基于AMEsim混合动力总成热管理系统仿真研究

2023年12月18日发(作者：田艺蘅)

基于AMEsim混合动力总成热管理系统仿真研究董桥桥,黄摇瑞,陈芬放,郭子硕,凌摇珑,俞小莉(浙江大学动力机械及车辆工程研究所,浙江杭州310027)*摘摇要:针对混合动力总成热管理系统多热源、多温区和变温度的特点,基于AMEsim平台对混合动力总成热管理系统在4个US06工况不同功率分配下进行仿真分析,结果发现发动机出口水温最高接近100益,电机的出口水温最高不到50益,均偏离了最佳工作温度,经分析,发现系统架构过于独立,水泵和风扇控制策略为ON/OFF控制策略。在此基础上,对热管理系统架构进行了优化,增加了预热模块,并将水泵和风扇控制策略改为简单有效的PID控制,优化后发动机出口温度基本在85益~95益之间,电机出口温度基本在55益~70益之间,结果表明:优化后的热管理系统满足了动力部件工作在最佳温度范围的要求。关键词:混合动力总成摇热管理系统摇AMEsim摇优化设计摇仿真研究中图分类号:TP273摇摇摇摇摇文献标识码:A摇摇摇摇摇文章编号:1002-6886(2019)02-0016-06SimulationrearchofhybridpowertrainthermalmanagementsystembadonAMESimDONGQiaoqiao,HUANGRui,CHENFenfang,GUOZishuo,LINGLong,YUXiaoliAbstract:Aimingatthecharacteristicsofmulti-heatsources,multi-temperaturezonesandvariabletemperatureofhybridpowertrainthermalmanagementsystem,thehybridpowertrainthermalmanagementsystemissimultsshowthatthehighestwatertemperatureofengineoutletiscloarchitectureistooindependent,andthecontrolstrategyofpumpandfanisON/basis,thestruc鄄to100益,andthehighestwatertemperatureofmotoroutletislessthan50益.Throughanalysis,itisfoundthatthesystemtureofheatmanagementsystemisoptimized,thepreheatingmoduleisadded,ptimization,theoutlettemperatureofengineisbetween85益and95益,andtheoutlettemperatureofmotorisbetween55益and70益.Theresultsshowthattheoptimizedcontrolstrategyiffectiveandthether鄄malmanagementsystemmeetsthereds:hybridpowertrain,thermalmanagementsystem,AMEsim,optimaldesign,simulationrearch0摇引言近年来,随着石化能源的短缺、环境污染的加剧和国家排放法规加严,混合动力汽车综合了传统燃油汽车和纯电动汽车的优点,包括续航里程长、效率高和排放低等,成为目前汽车行业和研究机构关注和研究的热点[1-6]。然而,对于混合动力汽车总成而言,热管理系统求分别用高温和低温冷却回路进行冷却,结果显示冷却系统的散热效率明显提高。李峰[9]在此基础上设计了混合动力总成整车热管理系统,在低温环境下利用动力部件温度间相互耦合的关系对动力部件进行预热,提高了动力部件在低温环境下的性能。FranciscoJoJimenez-Espadafor[10]等人将热管理系统分成独立的两部分,一部分是发动机独立冷却系统,一部分是包含电池和电机在内的电子设备冷却系统,并用ON/OFF和逻辑门限值控制策略对冷却系统功耗进行优化,结果显示在保证冷却效果的情况下,采用逻辑门限值控制策略,相比ON/OFF策略而言,电功率消耗下降了35.8%。然而学者们研具有多热源、多温区和变温度的特点,其设计不仅影响零部件的可靠性和寿命,而且还与排放和效率密切相关。王义春和杨文霞等人[7-8]设计了混合动力总成双回路冷却系统,其原理是根据部件的散热需·16·

