汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實例解析 課件 03 動驅動系統(tǒng)熱管理

第三章：動驅動系統(tǒng)熱管理《汽車熱管理系統(tǒng)仿真分析與實例解析》本章講述了電驅動系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)建模與仿真分析相關內容，主要介紹電機和電控熱管理系統(tǒng)關鍵性能指標、電機和電控產熱原理及熱特性模型和典型工程案例。本章導讀電機熱管理：熱管理系統(tǒng)結構電機熱管理系統(tǒng)原理圖純電動汽車電機與電機控制器的熱管理系統(tǒng)主要依靠冷卻水泵帶動冷卻液在冷卻管道中循環(huán)流動，通過散熱器中的熱交換等物理過程，帶走電機與電機控制器產生的熱量。為使熱量散發(fā)得更充分，通常在散熱器后方設置風扇。電機熱管理：關鍵性能指標電機起動后，其溫度自常溫（電機各部分溫度與環(huán)境溫度相同）不斷升高，當其溫度高出環(huán)境溫度后，一方面繼續(xù)產生熱量緩慢升溫，另一方面開始向周圍散發(fā)熱量。當電機處于熱量平衡狀態(tài)、溫度不再升高時，電機溫度與環(huán)境溫度之差稱為電機溫升。電機允許溫升是指電機溫度與周圍環(huán)境溫度相比允許升高的限值，因為其是由電機繞組絕緣材料的耐熱等級決定的，不同的絕緣材料耐熱等級有不同的允許溫升，所以電機允許溫升也稱為繞組溫升限值。12繞組溫升限值與絕緣材料耐熱等級對應關系※冷卻介質及溫度為40℃的空氣。電機熱管理：產熱原因及高溫危害純電動汽車電機在驅動與回收能量的工作過程中，電機鐵心、繞組都會產生損耗，這些損耗以熱量的形式向外散發(fā)。過高的溫升對電機有諸多危害：一是對電機內永磁體的性能造成影響，永磁體是永磁同步電機的關鍵組成部分，高溫會使永磁體發(fā)生磁通密度降低以及不可逆退磁等現(xiàn)象，最終導致電機無法正常工作；二是破壞絕緣材料，絕緣材料是電機中較為薄弱的環(huán)節(jié)，過高的溫度會造成絕緣材料壽命的下降和絕緣性能的衰減；三是對電機機械性能造成影響，高速旋轉的轉子、滾動軸承、定子槽、機殼等結構受熱變形，導致電機運行精度不佳、可靠性降低、縮短使用壽命；四是影響電機功率密度的提升、降低電機效率，難以達到設計性能要求。電機熱管理：典型電機熱管理系統(tǒng)級建模與仿真對于發(fā)熱功率較大的電機，一般使用水冷系統(tǒng)進行散熱。根據(jù)系統(tǒng)的工作原理構建電機熱管理系統(tǒng)模型，其由電機產熱模型、對流換熱器模型、水泵模型和散熱器模型等組成。當對流散熱器出口冷卻液溫度過高時，會開啟帶風扇散熱器的風扇以加強冷卻。，AITherMa中的仿真模型系統(tǒng)結構電機熱管理：典型電機熱管理系統(tǒng)級建模與仿真模擬工況：環(huán)境溫度為20℃、一個WLTC循環(huán)電機熱損失功率的變化電機熱損失功率曲線與汽車行駛速度曲線呈現(xiàn)明顯的相關一致性。在車速最高時，電機熱損失功率也達到最大。電機出口冷卻液溫度曲線汽車行駛初始階段電機出口冷卻液溫度不斷上升，當其達到62℃后不再升高，而是反復在58～62℃波動。62℃以上，散熱器風扇打開，增加散熱效果；下降至58℃后，散熱器風扇關閉，如此反復。WLTC工況下的汽車行駛速度曲線電機熱管理：典型電機熱管理部件級建模與仿真仿真對象模型簡化模型結構水冷電機散熱系統(tǒng)機殼、水冷管道、定子和繞組。