复合动力车辆冷却系统仿真模型建立.docx

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复合动力车辆冷却系统仿真模型建立

复合动力车辆冷却系统仿真模型建立

摘要

复合动力车辆动力系统，除传统内燃机外还包含动力分配模块、电力电子/电池模块等，车辆走行时各模块进行运转皆会产生热量，产生之热量必须透过冷却系统进行散热，以确保系统能正常运作，透过仿真模型可快速修改冷却回路设计参数，并可仿真系统于不同工况下运转情形，快速了解系统热交换情形，进而确认组件优化设定值，以提高工作效率，缩短开发时程，有效降低成本。

关键词

复合动力、发动机、冷却系统、热量、优化

1.前言

因应温室效应及空污等相关环保议题及各国不断加严的油耗、排污法规，使得节能减碳为目前各大车厂重要需解决问题。

世界各大车厂皆以改善油耗、减少排污为目标，在现有发动机为基础下上不断寻求改善方案，开发出更卓越的技术以对应法规的要求，并改善排放污染的问题。

使用新能源或复合动力是达到节能减碳的快速方法，插电式复合动力车辆（PHEV，Plug-inHybridVehicle），就是其中一种。

插电式复合动力车辆（PHEV），主要在车辆上安装电池模块让车辆可以于短程行驶时使用，复合动力车上另配置有发动机及增程系统故当车辆需要长途行驶时仍可像传统汽油车一样畅行无阻。

不论是传统发动机车辆或是复合动力车辆，系统做动时皆会产生热量，在高温的工况下热会影响系统组件作动效率及使用寿命，为确保系统能在各工况下正常做动，冷却系统的设计是相当重要的一环工作。

SimcenterAmesim软件内建液压、气压等各式具模块组件库，可用来快速搭建冷却系统仿真模型，透过仿真模型可直接进行系统参数的设定及调整，并可搭配优化工具，进行设计参数优化，对冷却系统设计来说是非常有效率的工具。

2.复合动力车辆冷却系统仿真模型建立

复合动力车辆冷却系统涵盖范围包含：

（1）发动机冷却回路、

（2）空调系统冷却回路、（3）动力分配模块冷却回路、（4）电力电子/电池模块冷却回路，复合动力系统运作时，不论是发动机、动力分配总成、电力电子/电池模块等皆会产生热量，为确保各回路皆能正常运作，冷却系统的设计是相当重要的，冷却系统主要功能就是针对上述回路进行温度控制，以确保组件皆能维持正常工作温度，不会过热，以让复合动力车辆发挥最高效率。

本文主要针对复合动力冷却系统仿真模型建立方法进行说明，主要探讨范围为：

（1）动力分配模块冷却回路，

（2）电力电子/电池模块冷却回路，透过SimcenterAmesim工具软件进行复合动冷却系统仿真模型搭建，以快速确认冷却系统设计是否可满足需求及找出冷却系统优化方案。

2.1.发动机冷却回路模型

复合动力车辆所搭载发动机为一般传统发动机，其冷却回路包含：

水泵、水套、节温器、水箱等组件，发动机在复合动力车辆中主要功能为高车速时作为主要动力源，在中、低车速则用来带动同轴发电机（ISG）进行发电，对电池回充，确保电池SOC（StageofCharge）处于电量足够的状态。

发动机冷却回路仿真模型搭建系利用IPF-Engien组件库件进行搭建，搭建时依据发动机实际物理模型搭建，将其冷却回路依序利用等校模搭建完成，最后再与其他冷却回路连结，如图

（1）所示为发动机冷却系统模型。

图

（1）发动机冷却系统模型

2.2.动力分配模块冷却模型

动力分配模块内含：

驱动马达（TM）、同轴发电机（ISG）、齿轮系统、离合器系统等，其中ISG承接发动机动力进行发电以维持整车电量平衡，TM则是作为车辆驱动源，齿轮系统则让发电机与马达以最适合齿比运作，ISG/TM作动模式则是透过离合器及液压系统进行动力模式切换，不论ISG或TM车辆走行时皆会整生热量，透过动力分配模块内部液压油（ATF）带走热量，在流至外却器进行热交换，以确保动力分配模块内部所有组件皆能维持正常工作温度。

如图

（2）所示，为动力分配模块冷却回路示意图。

动力分配模块冷却回路仿真模型，主要发热源包含：

ISG本体、TM本体及离合器（C0离合器、C1离合器）、外部冷却器。

ISG/TM仿真模型暂不考虑转子与静子之间细部热交换，将转子/静子视为同一热质量块，模型中计算发热量后再透过热交换组件与模块内部液压油进行热交换，如图（3）所示为ISG/TM热交换模型。

图（3）ISG/TM热交换模型

离合器仿真模型包含：

C0离合器及C1离合器两个发热源，仿真模型搭建时将C0离合器、C1离合器各视为一热质量块，串接在回路中透过热交换组件与模块内部液压油进行热交换，如图（4）所示为离合器热交换模型。

