基于GT-SUITE与Simulink的车辆驱动冷却系统联合仿真分析

康振华 李静

摘要：为降低纯电动汽车的能耗、提高电池的续航里程，联合GT-SUITE与Simulink搭建整车驱动冷却系统和动力系统模型，对某纯电动汽车的热平衡性能进行分析。在所考察工况及电子水泵最大转速条件下，冷却回路最高水温远低于系统设计的温度限值，存在优化空间。通过过程优化，寻找合适的电子水泵转速，在满足系统设计要求的同时，最大限度地减少能耗，为热管理系统控制策略的制定提供参考。

关键词：纯电动汽车;冷却系统;GT-SUITE;Simulink;参数优化

中图分类号：U464.138

文献标志码：B

文章编号：1006-0871（2019）02-0035-03

0 引 言

随着能源危机和环境污染问题日益严峻，为减少石油能源消耗、降低污染物排放，新能源汽车设计开发备受关注，大批新兴的新能源汽车开始上市。纯电动汽车依靠电池系统供电，由电机运转驱动传动系统为汽车提供动力，行驶过程无尾气排放，更加绿色环保，但其续航里程成为消费者的关注点之一。充分利用电能，降低整车能耗，提高动力经济性，可有效延长续航里程。在纯电动汽车运行过程中，电机、控制系统和电池系统都会产生热量，热量集聚会导致零件内部温度过高，工作效率降低，不仅会缩短零部件寿命，而且使汽车动力经济性下降。因此，整车热管理系统优化是节能降耗的有效途径之一。

数字仿真是整车热管理系统设计优化的有效工具。[1]准确的分析结果不仅可以指导零部件合理选型、优化系统设计，而且可以反向验证设计可行性，省去大量台架试验时间和费用，缩短验证周期，提高整车设计开发的效率。

1 驱动冷却系统性能仿真

采用GT-SUITE和Simulink进行联合仿真，对某纯电动汽车的整车驱动冷却系统进行热平衡性能分析和参数优化[2]，确定系统设计的可行性，同时为整车控制测量提供优化参数，以此降低热管理系统的能耗，提高整车动力经济性[3-4]。

1.1 驱动冷却系统简介

纯电动汽车驱动冷却系统主要由电机、电机控制器、DC/DC变换器、散热器、电子风扇、电子水泵和副水箱等组成，循环回路示意见图1。与传统燃油汽车发动机带动机械水泵不同，纯电动汽车使用电子水泵作为回路循环的动力源，将经过散热器冷却的防冻液送入发热零部件，对其进行冷却。该系统设计目标为：在任何工况下电机的出水口温度均不高于65 ℃。

1.2 模型建立

在GT-SUITE中搭建驱动冷却系统回路模型，并建立Simulink程序接口，以实现Simulink整车动力系统模型与GT-SUITE一维驱动冷却系统模型的耦合。[5]在GT-SUITE模型中设置边界条件，将车速和工况等信息输入给Simulink，Simulink据此计算各零部件在不同工况下的发热量，并将发热量信息反馈给GT-SUITE模型中的相关零部件。在GT-SUITE中根据发热量信息进行仿真计算，得到冷却系统的流量、压降和温度等性能参数。GT-SUITE与Simulink的联合仿真模型见图2。

1.3 仿真边界条件

分析车辆最高车速行驶、爬坡和NEDC等3种工况下冷却系统的热平衡性能，相关边界条件见表1，其中爬坡工况的坡度为6%。NEDC工况为瞬态工况，其车速变化曲线见图3，进风量变化曲线见图4。

2 仿真结果及参数优化

Simulink计算得到的各零部件发热量见表2。NEDC工况电机和电机控制器的发热量见图5和6。

利用Simulink得到各零部件发热量数据，在GT-SUITE中进一步分析回路中的温度，热平衡计算结果各参考点的水温见表3。由此可以看出：由于DC/DC变换器散热量不大，内部防冻液温度升高较小，电机控制器和电机的散热量相对较大;在整个回路中，电机出口处水温最高。NEDC工况的电机出口处温度变化曲线见图7，在整个NEDC工况中，系统最高水温为36.6 ℃。

由以上仿真结果可知：在电子水泵最大轉速时，该冷却系统设计方案满足设计要求，电机出口处水温低于65 ℃，且裕量较大。因此，利用GT-SUITE中的Optimization功能，设定电机出口防冻液最高温度为62 ℃，计算该工况下对应的电子水泵最小转速，见表4。考虑到实际行车工况，仅对最高车速行驶和爬坡工况进行优化。

在电子水泵最大转速时，对应系统流量下，原电子水泵消耗的功率约为70 W，优化后功率约为6 W，同比节能91.4%。将优化结果提交热管理控制系统标定工程师，有利于其快速确定标定工况点，节省标定时间，更高效地确定控制策略。

3 结 论

基于GT-SUITE与Simulink联合仿真，针对某纯电动汽车驱动冷却系统，对最高车速行驶、爬坡和NEDC工况下的热平衡性能进行分析，结果表明：在3种工况下，系统均能满足电机出口处水温低于65 ℃的设计要求，爬坡工况温度最高，约为58.6 ℃，优化空间较大。在GT-SUITE中进行参数优化，当设定电机出水温度不高于62 ℃时，最高车速行驶工况电子水泵转速设为2 365 r/min，爬坡工况电子水泵转速设为2 379 r/min即可。电子水泵转速越低，能耗越小。优化后的参数可为热管理系统标定提供参考，有助于合理确定系统控制策略。充分利用多种软件特点进行联合仿真，对系统设计和优化有很积极的作用。

参考文献：

[1] 姚仲鹏， 王新国. 车辆冷却传热[M]. 北京：北京理工大学出版社， 2001：10-200.

[2] 姚仲鹏， 王瑞君. 传热学[M]. 2版. 北京：北京理工大学出版社， 2003：10-200.

[3] 窦昊， 梁长裘， 朱贞英， 等. 基于GT-SUITE的乘用车冷却系统匹配仿真分析与试验验证[C]// 2013年IDAJ中国区用户年会论文集. 北京：艾迪捷有限公司， 2013：266-272.

[4] 白鹭， 赵铮， 刘亚齐. 基于GT-SUITE的整车冷却系统分析及优化[C]// 2014年IDAJ中国区用户年会. 上海：艾迪捷有限公司， 2014.

[5] 张宝亮， 范秦寅， 胡广洪， 等. 整车热管理的一维与三维耦合仿真[J]. 汽车工程， 2011， 33（6）：493-496. DOI：10.19562/j.chinasae.qcgc.2011.06.007.

（编辑 武晓英）