混合动力和电动汽车高压电气导线线径选择方法
【专利摘要】本发明涉及一种混合动力和电动汽车高压电气导线线径选择方法，其特征在于，包括以下步骤：1)建立车辆模型，进行电气负载仿真，获得高压导线电流曲线；2)建立导线模型，根据所述高压导线电流曲线进行导线热仿真，获得高压导线实时温升数据；3)根据所述高压导线实时温升数据选择初始导线线径；4)判断所选择的初始导线线径是否满足温升条件，若是，则将所选择的导线线径作为最终值，若否，则返回步骤2)。与现有技术相比，本发明具有线径选择准确、精度高等优点。
【专利说明】
混合动力和电动汽车高压电气导线线径选择方法
技术领域
[0001]本发明涉及混合动力和电动汽车领域，尤其是涉及一种混合动力和电动汽车高压电气导线线径选择方法。
【背景技术】
[0002]汽车的驱动能量来源正从内燃机切换为化学电池，如果继续沿用低压导线的线径选择方法一Isotemp曲线方法，解决高压导线的设计问题，可能导致错误的设计。高压导线连接高压部件，诸如电池包、逆变器和驱动电机。这些部件用于满足整车驱动和制动能量回馈的功率和能量需求。在整车运行期间，连接高压部件的回路上的电流会剧烈波动。Isotemp曲线方法仅能处理稳态电流情况。因此，如果沿用到高压导线的设计，可能导致错误的结果。
【发明内容】
[0003]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种线径选择准确、精度高的混合动力和电动汽车高压电气导线线径选择方法。
[0004]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0005]一种混合动力和电动汽车高压电气导线线径选择方法，包括以下步骤:
[0006]I)建立车辆模型，进行电气负载仿真，获得高压导线电流曲线；
[0007]2)建立导线模型，根据所述高压导线电流曲线进行导线热仿真，获得高压导线实时温升数据；
[0008]3)根据所述高压导线实时温升数据选择初始导线线径；
[0009]4)判断所选择的初始导线线径是否满足温升条件，若是，则将所选择的导线线径作为最终值，若否，则返回步骤2)。
[0010]所述车辆模型包括驾驶条件模块、车辆动力学模块、机械传动模块、驱动电机模块、逆变器模块和电池包模块。
[0011 ] 所述车辆模型还包括电机控制器模块和电池控制器模块。
[0012]所述步骤I)具体为:
[0013]101)建立车辆模型，设定车辆运行状态和车辆参数，并计算高压电气负载的直流和交流电流；
[0014]102)对车辆模型进行仿真，获得仿真测试的高压电气负载的直流和交流电流；
[0015]103)判断步骤101)中的计算值与步骤102)中的测试值是否匹配，若是，则输出仿真测试的高压导线电流曲线，若否，则修改车辆模型，返回步骤101)。
[0016]所述步骤2)具体为:
[0017]201)建立导线模型，设定环境温度和导线参数，选择导线线径的最小可选值；
[0018]202)将所述高压导线电流曲线作为导线模型的输入，进行导线热仿真，获得仿真测试的导线导体线芯和绝缘体表面的温升；
[0019]203)计算导线导体线芯和绝缘体表面的温升；
[0020]204)判断步骤202)的测试值与步骤203)的计算值是否匹配，若是，则输出仿真测试的高压导线实时温升数据，若否，则修改导线模型，返回步骤203)。
[0021]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0022](I)本发明根据高压导线的特性，设定了一种新方法，根据真实负载电流曲线计算高压导线的导体线芯和绝缘体表面温升，然后根据温升数据选择导线线径，线径选择准确，适用于选择高压电气线束的线径。
[0023](2)本发明在建立车辆模型和导线模型时，结合试验数据通过部分参数标定修正，模型精度高。
[0024](3)本发明可有效解决高压导线的设计问题，进而保证汽车使用的安全性。
【附图说明】
[0025]图1为电动车中一个示例性的高压导线系统的结构示意图；
[0026]图2为本发明线径选择方法的流程示意图；