图（4）离合器热交换模型

外部冷却器主要功能是让液压油与外部空气进行热交换，以确保液压油温度维持正常工作温度，外部冷却器仿真模型是使用”heatflowratecalculation”组件进行模型连接，一端与动力分配模块油路回路连接，一端输入外部热交换介质连接（空气）以进行热交换并将热交换效率分布图输入模型中，如图（5）所示为外部冷却器仿真模型。

G功率/效率对应之转速及扭力关系图进行计算，如图（7）所示为ISG驱动器仿真模型。

2.3.电力电子/电池模块冷却回路模型

外部冷卻器

电力电子/电池模块冷却回路包含：

马达驱动器（MCU）、OBC、DCDC、电池组等组件，其回路示意图如图（6）所示。

图（6）电力电子/电池模块示意图

电子组件作动时会产生热量，若无法维持电子组件处于正常工作温度，控制系统会降低输出效能，甚至导致组件损坏。

电力电子/电池模块回路主要发热源包含：

（1）OBC/DCDC模块、

（2）ISG驱动器、（3）TM驱动器（4）电池本体，仿真模型搭建先依序完成上述发热源发热量计算，将发热量传递至等效热质量块上，再依实际物理模型布置状况进行仿真模型链接。

ISG驱动器仿真模型，发热量计算系用IS

图（7）ISG驱动器仿真模型

TM驱动器仿真模型，发热量计算系用ITM功率/效率对应之转速及扭力关系图进行计算，如图（8）所示为TM驱动器仿真模型电池本体仿真模型，透过电池输出电压/电流进行发热量计算，发热量再传至热质量块进行热交换，如图（9）所示为电池模块仿真模型。

图（8）TM驱动器仿真模型

图（9）电池模块仿真模型

3.仿真模型标定

仿真模型可快速提供系统反应变化趋势，协助快速解决系统问题，但仿真模型，需透过实际的标定测试来完成模型标定，以提高模型的准确性。

标定测试主要让系统于固定工况，透过外部感知器进行系统温度/压力/流量等数据量测，再反馈至仿真模型中进行结果比对，若结果有差异则可调整模型中测定参数，以使模型计算结果能与标定测试结果相符。

3.1.动力分配模块模型标定

动力分配模块仿真模型标定，系将系统量测之油温、油压及流量数据反馈至模型中来完成标定，以图（10）为例，为外部冷却器进/出油温比对结果，图（11）为ISG/TM本体温度比对结果。

图（10）外部冷却器进/出油

图（11）ISG/TM本体温度比对结果

3.2.电力电子/电池模块模型标定

电力电子及电池模块模型标定，即在电力电子/电池回路中架设温度/压力/流量感知器，量测系统作动时输出，再将标定测试结果反馈至仿真模型中进行比对，若结果有差异，则在仿真模型中进行参数调整，如图（12）所示，为电子电力/电池回路中水泵标定测试与仿真结果相较图。

图（12）电子电力/电池回路水泵输出

电力电子回路除除关注水泵外，回路中主要组件进/出口温度、压力也是关注重点，如图（13）所示，为回路各观测点压力量测与仿真模型计算结果标定结果图。

图（13）压力标定结果比对

电池回路中另外关注重点为电池温度变化及回路冷却液压降现象，系统作动时需确保电池温度低于设计规范值，如图（14）、（15）分别为电池进/出口温度、压力标定结果图。

图（14）电池进/出口温度标定结果

图（15）电池进/出口压力标定结果

仿真模型完成标定后，准确性提高，后续可利用该仿真模型进行系统优化及设变前估算，有效提供工作效率，缩短开发时程。

4.仿真模型灵敏度分析

仿真模型完成后，可于模型中选定关键参数进行灵敏度分析，可找出影响系统效率的关键因子，进而完成系统优化设计。

以水泵为例，可以将水泵控制讯作为关键因子进行灵敏度分析，先在AMESim模型中选定输入/输出参数，设定完成后再与优化工具OPTIMUS进行连结，将模拟结果传递到OPTIMUS工作环境中求解。

图（15）所示为在OPTIMUS环境下设定不同水泵控制讯号，相关输出结果，由图（16）为水泵灵敏度分析计算结果，由结果中可发现水泵控制讯号越高输出流量越多，回路组件温度越低。

灵敏度分析找出关键因子后，再回馈至仿真模型中确认，找出最佳解，最后以实际系统进行验证测试，缩短开发时程，提高工作效率。

图（16）水泵灵敏度分析计算结果

5.结果与建议

利用AMESim搭建之复合动力车辆冷却系统仿真模型，可直接于仿真模型中进行各种工况仿真，可了解各组件对系统的影响状况，亦可清楚了解系统热量传递状况，搭配优化分析工具OPTIMUS亦可找出系统关键设计参数，以完成优化设计，提高工作效率，所短开发时程，有效降低成本。