E100T纯电动宽体矿车热管理系统匹配设计

  电动学堂   2021-01-30 次浏览

引言

E100T纯电动宽体矿车满载状态的质量近百吨，主要是用于重载下坡的工况，利用重力势能转化为动能的方式以节省能源———即高效地利用了制动能量回收技术。充电方式采用快充的方式，由于电机功率较大，且快充对电池组的充放电需求较高，故在恶劣环境下，热管理系统是保证纯电动宽体矿车正常工作的必备系统之一。

本文主要是对E100T纯电动宽体矿车热管理系统进行研究分析，通过匹配合适的热管理系统，并进行试验验证以保证纯电动宽体矿车运营的可靠性能。

1E100T纯电动宽体矿车热管理系统关键零部件

对E100T纯电动宽体矿车热管理系统的匹配设计，先需要了解其关键零部件结构，如产生热源的电池组、电机以及电机控制器。需要确定电池组、电机以及电机控制器的结构、性能参数等。对于电池组、电机以及电机控制器的结构图请见图1、图2、图3、图4和图5所示。

2E100T纯电动宽体矿车热管理系统的需求

此E100T纯电动宽体矿车主要是针对重载下坡、空载上坡的工况定制开发。由于整车运行工况恶劣，且在运行过程中电池组、电机和电机控制器的发热量较大，普通的自然冷却以及风冷无法满足要求，需要采用水冷却系统。E100T纯电动宽体矿车热管理系统设计主要包含电池组(共两个电池组总成)的热管理和电机、电机控制器热管理的两个系统。

E100T纯电动宽体矿车在爬坡、重载下坡以及加速时，放电电流增大，产生的热量必然引起电池组温度的升高，温度过高容易导致电池组燃烧。故根据车辆的使用区域并考虑到成本等因素，E100T纯电动宽体矿车的热管理系统主要是进行冷却系统设计，未进行加热系统的设计。根据整车方案定义以及基于零部件本身的结构设计(电池组、电机、控制器内部均有冷却管路)，热管理系统的设计的需求见表1。

3E100T纯电动宽体矿车热管理系统的匹配设计

3.1热管理系统管路设计

从整车定义以及成本控制的角度综合分析，此热管理系统选择更加经济的被动液冷，即利用外界环境，借助散热器散热性能实现对电池组、电机以及电机控制器的冷却。并根据电池组(两个)、电机、电机控制器的工作温度要求，需要设计为两个回路，具体冷却系统回路如图6和图7所示。

为保证散热效果，电池组散热器和电机散热器设计成并排布置。为方便布置，将两个散热器集成为一体，而且为了保证进风温度，将集成式散热器布置于整车前端。为充分利用散热器的散热面积，电机散热器和电池组散热器后侧均布置两个风扇，上下布置。

3.2热管理系统散热器总成参数

根据整车定义以及总布置，散热器的散热面积不能太大，整车只能提供有限的布置空间。根据整车总布置以及散热器的芯体尺寸、扁管参数以及翅片参数，可仿真得出电池组散热器和电机散热器的换热MAP图，如图8和图9。

电池组散热器风扇选用无刷轴流风扇，叶轮直径Φ316.7mm，叶片个数7个，风扇厚度78.85mm，重量2.2kg。麦克风与风扇模块重心距离1m声强级75.1dBA。额定转速3500r/min，额定电压为24V，额定电流为11A。电机散热器风扇亦选用无刷轴流风扇，叶轮直径Φ350，叶片个数7个，风扇厚度78.2mm，重量2.6kg。麦克风与风扇模块重心距离1m声强级80.4dBA。额定转速4100r/min，额定电压为24V，额定电流为21A。电池组散热器风扇与电机散热器风扇的风量特性曲线如图10和图11。

3.3热管理系统水泵的匹配

电池组水泵选用直流无刷电机，内置控制器。额定电压24V，负载功率为210W±10%(扬程4m时参数)。水泵在4m扬程时水流量为6000L/h±5%根据散热器总成参数以及从工程角度出发，电机水泵选取型号与电池水泵相同。水泵的流量特征曲线如图12所示。

