一种基于FSEC的整车冷却系统及其控制方法

一种基于fsec的整车冷却系统及其控制方法
技术领域
1.本发明属于新能源电动汽车技术领域，具体地说，尤其涉及一种基于fsec的整车冷却系统和基于fsec的整车冷却系统的控制方法。


背景技术：

2.对于电动方程式赛车而言，良好的整车冷却系统是发挥出赛车性能的关键。在fsec的“耐久赛”、“高速避障”等动态比赛中，赛车在高速行驶过程会产生大量热量，这是fsec的整车冷却系统必须面对的考验。电动方程式赛车的主要热量来源有电机、电机控制器、电芯模组、dcdc等。它们对工作温度要求十分苛刻，尤其是电机控制器igbt，当其工作温度达到125℃就没有扭矩输出。任何部分冷却出现问题都会导致赛车性能不能充分发挥。国内大多数大学生电动方程式赛车的整车冷却仅是简单的冷却系统，靠转速不变的水泵推动水流、赛车行驶时产生气流和电池pack里恒定转速的风扇实现散热目的。这虽然能实现部分散热需求，但由于水泵和风扇一直处恒定转速，不利于赛车电池pack的续航(fsec电动方程式注重轻量化，故电池pack的电量都是为恰好跑完耐久赛而设定的)，故而需要一种转速可调的水泵和风扇分别加快水流循环速度和提升散热性能，所述水泵和风扇可根据散热量大小自动调节转速，为赛车正常行驶节约电量。因此一种优秀的fsec整车冷却系统及其控制方法对于大学生电动方程式赛车是十分重要且必要的。
3.中国专利申请号cn202111424184.0，公开了一种按需调节冷却风扇启停的整车热管理系统，包括：车速传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第一压力传感器、第二压力传感器和油门踏板位置传感器均通过使用can总线与车辆的ecu连接，同时可以实现控制风扇转速的pwm控制器，接收来自ecu的命令信号后，对冷却风扇的工作状态进行可控调节。本发明还公开了一种按需调节冷却风扇启停的整车热管理系统的控制方法，通过调节冷却风扇开合状态和转速，调整车辆机舱风冷系统的进风量，控制发动机出水温度、冷却系统的散热器和汽车空调系统的冷凝器始终保持在工作条件的允许范围，保证车辆的安全性、可靠性。但是该发明专利不适用于电动方程式赛车，原因如下：首先，该发明专利的实施成本对于fsec来说较高，fsec比赛要求大学生电动方程式赛车具有良好的经济性、动力性和轻量化的特征，而该发明专利需要采集的传感器信息太多，这不利于大学生电动方程式赛车的经济性、动力性和轻量化的特点；其次，该发明专利适用于有发动机和空调系统的燃油汽车，而电动方程式赛车的动力源为电动机和动力电池且没有空调系统，显然该发明专利对于电动方程式赛车不再适用；再次，该发明专利不包括电机水套设计和散热器选型设计过程，不适用于大学生电动方程式赛车；最后，该发明专利不包括水泵转速的调节，不能对冷却系统的冷却剂循环速度加以控制，不适用于大学生电动方程式赛车。


技术实现要素：

4.本发明的目的是设计开发了一种基于fsec的整车冷却系统，其包含电机水套的设计、散热器参数选取和冷却风扇和水泵转速的可控调节等环节。其中冷却风扇和水泵转速
的可控调节通过多个温度传感器和直流电机驱动模块与单片机相配合实现。
5.本发明还设计开发了一种基于fsec的整车冷却系统的控制方法，通过整车实时的温度(包括电机控制器igbt、电机、电芯温度等)与设定温度值比较，控制冷却风扇和水泵的开合状态和转速，使电机控制器、电机、电芯等器件保持在较佳工作环境，保证车辆的安全可靠。
6.为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：
7.依据本发明的一个方面，提供了一种基于fsec的整车冷却系统，包括：电机和电机控制器冷却回路和电芯冷却回路。
