基于UG軟件對電動汽車冷卻系統教具的仿真研究

黃河交通學院 張玉龍

教具是高校教學中必不可缺少的器材，有助于學生更好地學習專業知識和技能，對知識的傳播起著不可或缺的作用。本文基于用UG軟件建立電動汽車冷卻系統三維模型，能夠讓學生直觀地看出系統各個部件的相對位置。同時利用UG建模具有參數化的特性，可以計算出模型的體積、面積、質心等參數，并通過運動仿真，可以達到更加直觀的視覺效果，提高教學效率。

1 電動汽車冷卻系統分析

1.1 電機冷卻系統分析

電動汽車冷卻系統的功能相對于傳統汽車而言，區別在于電動汽車冷卻的是驅動電機和動力電池（以下簡稱“電池”），讓驅動電機和電池保持在良好的工作狀態。電機冷卻系統由電機膨脹水箱、散熱器、冷卻液泵、冷卻液軟管和冷卻液溫度傳感器組成，它們相互協作組成了完整的循環系統。

電機冷卻系統的工作原理如圖1所示，溫度較低的時候，冷卻液泵不工作，溫度上升后，冷卻液泵開始工作。利用傳導原理，將熱量從驅動電機組件傳遞到冷卻液中，帶有熱量的冷卻液流經蒸發管路進入散熱器，通過冷卻風扇吹動把熱量帶入到大氣中。冷卻系統的溫度由溫度傳感器向PEB（電力電子箱）發送信號，控制冷卻風扇的運轉速度，信號經PEB送達到CAN總線再到儀表盤上。儀表盤上實時顯示冷卻液的溫度，如果冷卻液溫度過高，則儀表盤上會有警示燈和消息提醒駕駛人。

圖1 電機冷卻系統工作原理圖

1.2 電池冷卻系統分析

要在特定的溫度范圍內工作，電池才能發揮出最好的性能，電池工作時產生的大量熱量，導致電池工作性能下降，要想延長電池壽命，就需要給電池降溫。

電池膨脹水箱的進液管與冷卻器連接，出液管與冷卻液管三通連接。冷卻液軟管用于各個部件連接，安裝在汽車底盤下面。電池冷卻液泵用來循環電池冷卻系統冷卻液，冷卻液泵固定在底盤上。電池冷卻系統的作用是將電池維持在一個合適的溫度工作，使電池處于較佳的工作狀態。電池冷卻系統由熱交換器、管路接口、支架和帶電磁閥的膨脹閥等組成。

電池冷卻系統工作原理如2圖所示，BMS（電池管理系統）發出信號，可以控制電池冷卻器膨脹閥關閉和冷卻液泵運行，在電池溫度高于32.5 ℃時冷卻液泵會接收信號開啟，溫度低于27.5 ℃時冷卻液泵會接收信號關閉。BMS對ETC（溫度控制器）發出開啟膨脹閥和電池閥的要求后，ETC打開冷卻器電磁閥和膨脹閥。ETC只控制冷卻液溫度，BMS控制冷卻液與BMS高壓電池內部的熱量交換。當高壓電池冷卻液溫度過高時，ETC會關閉空調的制冷功能，當給電池充電的時候，ETC會自動工作，使電池冷卻系統進入工作模式。

圖2 電池冷卻系統工作原理圖

2 電動汽車冷卻系統教具方案研究

2.1 電動汽車冷卻系統教具模型的建立

UG是西門子公司推出的交互式CAD/CAM軟件系統，可以輕松制做各種模型的制造設計，廣泛應用于工廠的制造設計生產及產品的研發與創新。主要功能包括工業設計、專業的管路和線路設計系統、鈑金模塊、專用塑料件設計模塊、仿真、確認和方案。用UG通過建立三維模型，能夠直觀地看出各個部件的相對位置。同時可以運用UG建立模型具有參數化的特性，可以計算出模型的體積、面積、質心等參數。在UG設計平臺上，采用自上而下、參數化的設計方式，完成電池和電機冷卻系統的模型建立，整個冷卻系統模型包括電機冷卻液泵、電池冷卻液泵、散熱器、冷卻風扇組件、電池膨脹水箱、電機膨脹水箱、電池散熱器和冷卻液管。

UG建立的電機冷卻系統的三維模型圖如圖3所示，采用自上而下的參數化設計，完成該裝置的建模。該裝置包括冷卻風扇罩、散熱器、冷卻風扇、散熱器溢流管、膨脹水箱的驅動電機、膨脹水箱到散熱器的軟管、散熱器到冷卻液泵的軟管、電力電子進液口、電力電子出液口、冷卻液泵冷卻電機、驅動電機到散熱器的軟管。根據該電機冷卻系統的相對位置關系對該模型進行自上而下的裝配設計。冷卻液的流動路徑是：驅動電機→散熱器→PEB（電力電子箱）→冷卻液泵→驅動電機閉合回路，還有一路是從散熱器至電機膨脹水箱的閉合回路，建模完成后對模型進行干涉分析，結果正常。

UG建立的電池冷卻系統的三維模型圖如圖4所示，采用自上而下參數化設計，完成該裝置的建模。該裝置包括動力電池冷卻器、動力電池到冷卻水管的軟管、電池冷卻器到動力電池的軟管、電池冷卻器低壓空調管、電池冷卻器高壓空調管、電池冷卻器低壓空調管出口、電池冷卻器高壓空調管出口、膨脹水箱到電池、冷卻水管三通到膨脹水箱軟管、水泵到電池冷卻器和水泵到動力電池的軟管。冷卻液的流動路徑是：動力電池→冷卻水管三通→動力電池水泵→電池冷卻器→動力電池，建模完成后對模型進行干涉分析一切正常。

圖3 電機冷卻系統三維模型圖

圖4 電池冷卻系統三維模型圖

2.2 電機和電池冷卻系統運動仿真

利用UG運動仿真模塊對電機冷卻系統的冷卻液流向和冷卻風扇工作原理進行運動仿真，對冷卻液進行運動仿真的內容是：冷卻液吸收了驅動電機的熱量后到冷卻器冷卻液流向、冷卻器到PEB逆變器冷卻液流向、PEB逆變器到驅動電機冷卻液流向、冷卻器到膨脹水壺冷卻液流向、膨脹水壺到冷卻器流向和冷卻風扇轉動。

利用UG運動仿真模塊對電池冷卻系統冷卻液流向和高壓空調管、低壓空調管流向進行運動仿真，對電池冷卻系統仿真的內容是：冷卻液吸收了驅動電機的熱量后到冷卻器冷卻液流向、冷卻器到冷卻水泵冷卻液流向、冷卻器到膨脹水壺冷卻液流向、膨脹水壺到冷卻水管三通冷卻液流向、冷卻器到高壓空調管流向、冷卻器到低壓空調管流向、冷卻水泵到冷卻水管三通冷卻液流向和冷卻水管三通到電池冷卻液流向。

3 結語

本文以電動汽車冷卻系統為研究對象，結合UG的建模及運動仿真對冷卻系統進行了三維建模分析，對電機冷卻系統和電池冷卻系統進行了運動仿真分析，直觀地展示了冷卻液在冷卻系統中的循環過程及冷卻原理，給電動汽車教學和人才培養帶來很大的方便，讓學生更加客觀地了解到電動汽車冷卻系統的構造與工作原理，并且還能激發學生的學習興趣。