汽车热管理系统仿真分析与实例解析 课件 03 动驱动系统热管理

第三章：动驱动系统热管理《汽车热管理系统仿真分析与实例解析》本章讲述了电驱动系统的热管理系统建模与仿真分析相关内容，主要介绍电机和电控热管理系统关键性能指标、电机和电控产热原理及热特性模型和典型工程案例。本章导读电机热管理：热管理系统结构电机热管理系统原理图纯电动汽车电机与电机控制器的热管理系统主要依靠冷却水泵带动冷却液在冷却管道中循环流动，通过散热器中的热交换等物理过程，带走电机与电机控制器产生的热量。为使热量散发得更充分，通常在散热器后方设置风扇。电机热管理：关键性能指标电机起动后，其温度自常温（电机各部分温度与环境温度相同）不断升高，当其温度高出环境温度后，一方面继续产生热量缓慢升温，另一方面开始向周围散发热量。当电机处于热量平衡状态、温度不再升高时，电机温度与环境温度之差称为电机温升。电机允许温升是指电机温度与周围环境温度相比允许升高的限值，因为其是由电机绕组绝缘材料的耐热等级决定的，不同的绝缘材料耐热等级有不同的允许温升，所以电机允许温升也称为绕组温升限值。12绕组温升限值与绝缘材料耐热等级对应关系※冷却介质及温度为40℃的空气。电机热管理：产热原因及高温危害纯电动汽车电机在驱动与回收能量的工作过程中，电机铁心、绕组都会产生损耗，这些损耗以热量的形式向外散发。过高的温升对电机有诸多危害：一是对电机内永磁体的性能造成影响，永磁体是永磁同步电机的关键组成部分，高温会使永磁体发生磁通密度降低以及不可逆退磁等现象，最终导致电机无法正常工作；二是破坏绝缘材料，绝缘材料是电机中较为薄弱的环节，过高的温度会造成绝缘材料寿命的下降和绝缘性能的衰减；三是对电机机械性能造成影响，高速旋转的转子、滚动轴承、定子槽、机壳等结构受热变形，导致电机运行精度不佳、可靠性降低、缩短使用寿命；四是影响电机功率密度的提升、降低电机效率，难以达到设计性能要求。电机热管理：典型电机热管理系统级建模与仿真对于发热功率较大的电机，一般使用水冷系统进行散热。根据系统的工作原理构建电机热管理系统模型，其由电机产热模型、对流换热器模型、水泵模型和散热器模型等组成。当对流散热器出口冷却液温度过高时，会开启带风扇散热器的风扇以加强冷却。，AITherMa中的仿真模型系统结构电机热管理：典型电机热管理系统级建模与仿真模拟工况：环境温度为20℃、一个WLTC循环电机热损失功率的变化电机热损失功率曲线与汽车行驶速度曲线呈现明显的相关一致性。在车速最高时，电机热损失功率也达到最大。电机出口冷却液温度曲线汽车行驶初始阶段电机出口冷却液温度不断上升，当其达到62℃后不再升高，而是反复在58～62℃波动。62℃以上，散热器风扇打开，增加散热效果；下降至58℃后，散热器风扇关闭，如此反复。WLTC工况下的汽车行驶速度曲线电机热管理：典型电机热管理部件级建模与仿真仿真对象模型简化模型结构水冷电机散热系统机壳、水冷管道、定子和绕组。绕组铁芯机壳之间紧密接触，不存在接触热阻，同时由于金属热阻很小，绕组铁芯机壳之间温差很小。因此可将绕组、铁芯压缩，只保留机壳和铁芯之间的接触面作为热量的传递面。，在接触面上赋简化前简化后水冷电机散热系统几何模型电机热管理：典型电机热管理部件级建模与仿真(a)机壳表面温度分布云图(b)冷却液温度分布云图水冷电机散热系统温度分布云图计算中的出口水温监控曲线电控热管理：产热原理内部可分为整流器模块、逆变器模块、DSP模块、辅助电源模块及各保护电路。逆变器模块负责将整流后的直流电变为交流电，协同DSP模块生成的PWM信号来控制电机的动作。辅助电源模块负责将整流得到的直流电转换为各芯片所需要的电压来驱动芯片工作。整流器模块负责将220V交流电整流为直流电，用于辅助电源的输入及生成逆变器母线电压。DSP模块负责生成PWM信号、处理电机反馈信号、执行控制算法、连接上位机界面等。保护电路主要负责过流保护、过压保护和防PWM信号重叠保护等，可以避免因操作不当或个别器件损坏对电机控制器造成的损害。电机控制器硬件结构DSP模块和保护电路，为小功率模块，发热低。电控热管理：产热原理电机控制器的简化拓扑结构影响开关器件热量变化的主要因素包括导通占空比D、开关频率fs及电流幅值Im电机控制器主要热源为开关器件，因此需要尽可能保留与开关器件相关的电路，并且在不影响电路整体功能的情况下删除DSP模块及某些保护电路等细节部分，方便展开对开关器件功率损耗数学模型的建立。逆变器作为开关器件的代表，通常由六个IGBT模块组成，每个IGBT模块都分为IGBT和反并联二极管，两者都周期性地处于开通或关断状态。产生的损耗：通态损耗和开关损耗电控热管理：典型电控热管理系统级建模与仿真电机控制器是新能源汽车的一个重要热源，其在工作过程中发出的热量如果不能及时输运出来，各电子元件会因为温度过高出现工作误差，甚至被烧毁。对于发热功率较大的电机控制器，一般使用水冷系统进行散热。电控热管理系统模型主要包括电控单元发热模型、对流换热器模型水泵模型、阀门模型和散热器模型，系统结构、组件的参数设置与电机热管理系统的类似。当对流换热器出口冷却液温度过高时，会开启散热器的风扇加强冷却，保证电机控制器的安全。0102电机热管理系统电控热管理系统电机热管理：典型电机热管理部件级建模与仿真WLTC工况下的汽车行驶速度曲线模拟工况：环境温度为35℃、一个WLTC循环电机控制器的产热功率电机控制器的产热功率和整车需求功率具有很强的相关性，因此其曲线和汽车行驶速度曲线具有一致性。当冷却液温度与环境温度相差较大时，散热器散热功率高于电机控制器的产热功率，因此在约1220s时冷却液温度下降；当汽车处于持续加速阶段，整车需求功率增加，电机控制器产热功率增加，冷却液温升较快，而后进入波动阶段。电机控制器出口冷却液温度曲线电控热管理：典型电控热管理部件级建模与仿真逆变器控制着电池和电机之间的能量交换，功率模块是逆变器的关键部件，目前常见的功率模块是IGBT模块。IGBT模块具有很高的开关频率（每秒可达上万次），可以承受很高的电压和电流，如比亚迪研发的IGBT模块可承受1200V的电压、200A的电流，因此IGBT模块的功率很高，如果冷却效果不好、温度过高，会影响其工作状态甚至被烧毁。逆