8.所述电机和电机控制器冷却回路包括：电机控制器igbt、永磁同步电机、电机控制器冷却板、电机水套、散热器、调速风扇、调速水泵、温度传感器。其中，所述电机控制器密切贴合电机控制器冷却板，并在结合出涂抹导热硅脂。所述电机控制器冷却板由一个由6060-t6铝合金制成的散热器和一个集成的冷却通道组成，热量通过流经冷却板的水散失。所述永磁同步电机紧密嵌入电机水套，并在缝隙处涂抹结构胶，保证结合的强度和密封性。所述电机水套用散热性能较好的尼龙材3d打印，选取水流阻力较小的内螺旋型水道。所述散热器为铝带散热器，其中散热带宽度为8mm，冷却管为双排十二层，散热器外部与调速风扇相连接。所述调速风扇的中心轴与散热器中心重合，对散热器进行强制散热。所述调速水泵推动水流快速循环。所述温度传感器用来分别测量电机控制器igbt和电机温度，将温度信息传输给单片机，进一步地，控制调速风扇和调速水泵转速。
9.所述电机控制器冷却板的出水口与电机水套入水口连接，所述电机水套出水口与散热器入水口连接，所述散热器出水口与调速水泵入水口连接，所述调速水泵出水口与电机控制器冷却板入水口连接，形成回路，最终电机控制器igbt和永磁同步电机产生的热容经过电机和电机控制器冷却回路被消耗。
10.优选地，选用耐弯性好的塑胶管结合轻便的铝管来构成所述冷却回路。
11.优选地，在弯折处选用角度大于等于90
°
的转接口，减小水流阻力。
12.所述电芯冷却回路包括：电芯模组、温度传感器、调速风扇。其中，所述电芯模组由多块电芯通过串并联方式连接，电芯与电芯间隔排列，之间留有5mm通风缝隙。所述温度传感器用来测量电芯温度，将温度信息传输给单片机，进一步，控制调速风扇转速，最终将热容导出外界。所述调速风扇可选取根据电芯模组的温差或电芯最高温度进行调速散热。
13.优选地，所述电机、电机控制器igbt冷却回路和电芯冷却回路所采用的温度传感器皆为温敏传感器。
14.优选地，所述电芯模组温敏传感器设置在电芯极耳的固定螺栓上，每隔3串电芯放置一个温敏传感器，能有效测量电池pack33％的电芯温度。
15.优选地，所述电芯模组外壳采用散热良好的尼龙材料打印，并且外壳侧面留有散热通道。
16.需要说明的是，单片机采用pwm技术控制所述调速水泵、调速风扇。利用pwm技术控制各个执行器，可降低电量损耗，延长电池pack的续航。
17.依据本发明的另一个方面，提供了一种基于fsec的整车冷却系统的控制方法，应用于如上所述的整车冷却系统，包括：
18.在赛车进行短距离或低强度行驶过程中，所述fsec整车冷却系统开始工作，风扇
和水泵低速运行。
19.例如在进行fsec动态比赛的“直线加速”或者“8字绕环”时，一般情况，赛车的行驶时间都不会太久。此时风扇和水泵的转速较慢。风扇和水泵的转速根据散热需求自动调整。
20.在赛车进行长距离或高强度行驶过程中，所述fsec整车冷却系统开始工作，风扇和水泵高速运行。
21.例如在进行fsec动态比赛的“耐久赛”或者“高速避障”时，由于“耐久赛”要求赛车跑完21km里程，而“高速避障”要求赛车高强度的运行，对赛车的散热要求十分高，此时风扇和水泵的转速较快。
22.若要完成“耐久赛”，需要合理分配电池pack电量使用，此过程中，所述整车冷却系统的控制方法开始发挥作用。比赛刚开始赛车行驶时间较短，一般情况，赛车关键器件温度还未上升，风扇和水泵转速都较低；赛车行驶时间较长时，一般情况，赛车关键器件温度会逐步上升。单片机检测到关键器件处温度上升后便会通过pwm技术控制直流电机驱动模块，使得风扇和水泵转速上升，加强散热。当单片机检测到温度降低一定值后便会通过pwm技术控制直流电机驱动模块，使得风扇和水泵转速下降，节约电量。通过不断调整风扇和水泵转速，最终使温度维持在一个合理的范围。
23.本发明设计开发的一种基于fsec的整车冷却系统及其控制方法，其有益效果为：通过温度传感器、单片机和pwm直流电机驱动模块互相配合，有效管理整车热量，延长电池pack续航，以热仿真为基础，能够通过整车实时的温度(包括电机控制器igbt、电机、电芯温度等)与设定温度值比较，对风扇和水泵实时调速，保证了赛车行驶时的持久性、安全性、经济性和动力性，使得赛车综合性能和车手的驾驶技术能够充分发挥。
