基于AMESim軟件建立了完整的純電動汽車的熱管理系統模型，并通過整車實驗驗證了模型的正確性．在此模型的基礎上，本文分別對水冷系統、高溫環境下的熱管理系統及爬坡工況下的熱管理系統進行了優化設計，并對熱管理系統的控制策略進行了優化，使熱管理系統能適應不同工況和環境溫度的整車熱管理要求．本文基于AMESim軟件對純電動汽車的熱管理系統進行優化設計的方法為研究和開發純電動汽車的熱管理系統提供了思路和參考。

0引言

純電動汽車是未來汽車發展的重要方向，也是目前發展最快的新能源汽車之一．為了系統地研究純電動汽車的能量流動，需要對它建立完整的熱管理系統．這不僅是汽車零部件散熱的需求，更是提高整車能源效率的重要手段．

本文利用AMESim軟件搭建了一套比較完整的純電動汽車熱管理系統的仿真模型，并通過實驗驗證模型的正確性，并在此模型基礎上對整車熱管理系統進行優化設計．

1純電動汽車熱管理的要求

本文研究的純電動汽車的參數如表1所示．

本文研究的整車熱管理系統主要包括兩部分：電動汽車前艙水冷系統和電池包風冷系統．其中水冷系統的結構如圖1所示。

根據汽車的運行情況，水冷系統有兩路循環．在汽車剛起動或者低速運行時，發熱部件的散熱量較小，這時冷卻水使用小循環，即經過水泵后，冷卻水依次流過電壓轉換器（DC/DC）、電機控制器（MC）、電機（Motor），然后由支路流入乘員艙的空調加熱系統，使車廂內部溫度迅速升高，提供乘員的舒適性．當汽車加速或爬坡時，發熱部件的散熱量較大，冷卻水經過水泵后，依次流過發熱部件，冷卻水溫升高，這時支路閥門關閉，使冷卻水流過散熱器散熱，降低冷卻水溫度．如果車速較低或散熱器散熱能力不足時，打開散熱器后的冷卻風扇，加快空氣流動，提高散熱器的散熱能力，并迅速降低水溫，控制電機等發熱部件的溫度，使汽車正常行駛．本研究使用的電機可承受的最高溫度是120℃，為了安全及高效地運行，需將電機出水口的冷卻水溫度控制在80℃以內，電機控制器出水口的冷卻水溫度控制在75℃以內，DC/DC轉換器出水口的冷卻液溫度控制在72℃以內，而散熱器出水口的溫度要低于70℃．其中，電機的溫度為我們控制的重點。

另一個為電池包風冷系統．電池包的散熱方式為風冷散熱．冷空氣從后備箱左側入口進入電池包內部，散熱結束后從右側出風口排出，風機放置在后備箱右側，具體流向見圖2．通過風冷的方式，控制電池包的進風量，使電池包的內部溫度保持在20℃～50℃之間，并控制其內部溫差在5℃以內，使電池的工作性能達到最佳狀態。

2基于AMESim軟件的整車熱管理系統建模

本文首先利用AMESim仿真平臺搭建了純電動汽車的整車模型，然后分別搭建了包括水冷系統和電池包風冷系統在內的熱管理系統模型，然后將已經搭建的水冷系統模型和電池包風冷系統模型與整車系統模型相結合，將整車仿真中電機、電機控制器、電壓轉換器的發熱量作為輸入值，輸給水冷系統模型；將電池的散熱量作為一個輸入值，輸給電池包風冷系統模型，然后制定相關的控制策略，對電機、電池進行溫度控制．這樣就形成了一個合理的、比較完整的整車熱管理系統仿真模型，如圖3所示。

在各部件按照設計選取的型號的參數設置完成后，采用FTP－72循環測試工況對模型進行仿真計算．與此同時，也對實車的熱管理系統進行了實驗，采集實驗數據．測試和仿真的環境溫度為25℃，標準大氣壓，時間為1370s。