繞組鐵芯機殼之間緊密接觸，不存在接觸熱阻，同時由于金屬熱阻很小，繞組鐵芯機殼之間溫差很小。因此可將繞組、鐵芯壓縮，只保留機殼和鐵芯之間的接觸面作為熱量的傳遞面。，在接觸面上賦簡化前簡化后水冷電機散熱系統(tǒng)幾何模型電機熱管理：典型電機熱管理部件級建模與仿真(a)機殼表面溫度分布云圖(b)冷卻液溫度分布云圖水冷電機散熱系統(tǒng)溫度分布云圖計算中的出口水溫監(jiān)控曲線電控熱管理：產熱原理內部可分為整流器模塊、逆變器模塊、DSP模塊、輔助電源模塊及各保護電路。逆變器模塊負責將整流后的直流電變?yōu)榻涣麟姡瑓f(xié)同DSP模塊生成的PWM信號來控制電機的動作。輔助電源模塊負責將整流得到的直流電轉換為各芯片所需要的電壓來驅動芯片工作。整流器模塊負責將220V交流電整流為直流電，用于輔助電源的輸入及生成逆變器母線電壓。DSP模塊負責生成PWM信號、處理電機反饋信號、執(zhí)行控制算法、連接上位機界面等。保護電路主要負責過流保護、過壓保護和防PWM信號重疊保護等，可以避免因操作不當或個別器件損壞對電機控制器造成的損害。電機控制器硬件結構DSP模塊和保護電路，為小功率模塊，發(fā)熱低。電控熱管理：產熱原理電機控制器的簡化拓撲結構影響開關器件熱量變化的主要因素包括導通占空比D、開關頻率fs及電流幅值Im電機控制器主要熱源為開關器件，因此需要盡可能保留與開關器件相關的電路，并且在不影響電路整體功能的情況下刪除DSP模塊及某些保護電路等細節(jié)部分，方便展開對開關器件功率損耗數(shù)學模型的建立。逆變器作為開關器件的代表，通常由六個IGBT模塊組成，每個IGBT模塊都分為IGBT和反并聯(lián)二極管，兩者都周期性地處于開通或關斷狀態(tài)。產生的損耗：通態(tài)損耗和開關損耗電控熱管理：典型電控熱管理系統(tǒng)級建模與仿真電機控制器是新能源汽車的一個重要熱源，其在工作過程中發(fā)出的熱量如果不能及時輸運出來，各電子元件會因為溫度過高出現(xiàn)工作誤差，甚至被燒毀。對于發(fā)熱功率較大的電機控制器，一般使用水冷系統(tǒng)進行散熱。電控熱管理系統(tǒng)模型主要包括電控單元發(fā)熱模型、對流換熱器模型水泵模型、閥門模型和散熱器模型，系統(tǒng)結構、組件的參數(shù)設置與電機熱管理系統(tǒng)的類似。當對流換熱器出口冷卻液溫度過高時，會開啟散熱器的風扇加強冷卻，保證電機控制器的安全。0102電機熱管理系統(tǒng)電控熱管理系統(tǒng)電機熱管理：典型電機熱管理部件級建模與仿真WLTC工況下的汽車行駛速度曲線模擬工況：環(huán)境溫度為35℃、一個WLTC循環(huán)電機控制器的產熱功率電機控制器的產熱功率和整車需求功率具有很強的相關性，因此其曲線和汽車行駛速度曲線具有一致性。當冷卻液溫度與環(huán)境溫度相差較大時，散熱器散熱功率高于電機控制器的產熱功率，因此在約1220s時冷卻液溫度下降；當汽車處于持續(xù)加速階段，整車需求功率增加，電機控制器產熱功率增加，冷卻液溫升較快，而后進入波動階段。電機控制器出口冷卻液溫度曲線電控熱管理：典型電控熱管理部件級建模與仿真逆變器控制著電池和電機之間的能量交換，功率模塊是逆變器的關鍵部件，目前常見的功率模塊是IGBT模塊。IGBT模塊具有很高的開關頻率（每秒可達上萬次），可以承受很高的電壓和電流，如比亞迪研發(fā)的IGBT模塊可承受1200V的電壓、200A的電流，因此IGBT模塊的功率很高，如果冷卻效果不好、溫度過高，會影響其工作狀態(tài)甚至被燒毀。逆