附图说明
24.图1为本发明所述实施例提供的整车冷却系统示意图；
25.图2为本发明所述电机控制器冷却板的冷却通道示意图；
26.图3为本发明所述电机水套的冷却通道示意图；
27.图4为本发明所述电机水套的电机截面与水道温度仿真图和总体温度梯度仿真图；
28.图5为本发明所述基于fsec的整车冷却系统控制逻辑示意图；
29.图6为本发明所述pwm占空比的原理示意图；
30.图7为本发明所述基于fsec的整车冷却系统的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
31.下面将结合示意图对本发明的基于fsec的整车冷却系统及其控制方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
32.如图1、图2、图3所示，本发明提供的一种基于fsec的整车冷却系统。包括：电机和电机控制器冷却回路和电芯冷却回路。
33.电机和电机控制器冷却回路包括：电机控制器igbt、永磁同步电机、电机控制器冷
却板、电机水套、散热器、调速风扇、调速水泵、温度传感器。值得注意的是图1的电机和电机控制器冷却回路只描述了一个简化的模型，实际上回路里可以包含多个调速水泵、散热器、永磁同步电机和电机水套等。电机和电机控制器冷却回路中，电机控制器igbt和永磁同步电机都是主要的发热器件，且其对工作环境温度要求比较高，是电机和电机控制器冷却回路的主要冷却对象。所述电机控制器精确贴合电机控制器冷却板并在结合出涂抹导热硅脂，保证电机控制器散热要求。所述电机控制器冷却板由一个由6060-t6铝合金制成的散热器和一个集成的冷却通道组成，热量通过流经冷却板的水散失。电机控制器冷却板冷却通道如图2所示。优选地，图2冷却通道的位置分布对应igbt的实际位置，能充分带走igbt产生的热容。
34.所述永磁同步电机紧密嵌入电机水套并在缝隙处涂抹结构胶，保证结合的强度和密封性。所述电机水套用散热性能较好的尼龙3d打印。电机水套冷却通道如图3所示。
35.优选地，电机水套的冷却通道选取水流阻力较小的内螺旋型水道。
36.值得说明的是电机产生的热损耗是由功率损耗pv产生的，为满足所采用永磁同步电机的散热要求：冷却剂温度不允许超过最大允许入口温度40℃、最小流量必须为2l/min、冷却剂最大温度增幅必须小于5℃，故水套的设计过程如下：
37.catia建立冷却系统中电机和水套的三维模型。
38.在anysy fluent中导入建立好的三维模型，经过流体域创建、网格划分、fluent前处理、边界条件的建立等步骤。
39.fluent前处理包括：打开能量方程和湍流，建立稳态热分析。导入和建立材料，流体设置为液态水，考虑到水套的加工难度和加工费用，故采用3d打印，材料为pa12，电机材料为steel，表格1为所用到材料的属性。
40.表格1材料属性
[0041][0042]
首先进行流体固体赋予材料，建立热源，电机的发热功率根据实际工况下得到，优选地，取转速在12000rpm扭矩10.4nm下的发热功率1893.4w，热源单位为w/m3，电机体积0.0008m3，得到发热功率为2366750w/m3。
[0043]
然后进行边界条件建立，其包括：设置速度型进口，根据水泵手册：24v水泵最小流速5l/min，符合要求的2l/min，根据流体区域的尺寸，螺旋管路内直径9mm，进口温度设置为20℃；设置压力型出口，水套与空气接触的wall设置为与空气自然对流，对流换热系数15w/(m2·
k)，外界温度设置为25℃；求解方法simple算法，为了提高精度，动量、湍动量和湍动能耗散率都选择二阶迎风格式，松弛因子默认设置，残差默认0.001。对流场初始化后，设置
迭代步数为1000步，计算到240步收敛。
[0044]
其次进入后处理，生成电机整体温度云图和流道流速云图，对比最高温度和流速，选出冷却效果和流速均衡的模型。
[0045]
最后得出仿真结果。电机截面与水道温度仿真图、总体温度梯度仿真图，如图4所示。