[0027]图3为本发明车辆模型的一个示例性架构；
[0028]图4为本发明导线模型的一个示例性架构。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。下面描述的方法可以用于任何混合动力和电动汽车。高压部件用于驱动车辆。电动车辆单独使用电池驱动，混合动力车辆使用内燃机和电池共同驱动。本发明所知的高压是指大于60伏的电压。
[0030]如图1所示，显示了电动车中一个示例性的高压导线系统00。系统00包含一个高压电池包30，通过交流插头10和车载充电机20可以接受来自车辆外界的充电。高压电池包30经过一个DC-DC转换器40，向12V系统50 (例如蓄电池和低压负载)提供电力。高压电池包30也向电加热器70和电动空调80 (包括空调逆变器81和空调压缩机82)提供电力。高压电池包30的大部分能量和功率用于向逆变器60供电，后者将高压直流电转换为高压交流电激励驱动电机90。在车辆制动期间，驱动电机90和逆变器60将制动能量转换为高压直流电提供给高压电池包进行充电。其中，高压连接回路11、21、22、31、32、33、34、35、36、37、38、61、62、63在高压部件中分配和传输高压电气功率。特别地，高压直流回路31、32和高压交流回路61、62、63传递的电流随着车辆的速度和加速度的变化而剧烈波动。
[0031]对高压线束设计而言，传统的Isotemp曲线方法被沿用，来选择高压导线的线径。Isotemp曲线假设高压线束承载的电流是稳定不变的，即始终是稳态。然而，对高压连接回路31、32、61、62、63而言，这样的假设并不成立，因为实际电流是动态的而且波动剧烈。因此，一个新的方法被提出来，用于选择高压电气线束的线径。
[0032]本发明实施例提供一种混合动力和电动汽车高压电气导线线径选择方法，首先根据真实负载电流曲线计算高压导线的导体线芯和绝缘体表面温升，然后根据温升数据选择导线线径。该方法由三个步骤组成:1)电气负载仿真和试验；2)导线热仿真和试验，3)车载试验验证。
[0033]步骤I)引入了一个车辆模型仿真模拟电气负载的电流行为特性，步骤2)引入了一个导线模型仿真模拟导线的温升特性，这两个模型都首先基于理论分析构建，然后结合试验数据通过部分参数标定修正，以达到满意的精度要求。
[0034]如图2所示，本实施例方法100具体包括以下步骤:
[0035]步骤101，开始。
[0036]步骤102，设定车辆运行条件。车辆运行条件包括驾驶工况(速度轨迹的时间曲线)和道路坡度。
[0037]步骤103，设定车辆参数，诸如风阻系数，轮胎滚动阻力系数，车辆横截面积，轮胎半径，后轴主减速比，传动齿轮系的齿数比，机械特性和驱动电机的效率图谱，逆变器的峰值功率和效率图谱，车辆的制动能量回收特性，电池充电状态SOC范围，电池的额定容量和额定电压，等等。这些参数定义了电机输出轴上的负载功率和负载扭矩请求，同时也决定了高压电池包的电流和电压曲线。
[0038]步骤104，设置车辆参数完成后，高压电气连接的交直流回路电流可以通过车辆仿真模型计算，计算高压电气负载的直流和交流电流。图3是一个框图说明车辆模型的一个示例性架构。车辆模型的一个示例性架构如结构框图200，包括驾驶条件模块210、车辆动力学模块220、机械传动模块230、电机控制器模块240、驱动电机模块250、逆变器模块260、制动能量回收控制器模块270和高压电池模块280。
[0039]驾驶条件模块210输出随时间变化的速度轨迹，通过连接211到车辆动力学模块220。用户可以选择标准或者客制化的驾驶循环，诸如欧洲新驾驶循环工况(NEDC)、美国城市驾驶循环工况(UDDS)或者日本驾驶循环工况(J1015)。驾驶条件210提供的另一个选项是道路坡度，可以定义为时间的函数或者是一个固定的值。车辆动力学模块220的功能是计算车辆驱动力要求，经过连接221，结算结果传递到机械传动模块230。众所周知，车辆驱动力是静摩擦力、滚动阻力、风阻和加速度力加总之和。所有这些力都是车速的函数。因此，车辆动力学模块220获得的驱动力是根据驾驶条件模块210传递的车速数据而计算得出的。