(浙江大学动力机械及车辆工程研究所，浙江杭州310027)
摘 要：针对混合动力总成热管理系统多热源㊁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℃，电机的出口水温最高不到50℃，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㊂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℃~95℃之间，电机出口温度基本在55℃~70℃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㊂
关键词：混合动力总成 热管理系统 AMEsim 优化设计 仿真研究
中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1002-6886(2019)02-0016-06 Simulation research of hybrid powertrain thermal management system based on AMESim DONG Qiaoqiao,HUANG Rui,CHEN Fenfang,GUO Zishuo,LING Long,YU Xiaoli Abstract:Aiming at the characteristics of multi-heat sources,multi-temperature zones and variable temperature of hybrid powertrain thermal management system,the hybrid powertrain thermal management system is simulated based on AMEsi
m platform under four different power distributions.The results show that the highest water temperature of engine outlet is close to100℃,and the highest water temperature of motor outlet is less than50℃.Through analysis,it is found that the system architecture is too independent,and the control strategy of pump and fan is ON/OFF control strategy.On this basis,the struc⁃ture of heat management system is optimized,the preheating module is added,and the control strategy of pump and fan is changed to PID control strategy.After optimization,the outlet temperature of engine is between85℃and95℃,and the outlet temperature of motor is between55℃and70℃.The results show that the optimized control strategy is effective and the ther⁃mal management system meets the requirement that the power components work in the optimum temperature range. Keywords:hybrid powertrain,thermal management system,AMEsim,optimal design,simulation research
0 引言
近年来，随着石化能源的短缺㊁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㊁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]㊂
然而，对于混合动力汽车总成而言，热管理系统具有多热源㊁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㊂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㊂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㊂
Francisco Jose Jimenez-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%㊂然而学者们研
㊃61㊃
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㊂本文以某混合动力汽车总成为研究对象，在
AMEsim中建立了总成热管理系统模型并进行了试验验证，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㊂
1 动力总成热管理系统架构
1.1 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
㊂
图1 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㊂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SOC㊁各部件的工作温度有关㊂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㊂
表1 各部件的工作温度范围
名称
必须预热
温度范围/℃
不需预热
温度范围/℃
最佳工作
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 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㊁电机和电池分别进行独立冷却
㊂
图2 混合动力总成热管理系统架构示意图
2 基于AMEsim热管理系统模型的建立与验证
在AMEsim中搭建混合动力总成热管理系统时，首先需要结合动力总成部件的参数选取合适的动力部件模型，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㊂
2.1 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㊂
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㊂
㊃71㊃
表2
动力总成动力部件的主要参数
部件名称参数名称数 值整车
整车质量/kg 1360发动机
工作容积/L 1.2缸径×冲程/mm×mm
77.3×86.14
压缩比9.55额定功率/kW 100怠速转速/(r㊃min -1)850最大扭矩/N㊃m
210
电机
额定功率/kW 36峰值功率/kW
64额定转速/(r㊃min -1)3000峰值转速/(r㊃min -1)7000额定扭矩/N㊃m 100最大扭矩/N㊃m 235总电压/V
324动力电池
容量/Ah
38
图3 高温散热器换热map 图
图4 水泵效率map
图
图5 混合动力总成热管理系统模型
2.2 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℃，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
㊂
图6 发动机在不同扭矩㊁最低燃油消耗工况下,
出水温度仿真和试验对比图
表3 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/℃试验仿真出水温度/℃试验仿真2.2
2.5
2525.326.827.525
25.1
26.3
26.5
㊃
81㊃
图7 发动机在不同扭矩㊁最低燃油消耗工况下,董桥
出水温度相对误差
图8 电机在恒功率㊁不同扭矩工况下,
进出水温度仿真和试验对比图
3 热管理系统产热分析与优化
3.1 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㊂
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∶1，并且发动机转速要求在800r /min ~6000r /min 之间，电机转速要求在-6000r /min ~6000r /min，不同转速下，发动机和电机的最大扭矩不同，在研究不同功率分配下，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 =
P ice P em
式中:P ice 发动机输出功率,kW;P em 电机输出功率,kW㊂
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 =
T ice T em
式中:T ice 发动机输出扭矩,Nm;T em 电机输出扭矩,Nm㊂
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㊂表4
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/%
001000.220800.440600.660400.880201.010001.2120-201.4140-401.6160-601.8180-802.0
200
-
100
混合动力总成在4个US06工况下进行仿真研究，电池SOC 初始值设为0.65，功率分配比k 的取值依次从0~2.0取值，发动机和电机出口水温如图
9-10所示
㊂
图9 4个US06不同k 下发动机的出口水温
图10 4个US06不同k 下电机的出口水温
㊃
91㊃
3.2 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℃，偏离了最佳工作温度范围，电机却相反，温度整体偏低，最高温度低于55℃，也不在最佳工作温度范围㊂这主要是和两个方面的因素有关㊂1)冷却系统中水泵和风扇的控制策略过于简单㊂发动机水泵为机械水泵，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㊁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㊂
2)热管理系统中动力部件的冷却采用独立冷却，虽然可以对动力部件进行独立控制，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㊂
3.2.1 热管理系统架构的优化设计
通过对发动机和电机出口温度偏离最佳工作温度范围的原因分析，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㊂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㊂热管理系统除了发动机㊁电机和电池独立冷却系统外，增加了预热系统㊂预热系统由阀2㊁7㊁9㊁10㊁12㊁14㊁16和21组成㊂
优化后的热管理系统工作模式如下:
1)车辆启动时，如果动力部件温度都低于0℃，考虑到电池充放电性能和循环使用寿命会大幅度下降，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℃以上时，预热器回路打开，发动机给电池预热㊂当电池温度达到20℃以上时，预热器回路关闭，停止预热
㊂
1-高温散热器;2-发动机大循环节温器;3-高温散热器膨胀箱; 4-发动机机械水泵;5-发动机;6-发动机小循环节温器;7-阀;8 -电池冷却水泵;9-阀;10-阀;11-预热器;12-阀;13-电池热交换器;14-阀;15-动力电池组;16-阀;17-电机;18-电机控制器; 19-DCDC;20-电机电子水泵;21-阀;22-低温散热器;23-低温散热器膨胀水箱㊂
图11
混合动力总成热管理系统架构示意图
图12 混合动力总成热管理系统控制流程图2)如果电池温度在0℃以上,SOC在65%以上且满足需求功率时，此时依靠电机进行总成输出㊂电机在工作输出过程中，温度升高，当达到50℃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㊂
在AMEsim搭建优化后的热管理系统，如图13所示㊂
3.2.2 优化后的结果分析
优化后的热管理系统搭建好后，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
㊃02㊃
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