【原創(chuàng)】電動汽車驅(qū)動電機(jī)熱管理系統(tǒng)設(shè)計與控制策略
2023-02-273588人次瀏覽
作者： 張鶴翔 高海龍 文章來源：AI《汽車制造業(yè)》?
??電機(jī)與控制器在電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)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(qū)動電機(jī)作為動力源，控制器提供能量轉(zhuǎn)換，缺一不可。兩者的熱管理系統(tǒng)則主要對其冷卻，使其能夠安全可靠運(yùn)行。隨著驅(qū)動電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩的日益增大，對電機(jī)和控制器熱管理系統(tǒng)的要求也隨之提高。目前，針對電機(jī)與控制器的冷卻方式依據(jù)其介質(zhì)不同，可分為風(fēng)冷和液冷。??
??驅(qū)動電機(jī)、發(fā)電機(jī)和控制器等元件的溫度直接影響著其使用性能和壽命。當(dāng)驅(qū)動電機(jī)和發(fā)電機(jī)的溫度突然升高或者超過電機(jī)的最高溫度時，可能引發(fā)電機(jī)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(fā)一種高效可靠的熱管理系統(tǒng)，提高驅(qū)動電機(jī)、發(fā)電機(jī)和控制器等元件的使用效率和壽命。?
??電機(jī)熱管理的主要方法?
??電機(jī)與控制器在電能與機(jī)械能的轉(zhuǎn)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(qū)動電機(jī)作為動力源，控制器提供能量轉(zhuǎn)換，缺一不可。兩者的熱管理系統(tǒng)則主要對其冷卻，使其能夠安全可靠運(yùn)行。隨著驅(qū)動電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩的日益增大，對電機(jī)和控制器熱管理系統(tǒng)的要求也隨之提高。目前，針對電機(jī)與控制器的冷卻方式依據(jù)其介質(zhì)不同，可分為風(fēng)冷和液冷。??
??風(fēng)冷?
??采用風(fēng)冷的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、不需要設(shè)計獨(dú)立的冷卻零件、維護(hù)方便及成本低，缺點(diǎn)是冷卻效果較差。為保證足夠的散熱量需求，驅(qū)動電機(jī)與控制器需要增大與氣流的接觸面積，導(dǎo)致電機(jī)和控制器體積和成本的增加；驅(qū)動電機(jī)和控制器在車輛上使用時對應(yīng)的工況較為復(fù)雜，風(fēng)冷無法在各工況下保持所需的散熱量，故僅在熱負(fù)荷小的小型車驅(qū)動電機(jī)或輔助電機(jī)采用風(fēng)冷。如北汽新能源lite車型和雷克薩斯RX450h的后驅(qū)電機(jī)等。?
??水冷?
??相比風(fēng)冷，液體具有更高的比熱，且可以根據(jù)需要主動調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度，故而液冷具有更好的穩(wěn)定性。對于新能源汽車的驅(qū)動電機(jī)和控制器等元件，采用液冷可以迅速帶走熱量，實(shí)現(xiàn)溫度的快速降低，提高電機(jī)和控制器的效率和壽命?，F(xiàn)階段新能源汽車電機(jī)和控制器普遍使用液冷冷卻，國內(nèi)自主品牌主要采用冷卻液作為介質(zhì)，如蔚來、北汽新能源和吉利等。?
??油冷?
??日系車型的電機(jī)則能夠采用ATF（自動變速器油）作為冷卻介質(zhì)，與冷卻液相比，油冷電機(jī)體積更小，前機(jī)艙布置較為緊湊。如雷克薩斯RX450h和三菱PHEV的前驅(qū)動電機(jī)和發(fā)電機(jī)等，控制器仍是采用冷卻液冷卻。?
??系統(tǒng)設(shè)計?
??新能源汽車的電機(jī)熱管理系統(tǒng)主要為驅(qū)動電機(jī)、發(fā)電機(jī)、控制器、車載充電機(jī)和DC/DC等元件進(jìn)行溫度控制，保證其能夠工作在最合適的溫度。?
??采用風(fēng)冷的驅(qū)動電機(jī)和控制器均只能采用較小功率，還不能適用于常規(guī)的新能源汽車；而以ATF為冷卻介質(zhì)的電機(jī)國內(nèi)暫無相應(yīng)產(chǎn)品，使用日本電機(jī)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(jù)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，電機(jī)和控制器供應(yīng)商只能提供零部件在臺架的基礎(chǔ)參數(shù)，不能覆蓋全部需求參數(shù)。因此，在熱管理系統(tǒng)匹配方面只能根據(jù)零部件的CFD仿真和臺架試驗(yàn)時所測量的控制器和電機(jī)等元件的冷卻液流量、發(fā)熱元件的溫度（溫度傳感器置于發(fā)熱元件附近，并非實(shí)測冷卻液的溫度）和發(fā)熱元件的特性曲線作為參數(shù)。?
