纯电动客车冷却系统的能耗优化

纯电动客车冷却系统的能耗优化

邝世闻

珠海广通汽车有限公司，广东省 珠海市， 519000

摘要：随着经济和各行各业的快速发展，智能网联汽车作为全球新一轮科技革命背景下的新物种，其发展已经超越了传统汽车产业范畴，与人工智能、信息通讯、大数据等新技术和新兴产业跨界相连，构建起新的汽车产业生态。无人驾驶的智能汽车，搭配安全高效的网联系统将对人类的出行方式和城市交通体系带来重要变化，对我国产业转型升级产生深远影响。为此，国家也在加大推进智能革命。目前，无人驾驶汽车正处于初期阶段，电机冷却系统基本是在纯电动客车平台的基础上进行设计优化。

关键词：纯电动公交；冷却系统；散热器

引言

电动客车冷却系统的能耗优化问题，分析了冷却系统各个部件的工作原理，并利用AMESim搭建了纯电动客车冷却系统的仿真模型，仿真分析了水泵与风扇在不同占空比组合工作下和风扇以不同开启温度工作对冷却系统能耗的影响。分析结果显示水泵与风扇参数在处于某一区间时，冷却系统散热性能最优与能耗最低。最后对该最优工作点进行了实车试验，结果表明在该最优工作参数下，纯电动客车冷却系统在获得较好的散热性能前提下具有较低的能耗。

1冷却系统组成

根据电机系统工作要求，其控制器的高温阀值为75℃，电机本身的高温阀值为130℃，要求电机系统进、出冷却液温度≤60℃，散热器进、出冷却液温度≤55℃。该冷却系统为封闭式强制水冷系统。主要由散热器总成1(包括散热风扇)、电动水泵2、膨胀水箱3、冷却水管4等组成。为了降低成本、方便安装，电动机及其控制器采用一体式串联冷却方式。高温冷却液经散热器冷却后经水泵加压，依次流经电机控制器和驱动电机，最后又流回散热器，形成封闭循环水路。同时在散热器出水口安装水温传感器，实时检测冷却液温度。

2拓扑结构分析

拓扑结构的选择取决于功率需求等级和应用环境。纯电动客车复合储能系统主要分为4种拓扑结构:①超级电容与动力电池直接并联后同负载电机相连，此种连接结构简单、成本较低、维护简单，但是由于动力电池与超级电容不经过控制器直接相连，所以要求两者时时端电压相同，所以超级电容并不能够随时对负载进行供电，利用率较低。②超级电容、双向DC-DC变换器连接后再与动力电池并联，此种结构中由于动力电池属于能量密度型器件，端电压变化平稳，超级电容属于功率密度型器件，端电压变化较快，故将动力电池连接在高压端，超级电容连接在低压端，充分发挥超级电容自身优势，提高复合储能整体效率。③动力电池、双向DC-DC变换器连接后与超级电容并联，此种结构中复合储能系统能够提供更高的总线电压。这种结构还被应用于超级电容端电压的管理，由于DC-DC变换器的存在，动力电池的充放电性能得到更好的改善。④动力电池和超级电容分别与双向DC-DC变换器串联后再并联，此种结构中由于存在两个双向DC-DC变换器，可以更加灵活的控制复合储能系统的端电压，防止动力电池因输出电流过大而受到损伤，但由于具有两个双向DC-DC变换器，故成本较高。

