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基于模型预测的纯电动汽车动力总成热管理策略

作者:未知

  摘 要:本文首先对多回路热管理系统进行了分析,同时也对热管理系统的工作模式进行了阐述,最后进行了仿真测试,证明了多回路热管理系统可在电动汽车中得到广泛的运用。
  关键词:电动汽车;多回路热管理系统;应用分析
   电动汽车作为当下汽车发展的主要方向,与传统汽车相比,有以下典型特征:取消了内燃机,改用动力电池加电机的方式来驱动汽车;不再需要加注燃油,改用需要外部电网进行对车辆充电来续航车辆行驶里程;延续使用传统汽车的大部分系统或部件,如转向系统、车身电器等。电动汽车的优点在于技术相对简单成熟,只要有电力供应的地方都能够充电,而且比较环保。而影响电动汽车性能最大的便是电池,因为它为整车提供动力,而电池的热管理系统又对电池影响很大,因此对电动汽车热管理系统的研究很有必要。
  1 电动汽车电池热管理系统概述
   电池热管理系统是通过对电池组温度的实时监控,使用相应的控制策略,来控制电池组的温度。电池热管理系统的功能主要包括以下几个方面:
   第一,在不同的充放电条件下保证电池组工作在最佳的温度范围内。当电池温度过高时,热管理系统就会通过控制散热设备对电池组进行散热,防止热失控的发生;当电池温度过低时,热管理系统就会对电池组进行加热,防止电池容量下降。
   第二,保证电池组内每个单体电池之间的差异不能太大。通过合理的电池箱结构设计、合理的冷却介质流道布置,使每个单体电池处在相同的换热条件下工作,降低电池间的不一致性。
   第三,对电池组内每个关键部位的温度进行准确的监控,正常状况下调整冷却和加热系统的功率以节约能源,并且当温度超过电池的允许工作温度范围时,及时的发出报警。动力电池组由于其独特的组成方式,是由许多电池模块组成,每个电池模块又是由若干个单体采用一定的排列方式紧密排列在一起,当汽车行驶在大功率放电的工况下,电池的产热增加,热量大量积聚,电池组内每个单体电池的温度会分布不均匀,单体电池之间的一致性变差。如果热量积累的时间过长将引起部分电池的过充或者过放,从而影响电池组的使用性能与寿命。当电池在高温环境下运行而不能及时得到冷却会引发热失控。因此掌握电动汽车热管理系统就显得非常重要。使用电池组热管理系统可以将工作温度控制在最佳范围内,从而使电池性能最优,效率最高,确保其安全性。
  2 纯电动汽车分布式冷却系统基本组成
   由于动力电池、驱动电机、电机控制器的适宜温度不一致,采用分布式冷却系统可以更有针对性地控制对象,使其冷却效果更好。试验台架主要由动力总成模块、液流换热模块、充放电模块、台架控制模块和数据采集模块组成。
   在对纯电动汽车冷却系统的控制方式进行研究之前,需要对纯电动汽车的冷却系统进行详细分析,对于动力电池采用液冷散热,电机以及电机控制器使用另外的液冷回路进行散热,考虑到电机的适宜工作温度要比电机控制器要高,冷却液先流过电机控制器再经过驱动电机。整车控制器根据采集的电池、电机系冷却回路进出水口温度值分别对两个独立的冷却系统的两个水泵和两个风扇进行控制。
  3 热管理系统的不同工作模式
   (1)在夏季气温高于20摄氏度的时候,由于环境温度过高,乘员舱和动力电池都会有冷却需求,热管理的系统工作回路设置为三通阀的上下导通、左侧导通以及右侧导通,电磁阀需要都导通,压缩机工作而PTC不工作。高温散热回路和低温散热回路以及动力电池散热回路都在水泵作用下开始工作,从而满足了乘员舱以及全部高压零部件的冷却需求。
   (2)春秋季节时期,环境温度多在5到20摄氏度之间,在这个温度条件下,对于动力电池来说是最佳环境温度,因此没有加热或者冷却的需求;而乘员舱有加热需求,但是需求力度并不算大,因此热管理的系统工作回路应该设置为三通阀右侧导通,三通阀左侧导通,三通阀左右导通,关闭电磁阀,压缩机与PTC都不工作。电机冷却液满足了乘员舱加热的热量需求,可以达到节能目的。高温散热回路水温太高会影响电机的正常运作,在这种情况下需要让三通阀上下导通,利用高温散热器达到散热效果。
   (3)在环境温度低于5摄氏度的冬季当中,乘员舱会有比较大的加热需求,同时也需要预热动力电池,这种情况下的热管理系统工作回路应该设置为三通阀上下导通,三通阀左侧导通以及三通阀右侧导通,电磁阀都关闭,压缩机不工但是PTC要工作。起步驾驶期间,PTC加热器要大功率运行,才能满足乘员舱和动力电池的双重需求,等到动力电池达到一定温度后,就可以停止预热,控制电磁阀左侧导通,电磁阀左右导通,电池阀右侧导通。但这个时候的电机水温还无法达到乘员舱的需求,因此还要PTC降功率运行。
  4 仿真与测试
   为了让热管理系统功能得到最大的作用发挥,特别是低温和高温散热回路的冷却效果,可以设置一个仿真工况,环境温度设置为45摄氏度,车速设置为一小时115千米,冷却液的流速设置为每分钟15升。通过仿真计算可以得出低温散热器入水口的温度是51.4摄氏度,出水口温度则为48.6摄氏度,达到了不高于65摄氏度的系统要求;高温散热器入水口的温度为62.9摄氏度,出水口温度57.3摄氏度,达到了不高于80摄氏度的要求。在完成装车后进行系统测试,基本符合仿真结果,各部件工作情况和系统工作情况都达到了预期要求。
  5 结束语
   对于电动车高压零部件冷却和乘员舱及动力电池的加热需求,多回路热管理系统可以基本满足,但在高温情况下,依然存在空调系统的冷凝器散热效果不够好的问题,因此降低了换热能力,没有达到理想的系统制冷效果,为了优化这些方面,可以并排布置散热器和冷凝器或者将它们错开布置,尽可能将高温散热器的不利影响降到最低。
  参考文献:
  [1]冯权,黄瑞,陈芬放,凌珑,俞小莉.基于模型预测的纯电动汽车动力总成热管理策略[J].现代机械,2019(02):8-15.
  [2]吕山.纯电动汽车动力电池热管理系统优化研究[D].重慶大学,2018.
  [3]王文清.纯电动汽车用锂动力电池热管理系统开发研究[D].湖南大学,2016.
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