究混合动力总成整车热管理时,只考虑了某种工况下发动机和电机总的输出功率,并没有考虑总的输出功率确定时,发动机和电机功率分配不同对总成热管理系统的影响,而这对混合动力总成冷却系统的优化设计和动力部件功率合理分配至关重要。AMEsim本文以某混合动力汽车中建立了总成热管理系统模型并进行了试总成为研究对象,在验验证,对动力总成在4个US06工况以不同功率分配模式下热管理系统的架构和冷却系统中水泵和风扇的控制策略进行了分析和优化。1摇动力总成热管理系统架构1.1摇动力总成传动系统在进行热管理系统架构研究之前,需要确定混合动力总成的传动系统及整车行驶模式,本文采用并联式混合动力总成作为研究对象,其构型如图1所示。图1摇混合动力总成构型混合动力汽车的行驶模式一般包含三种模式,其中有单独驱动模式,包括发动机单独驱动和电机单独驱动,还有一种是联合驱动模式。整车在行驶过程中,模式的选择不仅和需求功率有关,还和电池的SOC、各部件的工作温度有关。为了便于研究,选取各部件的出口水温作为最佳工作温度的定义,混合动力总成各部件的工作温度如表1所示。表1摇各部件的工作温度范围名称必须预热不需预热最佳工作温度范围/益温度范围/益温度范围发动机<-40>7585~95电机<-20>055~70电机控制器<-20>045~55电池<0>2025~401.2摇热管理系统的架构本文研究的混合动力总成热管理系统架构示意图如图2所示,发动机、电机和电池分别进行独立冷却。图2摇混合动力总成热管理系统架构示意图2摇基于AMEsim热管理系统模型的建立与验证摇时摇,首先需要结合动力总成部件的参数选取合适的在AMEsim中搭建混合动力总成热管理系统动力部件模型,并搭建热管理系统模型,然后用试验数据对热管理系统模型进行验证。2.1摇热管理系统模型的建立动力总成动力部件参数如表2所示:发动机高温散热器的换热map图和发动机水泵的效率map图如图3和图4所示,电机的低温散热器与水泵和发动机类似。结合动力总成各部件的参数选取AMEsim中相应的模型,按照热管理系统架构搭建混合动力总成热管理系统模型,如图5所示。·17·

表2摇动力总成动力部件的主要参数部件名称参数名称数摇值整车整车质量/kg1360工作容积/L1.2缸径伊冲程/mm伊mm77.3伊86.14发动机压缩比9.55额定功率/kW100怠速转速/(r·min-1最大扭矩/N·m)850210额定功率/kW36峰值功率/kW额定转速/(r·min-1电机峰值转速/(r·min-1)300064额定扭矩/N·m)7000100最大扭矩/N·m235总电压/V324动力电池容量/Ah38图3摇高温散热器换热map图摇摇图4摇水泵效率map图·18·图5摇混合动力总成热管理系统模型2.2摇热管理系统模型的验证本文采用动力部件的试验数据对模型进行验证,发动机在最低燃油消耗工况下,以不同扭矩进行试验,电机在恒定功率以不同扭矩进行试验,由于电池在电机运行工况下进出水温变化很小,为了保证验证的准确性,电池组采用2.2C充电倍率和2.5C最大放电倍率的出水温度进行验证,环境温度均为室温25益,发动机和电机验证结果见图6-图8所示,电池组的验证结果见表3所示,从结果可以看出,仿真结果和试验的相对误差在5%以内。图6摇发动机在不同扭矩、最低燃油消耗工况下,出水温度仿真和试验对比图表3摇电池组充放电倍率下计算和试验结果充电倍率放电倍率进水温度/益出水温度/益试验仿真试验仿真2.22.5252525.25.3126.26.8327.26.55