3仿真與實驗驗證

3．1水冷系統的仿真與實驗驗證

在FTP－72工況下，電機控制器的散熱量約為300W到1500W之間，電機的散熱量約為500W到2000W之間，再加上電壓轉換器DC/DC和一些低壓供電系統的散熱量，約1000W左右，這些熱量即為冷卻水系統的熱負荷，需要通過散熱器和風扇將熱量傳遞到環境中。

運行過程中，溫度傳感器采集電機出水口的冷卻水溫度，將冷卻水溫傳遞給中央控制器，控制水泵、風扇的轉速和流量以及閥門的開度．水冷系統的控制策略如表2所示。

在此控制策略下，我們將仿真結果和實驗測得的電機出水口的冷卻水溫度進行對比，如圖4所示。

從圖4可以看出，在FTP－72工況下，環境溫度為25℃時，經過實驗采集的電機出水口的冷卻水溫度與仿真計算的溫度差值最大為5℃，誤差百分比平均約為6%左右．此結果說明通過AMESim搭建的純電動汽車熱管理系統具有比較可靠的仿真結果，可以較準確地計算出冷卻水的流動狀態和最高溫度．本研究選用的電機出水口的冷卻水最高溫度可達到80℃，在此控制策略下，電機出水口的冷卻水溫度（低于65℃）遠遠低于最高溫度，而且整個循環工況，風扇一直未啟動．這說明原來的系統設計采用的水泵，風扇等部件還有進一步選型優化的空間。

3．2電池包風冷系統的仿真與實驗驗證

電池包內有八個電池模塊，分別用溫度傳感器采集每個模塊的溫度，對最高溫度和最低溫度進行監控，并選取這八個溫度的平均值，用平均溫度調節風機的轉速和電池包進風口的風量．分別采集八個模塊的溫度，其仿真如圖5所示．從上圖可以看出，電池包內各模塊的溫度變化較均勻，溫度差在1．5℃以內，且包內最高溫度不超過32．5℃，可以保證電池在較高的性能下工作．一個循環工況中，仿真得到的電池包內部的平均溫度與實驗所采集到的平均溫度數據相比較，如圖6所示。

從圖6可以看出，在實驗過程中，電池包內的平均溫度始終維持在31℃附近，并未出現大的溫度波動．實驗數據與仿真的結果有一定的出入，造成這種誤差的原因是仿真中電池包內的溫度初始值為27℃，并隨著車輛的行駛，溫度逐漸升高，而實驗中，由于溫度采集的滯后性，溫度傳感器并不是從汽車行駛的初始時刻開始工作的，而是達到一定穩定狀態后，才開始記錄溫度數據．此外，對比分析可知，實驗測試的電池包內部的平均溫度結果與仿真計算結果的最大誤差在前200s內，最高誤差溫度為4℃，200s后誤差較小，低于1℃．從400s之后開始，當兩組溫度都達到30℃后，仿真數據與實驗數據基本一致，誤差不超過1℃．因而分析可知，仿真模型基本正確，能夠比較準確地預測電池包內部的溫度變化，同時本研究設計的風冷系統對穩定和控制電池包的工作溫度范圍具有良好的效果。

4基于AMESim的純電動汽車熱管理系統的優化設計

4．1水冷系統的優化

分析仿真和實驗結果可以發現水冷系統的水泵、風扇的選型及系統的控制策略都有優化的空間．接下來，在仿真模型的參數設置中，減小散熱器的長度和寬度，在保證散熱能力的同時可以有效地節省空間．然后再根據冷卻系統的流量，對水泵進行選型，將水泵的額定流量減少為原車試驗型號的50%，在減少流量的同時水泵的功率也隨之降低。

由于原車的風扇根本沒有進行工作，在正常情況下，熱量全部都由散熱器流向環境，因此在優化時，我們根據設計規范來選擇風機的流量、風壓、功率等，可以根據風機的類型和性能曲線選擇風機，使所選風機在系統中處于最佳工況。

此外，水冷系統的控制策略也調整如表3所示。

在對參數進行重新設計匹配后，我們仍然采用FTP－72工況進行仿真計算．經過優化后的水冷系統仿真結果如圖7和圖8所示。

由上圖可以看出，通過散熱器的冷卻水溫度下降約11℃左右，完全可以滿足整車的散熱需求．冷卻水經過電機后的溫度仍然不太高，不到60℃，根據控制策略的要求，冷卻風扇仍然沒有工作．因此在接下來的優化中，我們可以采用更加惡劣的工況，考察車輛散熱系統的能力。