[0046]
结果显示温度增幅1.4k小于要求5k，该模型满足电机散热需求，符合设计要求。
[0047]
所述散热器为铝带散热器。优选地，散热带宽度为8mm，冷却管为双排十二层，散热器外部与调速风扇相连接。所述调速风扇的中心轴与散热器中心重合，对散热器进行强制散热。所述调速水泵推动水流快速循环。
[0048]
值得说明的是散热器参数选取过程：
[0049]
电机发热功率按其总功率的5％计算。根据fsec赛事规则，电机的最大功率为80kw，故取电机的发热功率为4kw。根据逆变器产品说明书，单个模块额定输出功为25kw，效率为98％，故逆变器发热功率为2kw。电机和电机控制器总发热功率为6kw。
[0050]
以上发热功率都需通过散热器消耗至外界，由散热器散热面积计算公式：其中，f为散热面积，单位为m2；q
ω
为散发热功率，单位为kw；为散热器贮备系数，水垢及油泥影响等，一般δtm为冷却水与空气的平均温差，取26℃；其中，α
ω
为从冷却水到散热器壁的放热系数，当冷却水流速为0.2～0.6m/s时，α
ω
约为2000～3500kcal/(m2·h·
℃)，取3500kcal/(m2·h·
℃)；λ
α
散热管导热系数，纯铝导热系数为230w/(m
·
k)，换算为197.8kcal/(m2·h·
℃)；δ
α
为散热管壁厚，取0.0002m；α
l
为散热管到空气的散热系数，当流过散热管的空气流速为10～20m/s时，α
l
＝60～105kcal/(m2·h·
℃)，取105kcal/(m2·h·
℃)，计算得出需求的散热面积为1.9457m2。
[0051]
根据以上需求的散热面积进行散热器选型及设计：
[0052]
s＝k{[2(a-b) πb]
·
(l 6～8)
·m·
n 4a
·b·z·
(n 1)}/106[0053]
s为散热器散热面积，单位为m2；k为散热面积系数，对大水箱k＝1.1，对小水箱：k＝1.05；a为冷却管长度，单位：mm；b为冷却管宽度，单位：mm；l为主片间距，单位：mm；m为冷却管排数；n为冷却管层数；a为散热带峰值，单位：mm；b为散热带宽度，单位：mm；z为散热带波峰数，z＝l/波峰距，取波峰距为2mm。
[0054]
本发明中选用的标准：冷却管外形尺寸a
×
b＝22mm
×
2mm，m＝2(排)，n＝12(层)，a＝22mm，b＝8mm，l＝160mm，k＝1.05，计算得出理论散热面积为0.9635m2。本发明中包含三个大小相同的散热器，总散热面积为3
×
0.9635m2＝2.8905m2，大于需求的散热面积1.9457m2。
[0055]
实际应用发现，散热器散热面积和水量满足实际散热要求。
[0056]
所述温度传感器用来分别测量电机控制器igbt和电机温度，将温度信息传输给单片机，进一步地，控制调速风扇和调速水泵转速。优选地，温度传感器选取温敏电阻，电机中
温敏电阻紧贴绕组放置；电机控制器中温敏电阻出厂设置在igbt内部。
[0057]
所述电机控制器冷却板的出水口与电机水套入水口连接，所述电机水套出水口与散热器入水口连接，所述散热器出水口与调速水泵入水口连接，所述调速水泵出水口与电机控制器冷却板入水口连接，形成回路，如图1所示。优选地，选用耐弯性好的塑胶管结合轻便的铝管来构成所述冷却回路。优选地，在弯折处选用角度大于等于90
°
的转接口，减小水流阻力。最终电机控制器igbt和永磁同步电机产生的热容经过电机和电机控制器冷却回路被消耗。
[0058]
所述电芯冷却回路包括：电芯模组、温度传感器、调速风扇。其中，所述电芯模组由多块电芯通过串并联方式连接，电芯与电芯间隔排列，之间留有5mm通风缝隙。所述温度传感器用来测量电芯温度，将温度信息传输给单片机，进一步，控制调速风扇转速，最终将热容导出外界。所述调速风扇可选取根据电芯模组的温差或电芯最高温度进行调速散热。如图1所示。
[0059]
优选地，所述电芯模组所采用的温度传感器为温敏传感器。
