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增程式电机控制器高效热分析与研究
2021-11-03 22:47:47· 来源：电动学堂 作者：万光前等
文章来源：山推工程机械股份有限公司随着柴油机排放法规的日趋严格，工程机械纯电动化已成为行业未来的一个发展趋势。纯电动工程机械的核心部件是电机电控系统及
文章来源：山推工程机械股份有限公司
随着柴油机排放法规的日趋严格，工程机械纯电动化已成为行业未来的一个发展趋势。纯电动工程机械的核心部件是电机电控系统及动力电池系统，这两个系统的运行质量直接影响电动设备的动力性、可靠性等性能参数。系统温度是决定电机电控系统及动力电池系统运行质量的关键因素，动力电池温度过低会影响电池放电功率和安全性，温度过高会严重影响动力电池寿命和稳定性。采用热管理系统控制动力电池温度处于最佳温度范围，不仅有利于提高电池的续航能力，还有利于提高动力电池的使用寿命。电机电控系统温度过高会造成控制器热击穿、电子元件损坏、电机输出限制等故障。一个好的热管理系统是多个系统耦合的复杂系统，包含电机电控及动力电池热管理系统、整机液压系统热管理系统。此外，商品化的纯电动工程机械还要配置驾乘环境热管理系统，该系统目前已有成熟的商业化解决方案，本文不做论述。
1 纯电动推土机热管理系统介绍
纯电动推土机以传统柴油动力推土机为基础设计，保留推土机原有各项功能，将动力源与动力传动装置进行替换：动力电池组替换柴油机，驱动电机及控制器替换变矩器变速箱等部件，液压泵由分动箱驱动变为电机驱动。本文涉及产品电机电控、动力电池系统的配置明细为：驱动电机及控制器2组，液压泵驱动电机（下文简称液压电机）及控制器1组，动力电池1组。动力源及动力传动装置的变更必然引起整机热管理系统的适应性变化，同时新增电气元件的适合工作温度范围也大不相同，详见表1。因此，应统筹考虑纯电动推土机各子系统温度要求设计整机热管理系统。
随着柴油机排放法规的日趋严格，工程机械纯电动化已成为行业未来的一个发展趋势。纯电动工程机械的核心部件是电机电控系统及动力电池系统，这两个系统的运行质量直接影响电动设备的动力性、可靠性等性能参数。系统温度是决定电机电控系统及动力电池系统运行质量的关键因素，动力电池温度过低会影响电池放电功率和安全性，温度过高会严重影响动力电池寿命和稳定性。采用热管理系统控制动力电池温度处于最佳温度范围，不仅有利于提高电池的续航能力，还有利于提高动力电池的使用寿命。电机电控系统温度过高会造成控制器热击穿、电子元件损坏、电机输出限制等故障。一个好的热管理系统是多个系统耦合的复杂系统，包含电机电控及动力电池热管理系统、整机液压系统热管理系统。此外，商品化的纯电动工程机械还要配置驾乘环境热管理系统，该系统目前已有成熟的商业化解决方案，本文不做论述。
1 纯电动推土机热管理系统介绍
纯电动推土机以传统柴油动力推土机为基础设计，保留推土机原有各项功能，将动力源与动力传动装置进行替换：动力电池组替换柴油机，驱动电机及控制器替换变矩器变速箱等部件，液压泵由分动箱驱动变为电机驱动。本文涉及产品电机电控、动力电池系统的配置明细为：驱动电机及控制器2组，液压泵驱动电机（下文简称液压电机）及控制器1组，动力电池1组。动力源及动力传动装置的变更必然引起整机热管理系统的适应性变化，同时新增电气元件的适合工作温度范围也大不相同，详见表1。因此，应统筹考虑纯电动推土机各子系统温度要求设计整机热管理系统。
为保证热交换效率，电机电控及动力电池均采用配比为50%纯水+50%乙二醇的长效防冻液作为冷却介质，并采用强制冷却模式。冷却介质与被冷却元件实现热交换后最终经风冷冷却器实现向外界环境散热。液压油也通过风冷冷却器向环境散热。综合考虑各元件温度需求，将电机电控风冷单元及液压油风冷单元集成为复合散热器，采用电子风扇进行冷却。由于动力电池温度范围要求严格，传统风冷方案已无法满足需求，因此采用商业化程度较高的BTMS进行冷却。根据温度要求，本文将电机电控及液压油热管理系统定义为高温热管理系统，将动力电池热管理系统定义为低温热管理系统。
2 高温热管理系统设计
2.1 高温热管理系统结构布置
系统采用水冷单元与油冷单元集成，水冷各分支并联，控制器与电机串联的总体布置方案，总体布置如图1所示。相比电机而言，控制器需求温度较低，串联时将控制器布置在前侧，冷却液先经过控制器再进入电机进行冷却。设计时要通过调节管路长度、增加节流装置等手段调控水冷各分支的流阻，避免出现因流量差异导致的换热不均衡现象。
2 高温热管理系统设计
2.1 高温热管理系统结构布置
系统采用水冷单元与油冷单元集成，水冷各分支并联，控制器与电机串联的总体布置方案，总体布置如图1所示。相比电机而言，控制器需求温度较低，串联时将控制器布置在前侧，冷却液先经过控制器再进入电机进行冷却。设计时要通过调节管路长度、增加节流装置等手段调控水冷各分支的流阻，避免出现因流量差异导致的换热不均衡现象。