??電機(jī)熱管理系統(tǒng)采用散熱器進(jìn)行熱交換，在混合動力車型中，電機(jī)系統(tǒng)的冷卻液溫度沒有發(fā)動機(jī)高，電機(jī)散熱器應(yīng)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(jī)和控制器普遍采用串聯(lián)在一路液路中，根據(jù)電機(jī)數(shù)量決定液路分支數(shù)量；并在管路中適當(dāng)考慮設(shè)置控制元件，進(jìn)而控制液路的切換和液流量的大小，根據(jù)不同工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保各個發(fā)熱元件的工作狀態(tài)。?
??電機(jī)熱管理系統(tǒng)設(shè)計時需關(guān)注以下重點(diǎn)內(nèi)容：?
??①控制器溫度需求普遍低于電機(jī)，在管路連接上，將控制器置于電機(jī)前端；
??②DC/DC和OBC工作條件和發(fā)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(lián)，或并聯(lián)于前端管路上以減小其流量；?
??③電子水泵根據(jù)液路的總液阻和液流量要求選取合適的產(chǎn)品，布置時將水泵布置在回路中位置較低的地方；?
??④根據(jù)需要選擇控制元件電子三通閥和電子四通閥；?
??⑤因電機(jī)的工作效率也會受到低溫影響，可在管路中設(shè)計電子三通閥模擬節(jié)溫器的功能，在寒冷工況使冷卻液不經(jīng)過散熱器，為電機(jī)保溫；?
??⑥電機(jī)散熱器對冷卻風(fēng)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(dāng)加大散熱的面積；?
??⑦設(shè)計膨脹水箱解決加注和除氣的問題，機(jī)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(shè)計毛細(xì)管，減少冷卻液的交換。?
圖1 電機(jī)熱管理模塊?
??四驅(qū)混合動力車型電機(jī)系統(tǒng)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(fā)電機(jī)即其控制器，并把DC/DC或OBC串聯(lián)到前電機(jī)回路。匹配完成后電子水泵可考慮使用定轉(zhuǎn)速模式，可節(jié)約成本，簡化控制。從能量精細(xì)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(qū)動策略是適時四驅(qū)，存在前電機(jī)或后電機(jī)長時間單獨(dú)驅(qū)動車輛的情況時，可在前電機(jī)或后電機(jī)分路中增加電子水閥控制液路通斷，在電機(jī)不工作時切斷液路，以節(jié)省電能。此時需考慮OBC和DC/DC的工作時間，判斷其放置位置以滿足散熱需求。?
??圖1中電子三通閥有兩種工作狀態(tài)，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(tài)，將該狀態(tài)定為常開狀態(tài)，接通液路2定為切換狀態(tài)。在高溫環(huán)境工況下，電機(jī)系統(tǒng)開始運(yùn)行后，感應(yīng)到系統(tǒng)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(tài)，冷卻液經(jīng)電子水泵強(qiáng)制在管路中循環(huán)，吸收上述零部件散發(fā)的熱量，爾后再經(jīng)過低溫散熱器將冷卻液所吸收的熱量散發(fā)出去，實(shí)現(xiàn)各零部件的冷卻；低溫環(huán)境工況下，電機(jī)系統(tǒng)開始運(yùn)行后，系統(tǒng)中的溫度傳感器感應(yīng)冷卻液溫度低，并確保上述發(fā)熱零部件未發(fā)出冷卻需求，VCU則發(fā)出信號，系統(tǒng)中電子三通閥切換狀態(tài)，冷卻液循環(huán)將不經(jīng)過散熱器，而是依靠發(fā)熱零部件的熱量對冷卻液加熱，為零部件進(jìn)行“暖機(jī)”。?
??控制策略?
??電機(jī)熱管理系統(tǒng)內(nèi)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(fēng)量電子風(fēng)扇組成。前兩類元件通過管路中和發(fā)熱元件中的溫度傳感器為輔助，可改變熱管理系統(tǒng)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(tǒng)做出最佳的變換。?