图7摇发动机在不同扭矩、最低燃油消耗工况下,出水温度相对误差图8摇电机在恒功率、不同扭矩工况下,进出水温度仿真和试验对比图3摇热管理系统产热分析与优化3.1摇不同功率分配下热管理系统的产热分析本文重点研究混合动力总成在4个US06两种工况,在不同功率分配下热管理系统的产热量,由于动力电池组的产量相比发动机和电机较小,运行期间温度变化不大,故本文不考虑电池热管理系统的产热,重点研究发动机和电机的产热与优化。由于变速箱的各档位传动比会影响动力总成的输出扭矩,本文研究的混合动力总成发动机和电机的输出转速比恒为1颐1,并且发动机转速要求在8006000r/min~6000r/min之间,电机转速机的最大扭矩不同r/min~6000,r在研究不同功率分配下/min,不同转速下,发动机和电要求在-,为了能包含发动机和电机单独工作模式,需求扭矩不能大于发动机和电机的最大扭矩,故将变速箱传动比选在3档,功率分配比k定义如下:k=PPiceem式中:Pice率,kW。—发动机输出功率,kW;Pem—电机输出功发动机和电机的转速比是固定的,所以功率分配比k也可表示为:k=TTiceem式中:Tice,Nm。—发动机输出扭矩,Nm;Tem矩—电机输出扭不同功率分配比k下对应的发动机和电机的输出扭矩占总输出扭矩百分比见表4所示。表4摇不同功率分配比k下发动机和电机的输出功率占比k发动机输出扭矩占比/电机输出扭矩占比0.0100/%0.2200%800.440600.660401.81.010080201.21201.4140-2001.6160-402.80180-60摇200究摇,电池混合动力总成在SOC初始值设为4个-0665,功率分配比工况下进行仿真研k的取9-10值依次从所示0。~2.0取值,发动机和电机出口水温如图图9摇4个US06不同k下发动机的出口水温图10摇4个US06不同k下电机的出口水温·19·

3.2摇不同功率分配下热管理系统优化从图9和图10可以看出,发动机的出水温度波动较大,且k=2.0时,发动机的出口温度将近100益整体偏低,偏离了最佳工作温度范围,最高温度低于55益,也不在最佳工作温,电机却相反,温度度范围。这主要是和两个方面的因素有关。单。1)发动机水泵为机械水泵冷却系统中水泵和风扇的控制策略过于简,转速由发动机输出轴转速决定,当大扭矩低转速时,发动机产热较大,此时水泵的转速无法满足热管理系统要求,发动机风扇、电机水泵和电机风扇控制策略为简单ON/OFF控制策略,无法根据工况的变化对冷却系统进行有效地调节。却,虽然可以对动力部件进行独立控制2)热管理系统中动力部件的冷却采用独立冷,但缺乏相互之间的互补调节,比如发动机出口温度偏高时,除了通过风扇和水泵冷却,还可以对温度偏低的电机冷却系统进行预热。3.2.1摇通过对发动机和电机出口温度偏离最佳工作温热管理系统架构的优化设计度范围的原因分析,本文根据整车行驶模式及总成动力部件工作温度,对原先的热管理系统架构进行优化,将发动机和电机水泵及风扇控制策略改为简单有效的PID控制,另外增加预热系统,不仅可以满足各动力部件在高温下的冷却需求,而且能够实现动力部件之间的预热,以保证动力部件在工作时,温度能在最佳工作范围内。优化后的热管理系统架构示意图如图11所示,控制流程图如图12所示。热管理系统除了发动机、电机和电池独立冷却系统外,增加了预热系统。预热系统由阀2、7、9、10、12、14、16优化后的热管理系统工作模式如下和21组成。:考虑到电池充放电性能和循环使用寿命会大幅度下1)车辆启动时,如果动力部件温度都低于0益,降,而发动机可以在较低温度下工作,故此时发动机单独作为动力输出,预热器回路关闭,发动机独立冷却,当发动机冷却液温度达到80益以上时,预热器回路打开,发动机给电池预热。当电池温度达到20益以上时,预热器回路关闭,停止预热。·20·1-4-高温散热器-换器电池冷却水泵发动机机械水泵;2-发动机大循环节温器;14-阀;15-;9-;5-动力电池组阀;10-发动机阀;16-;11-;6-发动机小循环节温器;3-高温散热器膨胀箱阀预热器;17-电机;12-;18-阀;13电机控制器-电池热交;7-阀;8;;19-DCDC;20-散热器膨胀水箱电机电子水泵。;21-阀;22-低温散热器;23-低温图11摇混合动力总成热管理系统架构示意图图12摇混合动力总成热管理系统控制流程图且满足需求功率时2)如果电池温度在,此时依靠电机进行总成输出0益以上,SOC在65%以上。电机在工作输出过程中,温度升高,当达到50益时,电子水泵工作,依靠低温散热器进行散热,若此时发动机温度较低,预热器回路打开,电机对发动机进行预热。在AMEsim搭建优化后的热管理系统,如图13所示。3.2.2摇优化后的热管理系统搭建好后优化后的结果分析,在4个US06工况下进行仿真研究,功率分配比k的取值依次从

