當檢測到上述全部零部件最高溫度回落到T2時,前水泵開度開始逐步減小,直到全部零部件最高溫度達到T1,水泵停止工作。

后水泵滿足下述條件中任意一條即開始工作:

①后電機檢測溫度達到T3;

②后電機控制器檢測溫度達到T3;

OBC檢測溫度達到T3;

DC-DC檢測溫度達到T3。

隨著上述零部件的工作溫度的上升,后水泵開度開始增大,直到后電機、后電機控制器、OBC、DC/DC中任意一個零件溫度達到T4,后水泵開啟到100%(全開);當檢測到上述全部零部件最高溫度回落到T2時,后水泵開度開始逐步減小,直到全部零部件最高溫度達到T1,水泵停止工作。

3.電子風扇控制

電子風扇的控制與傳統車類似,電子風扇采用PWM控制調節檔位,初始設計3個檔位。其控制邏輯主要涉及OBC、壓力傳感器、空調系統壓力等信號,混合動力車型還涉及發動機(或增程器)冷卻液溫度信號。

總結

目前新能源車型電機熱管理系統還處在發展階段,隨著技術的不斷進步,電機熱管理系統將向精細化能量管理方向發展。如利用流量比例控制閥對系統的冷卻液流量進行細化分配,精確滿足各個元件所需流量,避免過多的流量浪費,降低水泵的功率或減少水泵的工作時間,節約電能。

此外,為了實現新能源汽車熱管理系統的精確控制和車載能量源的高效利用,無法將熱管理系統獨立匹配設計,需上升到整車層級的能量流控制。在設計中針對新能源汽車的熱管理系統搭建相應的試驗測試臺架,對熱管理系統進行靜態和動態的測試,采集熱管理系統中各零部件的數據,為設計匹配計算提供依據;建立內嵌控制邏輯的熱管理系統CAE一維仿真計算模型,以此作為整車經濟性仿真的一個熱管理系統模塊;與整車共同經歷綜合工況下的模擬,反饋整車各工況下各零部件的溫度,進而匹配出各零部件的效率;引入熱管理系統對整車能量流的影響,并據此優化系統方案,實現能源的高效利用,提升整車續駛里程。   




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