机械传动模块230由车轮、后桥主减速器、简单或复杂的传动齿轮系组成。机械传动模块230模拟车辆的真实传动系以反映从车轮到驱动电机输出轴的转速和扭矩的传递关系。机械传动模块230的结构和参数可以根据实际的传动系统来设定。机械传动模块230通过连接231向电机控制器模块240提供车辆负载扭矩和转速的时间函数作为输入。电机控制器模块240的主要功能是确定驱动电机能否满足车辆请求的负载扭矩和转速。通过车辆请求的负载扭矩和转速，与驱动电机的驱动性能边界做比较，可以确定驱动电机能否满足车辆请求的负载扭矩和转速。如果后者超过前者的驱动性能边界，需要限制车辆负载扭矩和转速的请求到允许的最大值。经过处理，合理的车辆负载扭矩和转速请求被从240经过连接241传递到250。驱动电机模块250，可以是一个简单的效率图谱，电机效率是电机转速和电机扭矩的函数。也可以是一个复杂的等效电路，包换反馈控制环。为了获得驱动电机输入端3相交流电压和3相交流电流，需要建立复杂的电路模型。驱动电机模块250的主要功能是模拟真实驱动电机的输入输出特性。该模块将来自车辆负载扭矩和转速的请求通过连接251转换为逆变器模块260输出端的电气功率请求。逆变器模块260可以是一个简单的效率图谱，输入输出转换效率是电机转速和扭矩的函数。通过连接261，逆变器模块260输入端的电气功率请求被传递给制动能量回收控制器模块270。后者是制动能量回馈控制器模块，实施制动能量回馈控制策略，计算车辆加、减速期间，真实的电池充电和放电功率请求。高压电池包的过充或者过放都会对其性能和寿命造成伤害。因此，几乎所有的混合动力和电动汽车都需要包含制动能量回馈控制策略，在车辆仿真模型架构中，也有必要增加这样一个模块。制动能量回收控制器模块270经过连接271输出真实的电池充电和放电功率请求到高压电池模块280。最后一个高压电池模块280根据充放电功率请求，实施高压电池包的电气或者也包含热性能行为。计算输出端电压、输出端电流、充电状态SOC，或者也包含温度。一些电池控制策略是可选的，例如SOC允许范围控制或者功率受SOC和温度限制的策略。
[0040]步骤105，电流计算值和试验值进行比较。
[0041]步骤106，如果仿真和试验的电流数据值相互匹配，则执行步骤108，否则返回步骤103，直到电流的仿真和试验数据一致。
[0042]步骤107，检查是否所有可能的车辆运行状态都已设定，若是，则意味着已经得到所有车辆可能的运行状态下的精确电流数据。这些电流数据将会作为输入提供给下一阶段的分析，若否，则返回步骤102。
[0043]步骤108，修改车辆模型，返回步骤103。
[0044]从102到108的决策流程组成了车辆仿真和试验阶段。下一阶段是导线仿真和试验阶段。
[0045]步骤131，设定环境温度和导线参数，导线参数包括:几何结构、导体线芯材料、绝缘体材料、导体线芯外径、绝缘体外径、屏蔽网外径、护套外径、导体线芯直流电阻、屏蔽层直流电阻、导体线芯热传导率、导体线芯比热、绝缘层热传导率、绝缘层比热，等等。这些参数定义了导线的传热性能。
[0046]步骤132，导线线径从可能的最小值开始选取，选择导线线径的最小可选值。然后，上一个阶段得到的电流曲线数据注入导线热仿真模型，该模型的描述可见图4。
[0047]如图4所示，导线模型300的核心是一个有限元分析数值仿真模型320。在简单情况下，320由绝缘层321和导体线芯322组成。模型320能够由一组传热学公式描述，或者通过任何数值仿真软件建立。导线的热性能由环境温度340和导线参数350决定。后者反映导线的传热特性，包含线径、几何结构、导体线芯材料、绝缘层材料、导体线芯外径、绝缘层外径、屏蔽层外径、护套外径、导体线芯直流电阻、屏蔽层直流电阻、导体线芯热传导率、导体线芯比热、绝缘层热传导率、绝缘层比热、等等。导线热仿真模型320应该根据试验数据标定，直到仿真输出和实际试验输出接近一致。导线热仿真模型建立以后，根据模块310提供的电流曲线(电流的时间函数)，可以用来模拟导线的热性能，输出如模块330描述的导体线芯和绝缘层表面温升曲线(温度的时间函数)。
[0048]步骤133，将高压导线电流曲线作为导线模型的输入，进行导线热仿真，获得仿真测试的导线导体线芯和绝缘体表面的温升；