图13摇混合动力总成热管理系统架构示意图0示~。2.从优化后的结果可以看出0取值,发动机和电机出口水温如图,发动机出口温度基14-15所本在70益之间85益,~表明优化后的结果保证了发动机和电机95益之间,电机出口温度基本在55益~工作在最佳工作温度,满足要求。图14摇4个US06不同k下发动机的出口水温图15摇4个US06不同k下电机的出口水温4摇结论本文基于AMEsim平台对混合动力总成热管理系统在4个US06工况不同功率分配下进行仿真分析,发现原先的热管理系统无法满足发动机和电机工作在最佳温度范围的要求,对热管理系统架构进行了优化,增加了预热模块,并将水泵和风扇控制策略改为简单有效的PID控制。优化后的热管理系统有效地降低了发动机出口温度,提高了电机出口温度,从而使得发动机出口温度基本在85益~95益之间,电机出口温度基本在55益~70益之间,保证了发动机和电机工作在最佳温度范围。参考文献[1]摇teoftheartofelectric,hybrid,andfu鄄el(4cell):es[J].ProceedingsoftheIEEE,2007,95[2]摇BRADLEYT,isofplug-inhybridelec鄄2010tricvehicle,195(16utility):s[J].JournalofPowerSources,[3]摇LEEDH,KIMNW,JEONGJR,entsiz鄄inginhybridandengineelectricoptimaltransitoperationbus[lineanalysisforaplug-AutomotiveTechnology辛明华,2013,等.,插电式混合动力轿车整车14J]:.ationalJournalof[4]摇周能辉,赵春明,控制策略的研究[J].汽车工程,2013,35(2):99-104.[5]摇张磊,傅明星,王瑜.基于AMESim的新型油电液混合动力系统的仿真分析[J].机电工程,2015,32(4):561[6]摇王喜明-565+570..插电式混合动力城市客车动力系统匹配与控制优化研究[D].北京:北京理工大学,2015.[7]摇王义春,杨英俊,谷中丽.混合动力车辆冷却系统优化设计[J].北京理工大学学报,2004(1):44-47+60.[8]摇杨文霞,汤小波,郭新民.混合动力车辆双层冷却系统设计[J].农业装备与车辆工程,2008(6):25-28.[9]摇李峰.插电式混合动力汽车热管理系统开发及其控制算法研究[D].长春:吉林大学,2016.[10]摇FRANCISCOJOSEJIMENEZ-ESPADAFOR,DANIELPALOMOLOGUERRERO,pulsion,ic,thermalFullycoolingoptimizedELISAandenergyCARVAJALauxiliariesmanagementTRUJIL鄄ofarialforhybridpro鄄(91):694-705vehicle[J].AppliedThermalEngineering,2015基金项目:浙江省科协育才工程(编号2018YCGC015)资助。作者简介:董桥桥(1989-),男,山西省运城市人,硕士研究生,主要从事混合动力总成热管理方面研究。收稿日期:2018-12-07·21·