??電子三通閥在熱管理系統(tǒng)中較為常見，技術(shù)也比較成熟。目前成熟的產(chǎn)品均只有兩個狀態(tài)，即原始狀態(tài)和切換狀態(tài)。系統(tǒng)啟動時為原始狀態(tài)，接收變更信號后變?yōu)榍袚Q狀態(tài)，在系統(tǒng)關(guān)閉后則重新調(diào)整為原始狀態(tài)。目前可以聯(lián)通兩個液路的產(chǎn)品還處在開發(fā)狀態(tài)。?
??電子水泵則都屬于電機(jī)驅(qū)動的產(chǎn)品，其性能調(diào)節(jié)均由對電機(jī)的調(diào)節(jié)完成。可采用PWM控制電機(jī)在不同工況下調(diào)整最佳轉(zhuǎn)速，也可在臺架標(biāo)定后將電機(jī)設(shè)定為固定轉(zhuǎn)速，可節(jié)省成本。電子風(fēng)扇也普遍使用PWM控制轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，以滿足不同工況下風(fēng)速需求；也采用電阻調(diào)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(shí)現(xiàn)一進(jìn)兩出的功能。連接液路1是常開狀態(tài)，連接液路2是切換狀態(tài)。根據(jù)電機(jī)系統(tǒng)中各零部件工作情況不同，對其狀態(tài)進(jìn)行控制。控制策略如表1所示。?
表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(tài)；只有滿足常閉的所有條件時，電子三通閥才切換狀態(tài)。?
??2.電子水泵控制?
??電子水泵根據(jù)電機(jī)系統(tǒng)各發(fā)熱零部件的冷卻需求對水泵轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。電子水泵通常是PWM控制，其控制曲線如圖2所示。?
圖2? 電機(jī)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(jī)檢測溫度達(dá)到T3；?
??②前電機(jī)控制器檢測溫度達(dá)到T3；?
??③發(fā)電機(jī)檢測溫度達(dá)到T3；?
??④發(fā)電機(jī)控制器檢測溫度達(dá)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(jī)、前電機(jī)控制器、發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)控制器中任何一個零件溫度達(dá)到T4，后水泵開啟到100%（全開）；當(dāng)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(dá)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(jī)檢測溫度達(dá)到T3；?
??②后電機(jī)控制器檢測溫度達(dá)到T3；?
??③OBC檢測溫度達(dá)到T3；?
??④DC-DC檢測溫度達(dá)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(jī)、后電機(jī)控制器、OBC、DC/DC中任意一個零件溫度達(dá)到T4，后水泵開啟到100%（全開）；當(dāng)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(dá)到T1，水泵停止工作。?
??3.電子風(fēng)扇控制?
??電子風(fēng)扇的控制與傳統(tǒng)車類似，電子風(fēng)扇采用PWM控制調(diào)節(jié)檔位，初始設(shè)計3個檔位。其控制邏輯主要涉及OBC、壓力傳感器、空調(diào)系統(tǒng)壓力等信號，混合動力車型還涉及發(fā)動機(jī)（或增程器）冷卻液溫度信號。?
??總結(jié)?
??目前新能源車型電機(jī)熱管理系統(tǒng)還處在發(fā)展階段，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，電機(jī)熱管理系統(tǒng)將向精細(xì)化能量管理方向發(fā)展。如利用流量比例控制閥對系統(tǒng)的冷卻液流量進(jìn)行細(xì)化分配，精確滿足各個元件所需流量，避免過多的流量浪費(fèi)，降低水泵的功率或減少水泵的工作時間，節(jié)約電能。?
??此外，為了實(shí)現(xiàn)新能源汽車熱管理系統(tǒng)的精確控制和車載能量源的高效利用，無法將熱管理系統(tǒng)獨(dú)立匹配設(shè)計，需上升到整車層級的能量流控制。在設(shè)計中針對新能源汽車的熱管理系統(tǒng)搭建相應(yīng)的試驗(yàn)測試臺架，對熱管理系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)的測試，采集熱管理系統(tǒng)中各零部件的數(shù)據(jù)，為設(shè)計匹配計算提供依據(jù)；建立內(nèi)嵌控制邏輯的熱管理系統(tǒng)CAE一維仿真計算模型，以此作為整車經(jīng)濟(jì)性仿真的一個熱管理系統(tǒng)模塊；與整車共同經(jīng)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(jìn)而匹配出各零部件的效率；引入熱管理系統(tǒng)對整車能量流的影響，并據(jù)此優(yōu)化系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用，提升整車?yán)m(xù)駛里程。??
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