3电机冷却系统关键件设计

3.1电动客车冷却系统分析和控制模式

通过上述设计，电池热管理系统可以实现充电加热/制冷、行车加热/制冷、驻车加热/制冷、故障诊断与保护、电池系统热失控保护等功能。1)充电加热或制冷。当车辆充电时，若BMS检测到电池的温度是高于5℃且低于30℃，电池进入充电模式，关闭动力电池热管理系统;若检测到的电池温度低于5℃，则开启动力电池加热系统，电池进入加热模式;当电池加热到5℃时，电池进入充电模式;当电池加热到10℃时，关闭动力电池加热系统，电池保持充电模式;若检测到的电池温度高于30℃，则电池进入充电模式，同时开启动力电池冷却系统给电池降温;当电池温度低于26℃时，关闭动力电池冷却系统。2)行车加热或制冷。车辆运行时，BMS检测到电池的温度低于5℃时，则开启动力电池加热系统给电池升温;当电池加热到10℃时，关闭动力电池加热系统;当检测到电池的温度高于30℃时，开启动力电池冷却系统给电池降温;当电池温度低于26℃时，关闭动力电池冷却系统。3)驻车加热或制冷。车辆启动前，BMS检测到电池的温度低于5℃时，则开启动力电池加热系统给电池升温;当电池加热到10℃时，关闭动力电池加热系统，车辆进入可以启动状态;当电池的温度高于30℃时，车辆进入可以启动状态，启动后开启动力电池冷却系统给电池降温，当电池温度低于26℃时，关闭动力电池冷却系统。4)故障诊断与保护。动力电池冷却系统的控制器实时监控着系统的状态，系统发生故障时，能及时关闭动力电池热管理系统并向BMS发出警报，由BMS断开动力电池热管理系统高压电。例如:当充电输入电压高于或低于设定值时，向BMS发送过压或欠压报警;当制冷剂回路压力高于或低于设定值时，关闭冷却系统，并向BMS发送高压力或低压力的故障报警，BMS收到故障信息5s后，断开液冷继电器，从而断开热管理系统的高压电;当压缩机出现空载、过载、温度过高或通讯故障时，关闭冷却系统，并向BMS发送压缩机故障，BMS收到故障信息5s后，断开液冷继电器，从而断开热管理系统的高压电;当水泵或风扇故障时，关闭冷却系统，并向BMS发送水泵或风扇故障;当加热系统故障或通讯故障时，向BMS发送加热系统故障;当系统出液温度低于5℃或高于65℃，且制冷或加热功能无法正常工作时，向BMS发送热管理系统失控故障，BMS收到故障信息后断开液冷继电器，从而断开热管理系统的高压电。

3.2电机选型最终方案

当车速在40km/h以下时，配电机A的整车能耗优于配电机B的整车能耗，从中国典型城市公交循环工况看，配电机A的整车能耗要优于配电机B的整车能耗。典型公交工况数据统计结果显示，典型工况下车速在10－35km/h区域范围内占比为68．8%左右，车速大于35km/h的运行区域占比仅为14．3%左右，电机高效区为车速10－35km/h区域，有利于整车实际运营能耗的降低。因此，仅从电机效率对整车能耗影响角度，在不考虑其他因素的情况下，整车配置可以优先选用电机A，有利于续驶里程的提升。

3.3风扇经济工作范围

基于实车冷却风扇的控制逻辑，模型通过热源功率恒定的情况下，比较风扇不同门限值对功耗的影响。根据冷却系统设计需求，风扇在出水口水温达到60℃时以最高PWM占空比工作，为了找到风扇每小时功耗最低工作点，对风扇的最低开启温度进行测试计算。仿真通过固定水泵占空比、逻辑门限控制，在不同热源的情况下，风扇不同开启温度的耗电仿真结果统计。从结果分析可以看出，不同热源下，风扇以43℃为开启温度的小时耗电量均低于其他开启温度。

结语

为了实现降低复合储能系统中动力电池功率以及整体系统能量消耗的目标，制定相应的模糊控制策略以及滤波控制策略，纯电动客车冷却系统原理，通过对关键参数的理论计算及整车热平衡道路测试，说明该冷却系统及设计参数满足整车冷却系统的需要，计算方法可作为相似车型的设计参考。

参考文献:

［1］葛松．某款纯电动轿车冷却系统设计及试验研究［J］．农业装备与车辆工程．2016，54(7):69－72．

［2］周奕．燃料电池客车散热系统设计分析［J］．上海汽车，2010(1):19－20．