[0049]步骤134，计算导线绝缘体表面和导体线芯的温升。
[0050]步骤135，判断温升的计算数据和试验数据是否匹配，若否，则转到步骤138，若是，则步骤136。
[0051]步骤136，判断导线温升是否超过其规格书中的限值，若是，则转到步骤139，若否，则转到步骤137。
[0052]步骤137，导线线径的当前值被作为初始设计值传递到步骤151。
[0053]步骤138，修改导线仿真模型，然后转回步骤134。
[0054]步骤139，将导线线径增大到下一个允许的规格，并转回到133。
[0055]从131到139的决策流程组成了导线的热仿真和试验阶段。下一阶段是车载试验验证阶段。
[0056]步骤151，制定一个车辆试验计划，内容主要是测试标准和多工况测试顺序。
[0057]步骤152，进行车辆改装，根据上一个阶段得到的高压线束的初始设计值来制定高压线束样件，并装配到车辆上，同时安装传感器，诸如电流传感器、电压传感器、热偶和CAN总线接口，等等。
[0058]步骤153，车辆根据151预先定义好的多工况测试顺序，在底盘测功机上依次完成测试。
[0059]步骤154，整理、分析传感器采集的所有数据。
[0060]步骤155，判断导线温升是否超过限值，若是，则转回步骤139，若否，则转到步骤156。
[0061]步骤156，经过了车辆试验验证，导线线径的初始设计是可行的，当前的导线线径值作为最终设计值冻结。
[0062]步骤157，结束。
[0063]本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
【主权项】
1.一种混合动力和电动汽车高压电气导线线径选择方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)建立车辆模型，进行电气负载仿真，获得高压导线电流曲线； 2)建立导线模型，根据所述高压导线电流曲线进行导线热仿真，获得高压导线实时温升数据； 3)根据所述高压导线实时温升数据选择初始导线线径； 4)判断所选择的初始导线线径是否满足温升条件，若是，则将所选择的导线线径作为最终值，若否，则返回步骤2)。2.根据权利要求1所述的一种混合动力和电动汽车高压电气导线线径选择方法，其特征在于，所述车辆模型包括驾驶条件模块、车辆动力学模块、机械传动模块、驱动电机模块、逆变器模块和电池包模块。3.根据权利要求2所述的一种混合动力和电动汽车高压电气导线线径选择方法，其特征在于，所述车辆模型还包括电机控制器模块和电池控制器模块。4.根据权利要求1所述的一种混合动力和电动汽车高压电气导线线径选择方法，其特征在于，所述步骤I)具体为: 101)建立车辆模型，设定车辆运行条件和车辆参数，并计算高压电气负载的直流和交流电流； 102)对车辆模型进行仿真，获得仿真测试的高压电气负载的直流和交流电流； 103)判断步骤101)中的计算值与步骤102)中的测试值是否匹配，若是，则输出仿真测试的高压导线电流曲线，若否，则修改车辆模型，返回步骤101)。5.根据权利要求4所述的一种混合动力和电动汽车高压电气导线线径选择方法，其特征在于，所述车辆运行条件包括驾驶工况和道路坡度。6.根据权利要求1所述的一种混合动力和电动汽车高压电气导线线径选择方法，其特征在于，所述步骤2)具体为: 201)建立导线模型，设定环境温度和导线参数，选择导线线径的最小可选值； 202)将所述高压导线电流曲线作为导线模型的输入，进行导线热仿真，获得仿真测试的导线导体线芯和绝缘体表面的温升； 203)计算导线导体线芯和绝缘体表面的温升； 204)判断步骤202)的测试值与步骤203)的计算值是否匹配，若是，则输出仿真测试的高压导线实时温升数据，若否，则修改导线模型，返回步骤203)。
【文档编号】G06F17/50GK105893648SQ201510039400
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月26日
【发明人】粟亮, 孙韬, 王成君, 杨晓军
【申请人】德尔福派克电气系统有限公司