4．2高溫環境下熱管理系統的優化

我們考察惡劣工況，設置環境溫度為40℃．在高溫環境下整車不需要再向乘員艙供暖，反而需要向乘員艙制冷，因此冷卻系統的散熱量更大．仍然采用FTP－72工況，當環境溫度為40℃時，其他的參數和條件和上文的仿真不變．但是控制策略調整為：在環境溫度為40℃時，完全關閉支路小循環，使所有的冷卻水都通過散熱器進行散熱．經過一個循環工況后，電機出水口的冷卻水溫度如圖9所示．由圖9可以看出，雖然外界環境溫度升高至40℃，但是在循環工況下，電機出水口的冷卻水溫度仍然不足60℃，說明整套冷卻系統具有很好的散熱性能，能夠保證電機和其他發熱部件的正常工作．散熱器進出口的冷卻水溫度如圖10所示。

由圖10可以看出，根據高溫環境所制定的控制策略，溫控閥門始終全開，冷卻水全部通過散熱器進行冷卻，散熱器進出水口的冷卻水溫度差最大約為10℃．在此高溫條件下，散熱器進口的冷卻水溫仍然低于60℃，不需要打風扇就能夠滿足散熱量．風扇可以作為備用條件，在高溫且高速或者爬坡等工況下，可以打開風扇，加強散熱器的散熱．對電池包而言，外界環境溫度40℃時，電池的工作性能將會受到一定的影響，必須使風機滿負荷工作，將電池模塊產生的熱量盡快散到大氣中，才能保持電池的性能．電池包內各模塊的溫度和平均溫度如圖11和圖12所示。

從上圖可以看出，在高溫環境下，電池模塊的平均溫度不超過47℃，其中電池包出風口處模塊的溫度最高，進風口第2個模塊的溫度最低，但各個模塊的溫度差最高為1℃，溫度一致性較好。

4．3爬坡工況下熱管理系統的優化

在上文研究的基礎上，選擇具有一定坡度的路況進行仿真．在NEDC循環工況下，環境溫度為40℃，道路坡度在3%～4%，部分路段達到5%左右，考察電動汽車的動力性能和冷卻效果．在外界環境溫度為40℃條件下，冷卻水全部經過散熱器散熱．在此工況下，散熱器進出口的冷卻水溫度如圖13所示。

從上圖可以看出，在高溫環境下，車輛在爬坡道路時，散熱器的最大溫差約為5℃左右．散熱器進口溫度低于65℃，能滿足熱管理的要求．電池包內部的平均溫度變化如圖14所示．由圖14可知，在外界環境為40℃時，車輛運行NEDC工況并有爬坡道路時，電池包內部的平均溫度約升高10℃，最高溫度接近50℃．此時對電池的性能有較大的影響，長時間運行在高溫狀態下，會對鋰離子電池的壽命產生嚴重影響，并存在安全隱患．這說明高溫爬坡工況下，風冷系統已不太適合電池包的熱管理，不能很好地冷卻電池包，應該采用水冷方式或者其他冷卻方式來設計電池包的熱管理系統。

5總結

本文基于AMESim軟件，建立了完整的純電動汽車的熱管理系統模型，并通過整車實驗采集溫度數據對仿真結果進行驗證，結果證實實驗結果與仿真結果基本一致，表明該仿真模型對于整車的仿真和冷卻系統的熱量管理具有較高的精度．其次，在此模型的基礎上，分別對水冷系統、高溫環境下熱管理系統及爬坡工況下熱管理系統進行了優化設計．與此同時，本文對熱管理系統的控制策略也進行了優化，使得熱管理系統能適應不同的運行工況和環境溫度．本文基于AMSim軟件對純電動汽車的熱管理系統進行優化設計的方法為研究和開發純電動汽車的熱管理系統提供了思路和參考。