[0060]
优选地，所述电芯模组温敏传感器设置在电芯极耳的固定螺栓上，每隔3串电芯放置一个温敏传感器，能有效测量电池箱33％的电芯温度。
[0061]
优选地，所述电芯模组外壳采用散热良好的尼龙材料打印，并且外壳侧面留有散热通道。
[0062]
在本实施例中，单片机采集到电机控制器igbt、永磁同步电机和电芯模组的温度信息，经过判断后单片机输出pwm信号给pwm直流电机驱动模块，由pwm直流电机驱动模块控制调速风扇和调速水泵开合状态与转速，如图5所示。利用pwm技术控制各个执行器，可降低损耗，延长电池pack的续航。pwm占空比原理示意图，如图6所示。占空比为脉宽时间在一个周期内的占比，通过调节pwm占空比即可改变输出不同的控制电压信号。
[0063]
本实施例描述的一种基于fsec的整车冷却系统的有益效果为：通过多个温度传感器和直流电机驱动模块与单片机相配合，能够实现实时采集大学生电动方程式赛车温度信息，由单片机输出pwm信号，经过直流电机驱动模块对调速风扇和调速水泵的控制实现智能调节转速的功能，有效管理整车热量，延长电池pack续航。
[0064]
如图7所示，依据本发明的另一个方面，提供了一种基于fsec的整车冷却系统的控制方法，应用于如上所述的整车冷却系统，包括：
[0065]
在赛车进行短距离或低强度行驶过程中，所述fsec整车冷却系统开始工作，风扇和水泵低速运行。
[0066]
例如，在进行fsec动态比赛的“直线加速”或者“8字绕环”时，一般情况，赛车的行驶时间都不会太久。此时风扇和水泵的转速较慢。风扇和水泵的转速根据散热需求自动调整。
[0067]
在赛车进行长距离或高强度行驶过程中，所述fsec整车冷却系统开始工作，风扇和水泵高速运行。
[0068]
例如，在进行fsec动态比赛的“耐久赛”或者“高速避障”时，由于“耐久赛”要求赛车跑完21km里程，而“高速避障”要求赛车高强度的运行，对赛车的散热要求十分高。此时风扇和水泵的转速较快。
[0069]
若要完成“耐久赛”，需要合理分配电池pack电量使用，此过程中，所述整车冷却系
统的控制方法开始发挥作用。比赛刚开始赛车行驶时间较短，一般情况，赛车关键器件温度还未上升，风扇和水泵转速都较低；赛车行驶时间较长时，一般情况，赛车关键器件温度会逐步上升。单片机检测到关键器件处温度上升后便会通过pwm技术控制直流电机驱动模块，使得风扇和水泵转速上升，加强散热。当单片机检测到温度降低一定值后便会通过pwm技术控制直流电机驱动模块，使得风扇和水泵转速下降，节约电量。通过不断调整风扇和水泵转速，最终使温度维持在一个合理的范围。
[0070]
另外，实际实验过程中发现赛车在行驶时难免会失去动力。根据失效模式分析，发现电机无动力的原因大部分是电机控制器igbt过热导致的降功率输出，其次是电芯过热导致的掉电。
[0071]
为了应对上述情况，有以下判断流程：
[0072]
当电机无动力时，判断电机控制器igbt是否过热，若过热，单片机则通过pwm控制直流电机驱动模块对风扇和水泵转速进行调节；若不是电机控制器igbt温度过热则判断电芯是否过热。若电芯过热使bms报警，单片机则通过pwm控制直流电机驱动模块对风扇和水泵转速进行调节；若不是电芯过热，则讨论其他原因。
[0073]
本实施例描述的一种基于fsec的整车冷却系统控制方法的有益效果为：以热仿真为基础，能够通过整车实时的温度(包括电机控制器igbt、电机、电芯温度等)与设定温度值比较，控制冷却风扇和水泵的开合状态和转速，保证赛车行驶时的持久性、安全性、经济性和动力性，使得赛车综合性能和车手的驾驶技术能够充分发挥。
[0074]
以上所述的是本发明的优选实施方式，应当指出对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明所述的原理前提下还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也在本发明的保护范围内。