复合散热器集成多个电子风扇及控制器，在水冷单元及油冷单元出口处安装温度传感器，控制器分析水温及油温后按照既定控制策略向风扇发送指令，调控风扇转速或控制多个风扇的开闭，使防冻液和液压油处于设定的温度范围，同时还可以取得可观的节能效果。
2.2 水冷系统计算
设计使用最高环境温度为45℃。根据管路及各电子元件流阻值确定电子水泵流量为45L/min。则系统总散热功率Qw表达式为
式中Qw——系统总散热功率；Qw1——驱动电机散热功率，取4kW；Qw2——电机控制器散热功率，取3.5kW；Qw3——液压电机散热功率，取3.6kW；n——安全系数，取1.1。
带入各项数值得系统总散热功率为24.3kW。
计算时设定水冷单元入口温度为65℃，计算整个系统温度降Δtw，确定水冷单元出口温度。
式中Qw——系统总散热功率，取24.3kW；
Vw——冷却液循环流量，取45L/min；
rw——冷却液密度，近似取1000kg/m3；
Cw——冷却液比热，近似取4.187kJ/kg℃。
带入数值计算得系统温度降为7.74℃，满足控制器入口温度要求。用式(2)计算校验水冷各分支温升，满足设计要求。
2.3 油冷系统计算
设计使用最高环境温度为45℃，系统理论散热功率12kW，取安全系数1.1，计算输入确定为13.2kW。计算时设定油冷单元入口温度为80℃，计算确定液压油温度降Δtw，确定油冷单元出口温度。
式中Q0——系统总散热功率，取13.2kW；V0——液压油循环流量，取17L/min；r0——液压油密度，近似取875kg/m3；C0——液压油比热，近似取2.094kJ/kg℃。
带入数据计算得系统温降约为25.4℃，满足设计要求。
3 低温热管理系统设计
文中纯电动推土机采用8组电池作为动力源，电池组自带加热功能，选用单冷型BTMS即可，无需选用具有加热功能的冷暖型BTMS。目前商业化BTMS根据其制冷量不同分为5kW及8kW两种规格，具体设计过程中可根据电池组的热负荷特性选用相应规格的产品。
为保证各电池组冷却液流量均匀，且温度精确控制在适合范围内，电池组冷却管路采用2组电池串联，各电池冷却支路并联的布置形式，如图2所示。
Vw——冷却液循环流量，取45L/min；
rw——冷却液密度，近似取1000kg/m3；
Cw——冷却液比热，近似取4.187kJ/kg℃。
带入数值计算得系统温度降为7.74℃，满足控制器入口温度要求。用式(2)计算校验水冷各分支温升，满足设计要求。
2.3 油冷系统计算
设计使用最高环境温度为45℃，系统理论散热功率12kW，取安全系数1.1，计算输入确定为13.2kW。计算时设定油冷单元入口温度为80℃，计算确定液压油温度降Δtw，确定油冷单元出口温度。
式中Q0——系统总散热功率，取13.2kW；V0——液压油循环流量，取17L/min；r0——液压油密度，近似取875kg/m3；C0——液压油比热，近似取2.094kJ/kg℃。
带入数据计算得系统温降约为25.4℃，满足设计要求。
3 低温热管理系统设计
文中纯电动推土机采用8组电池作为动力源，电池组自带加热功能，选用单冷型BTMS即可，无需选用具有加热功能的冷暖型BTMS。目前商业化BTMS根据其制冷量不同分为5kW及8kW两种规格，具体设计过程中可根据电池组的热负荷特性选用相应规格的产品。
为保证各电池组冷却液流量均匀，且温度精确控制在适合范围内，电池组冷却管路采用2组电池串联，各电池冷却支路并联的布置形式，如图2所示。
设计过程中，要综合考虑高度差等因素，通过控制各分支管路长度、内径、走向等，保证各分支流阻及流量均衡。此外，要在合适的位置增加膨胀水箱，保证电池及BTMS的冷却液一次性注率及运行过程除气效果，必要时可使用2个膨胀水箱。其布置示例如图3所示。
此外，BTMS控制逻辑也是保证热管理系统精准运行的关键。BTMS检测实际水温，与设定的目标水温比对，确定工作模式后向执行单元发送指令，典型的工作模式如下。
1）关机模式除BTMS控制器外，其余部件均停止工作。
2）自循环模式BTMS控制器控制水泵循环，其余部件停止工作。
3）制冷模式根据采集温度控制BTMS风扇、压缩机的开闭。
4 结语
该热管理系统已完全可以满足纯电动推土机的工作要求，文中涉及的设计方法、布置方案对其它纯电动工程机械热管理系统设计具有一定的借鉴意义。后续还应在控制逻辑细化等方面开展研究工作，使纯电动工程机械热管理系统运行更精准、更节能。
1）关机模式除BTMS控制器外，其余部件均停止工作。
2）自循环模式BTMS控制器控制水泵循环，其余部件停止工作。
3）制冷模式根据采集温度控制BTMS风扇、压缩机的开闭。
4 结语
该热管理系统已完全可以满足纯电动推土机的工作要求，文中涉及的设计方法、布置方案对其它纯电动工程机械热管理系统设计具有一定的借鉴意义。后续还应在控制逻辑细化等方面开展研究工作，使纯电动工程机械热管理系统运行更精准、更节能。
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