4E100T纯电动宽体矿车热管理系统的控制策略

4.1电池组热管理系统的控制策略

电池组的BMS实现对电池组水泵和风扇的综合控制。控制电池组内部多个正负极点的最高温度，当控制温度达到35℃时，电池组散热器风扇以及水泵将会同时开启;当控制温度降到30℃时，电池组散热器风扇以及水泵将会关闭。通过BMS的控制策略，减少了能量的损耗，以提高整车的续航能力。

4.2电机及电机控制器热管理系统的控制策略

电机及电机控制器在工作过程中发热量较大，需要采用持续的降温措施。所以电机及电机控制器是通过主接触器闭合的方式来控制电机及电机控制器风扇和水泵的开启，其中风扇采用PWM调速控制，可以实现无极调速且可达到节能的效果。电机及电机控制器水泵的工作方式则是在额定电压和额定功率条件下恒速运行，以便于更好的起到散热的效果。

5电池组和电机及电机控制器的仿真分析

5.1电池组的仿真分析

基于电池组三维模型建立流体仿真和温度场仿真模型。为了提高仿真效率，仿真模型包含电芯、导热片、环氧板、水冷板、水管等。关于电池组中的钢板、线束、密封胶不进行建模，对电芯温度的影响可等效为模组表面换热系数。电池组的仿真模型以及流量仿真图可见图13至图17。

通过对电池组流体的仿真分析可知，电池组中的24个模组水冷板上的水流量均衡。而且在同一排中，第1列到第6列依次增高，但总体变化较小。根据E100T纯电动宽体矿车的工作工况以及充放电方式进行仿真分析。选用极限充放电工况，即采用2C的倍率充放电，并在环境温度35℃条件下电池组温度场如图18和图19。

在环境温度为35℃时电池组的进水口温度和出水口温度可见表2。

表2倍率为2C充放电且在环境温度35℃的

根据电池组温度场以及水冷板温度场示意图所示，2C充放电以及环境温度35℃的条件下，电池组的进水口温度为42．69℃，出水口温度为44.30℃，均未超过电池组管路需求温度限制50℃，且电池组进出口水管温差能够满足温度限制需求。综合仿真分析结果，电池组的热管理系统仿真结果满足使用要求。

5.2电机及电机控制器热管理系统的仿真分析

根据电机以及电机控制的特性参数，建立其热管理系统回路的一维仿真模型。根据仿真分析的结果，在不同环境温度下的电机和电机控制器平衡温度如图20和图21所示。

关于电机和电机控制器在常用环境温度的平衡温度如表3。

表3环境温度30℃、35℃和40℃下电机和电机控制器平衡温度

根据电机控制器的需求为进水口温度不大于65℃，由表3的数据表明，电机控制器能满足在环境温度40℃以下正常工作。电机的需求为进水口温度不大于75℃，表3的数据表明，环境温度在40℃时，电机的进水口温度为75.48℃，略高于需求温度。综合仿真结果，电机及电机控制器的热管理系统在35℃环境温度下能满足需求。按照电池组和电机及电机控制器热管理系统的方案设计，E100T纯电动宽体矿车已经运营了近三年时间，运营期间其具有作业效率高、爬坡能力大、运输量大和转弯半径小等优点，能在比较恶劣的环境工况下工作，具有很强的实用性和适应性。而且热管理系统未出现异常现象，从而也验证了匹配的热管理系统满足整车的需求。

6结论

通过对E100T纯电动宽体矿车热管理系统的匹配设计和仿真分析，并进行了试验验证。结果表明，该热管理系统的匹配设计满足E100T纯电动宽体矿车在恶劣工况下使用要求，并能有效保证E100T纯电动宽体矿车行驶过程的安全性和可靠性。通过流体仿真软件在热管理系统匹配中的应用，可以减少样车试验的周期和资金投入，同时对提高产品的设计质量具有现实意义。