基于UG软件对电动汽车冷却系统教具的仿真研究

黄河交通学院 张玉龙

教具是高校教学中必不可缺少的器材，有助于学生更好地学习专业知识和技能，对知识的传播起着不可或缺的作用。本文基于用UG软件建立电动汽车冷却系统三维模型，能够让学生直观地看出系统各个部件的相对位置。同时利用UG建模具有参数化的特性，可以计算出模型的体积、面积、质心等参数，并通过运动仿真，可以达到更加直观的视觉效果，提高教学效率。

1 电动汽车冷却系统分析

1.1 电机冷却系统分析

电动汽车冷却系统的功能相对于传统汽车而言，区别在于电动汽车冷却的是驱动电机和动力电池（以下简称“电池”），让驱动电机和电池保持在良好的工作状态。电机冷却系统由电机膨胀水箱、散热器、冷却液泵、冷却液软管和冷却液温度传感器组成，它们相互协作组成了完整的循环系统。

电机冷却系统的工作原理如图1所示，温度较低的时候，冷却液泵不工作，温度上升后，冷却液泵开始工作。利用传导原理，将热量从驱动电机组件传递到冷却液中，带有热量的冷却液流经蒸发管路进入散热器，通过冷却风扇吹动把热量带入到大气中。冷却系统的温度由温度传感器向PEB（电力电子箱）发送信号，控制冷却风扇的运转速度，信号经PEB送达到CAN总线再到仪表盘上。仪表盘上实时显示冷却液的温度，如果冷却液温度过高，则仪表盘上会有警示灯和消息提醒驾驶人。

图1 电机冷却系统工作原理图

1.2 电池冷却系统分析

要在特定的温度范围内工作，电池才能发挥出最好的性能，电池工作时产生的大量热量，导致电池工作性能下降，要想延长电池寿命，就需要给电池降温。

电池膨胀水箱的进液管与冷却器连接，出液管与冷却液管三通连接。冷却液软管用于各个部件连接，安装在汽车底盘下面。电池冷却液泵用来循环电池冷却系统冷却液，冷却液泵固定在底盘上。电池冷却系统的作用是将电池维持在一个合适的温度工作，使电池处于较佳的工作状态。电池冷却系统由热交换器、管路接口、支架和带电磁阀的膨胀阀等组成。

电池冷却系统工作原理如2图所示，BMS（电池管理系统）发出信号，可以控制电池冷却器膨胀阀关闭和冷却液泵运行，在电池温度高于32.5 ℃时冷却液泵会接收信号开启，温度低于27.5 ℃时冷却液泵会接收信号关闭。BMS对ETC（温度控制器）发出开启膨胀阀和电池阀的要求后，ETC打开冷却器电磁阀和膨胀阀。ETC只控制冷却液温度，BMS控制冷却液与BMS高压电池内部的热量交换。当高压电池冷却液温度过高时，ETC会关闭空调的制冷功能，当给电池充电的时候，ETC会自动工作，使电池冷却系统进入工作模式。

图2 电池冷却系统工作原理图

2 电动汽车冷却系统教具方案研究

2.1 电动汽车冷却系统教具模型的建立

UG是西门子公司推出的交互式CAD/CAM软件系统，可以轻松制做各种模型的制造设计，广泛应用于工厂的制造设计生产及产品的研发与创新。主要功能包括工业设计、专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块、仿真、确认和方案。用UG通过建立三维模型，能够直观地看出各个部件的相对位置。同时可以运用UG建立模型具有参数化的特性，可以计算出模型的体积、面积、质心等参数。在UG设计平台上，采用自上而下、参数化的设计方式，完成电池和电机冷却系统的模型建立，整个冷却系统模型包括电机冷却液泵、电池冷却液泵、散热器、冷却风扇组件、电池膨胀水箱、电机膨胀水箱、电池散热器和冷却液管。

UG建立的电机冷却系统的三维模型图如图3所示，采用自上而下的参数化设计，完成该装置的建模。该装置包括冷却风扇罩、散热器、冷却风扇、散热器溢流管、膨胀水箱的驱动电机、膨胀水箱到散热器的软管、散热器到冷却液泵的软管、电力电子进液口、电力电子出液口、冷却液泵冷却电机、驱动电机到散热器的软管。根据该电机冷却系统的相对位置关系对该模型进行自上而下的装配设计。冷却液的流动路径是：驱动电机→散热器→PEB（电力电子箱）→冷却液泵→驱动电机闭合回路，还有一路是从散热器至电机膨胀水箱的闭合回路，建模完成后对模型进行干涉分析，结果正常。

UG建立的电池冷却系统的三维模型图如图4所示，采用自上而下参数化设计，完成该装置的建模。该装置包括动力电池冷却器、动力电池到冷却水管的软管、电池冷却器到动力电池的软管、电池冷却器低压空调管、电池冷却器高压空调管、电池冷却器低压空调管出口、电池冷却器高压空调管出口、膨胀水箱到电池、冷却水管三通到膨胀水箱软管、水泵到电池冷却器和水泵到动力电池的软管。冷却液的流动路径是：动力电池→冷却水管三通→动力电池水泵→电池冷却器→动力电池，建模完成后对模型进行干涉分析一切正常。

图3 电机冷却系统三维模型图

图4 电池冷却系统三维模型图

2.2 电机和电池冷却系统运动仿真

利用UG运动仿真模块对电机冷却系统的冷却液流向和冷却风扇工作原理进行运动仿真，对冷却液进行运动仿真的内容是：冷却液吸收了驱动电机的热量后到冷却器冷却液流向、冷却器到PEB逆变器冷却液流向、PEB逆变器到驱动电机冷却液流向、冷却器到膨胀水壶冷却液流向、膨胀水壶到冷却器流向和冷却风扇转动。

利用UG运动仿真模块对电池冷却系统冷却液流向和高压空调管、低压空调管流向进行运动仿真，对电池冷却系统仿真的内容是：冷却液吸收了驱动电机的热量后到冷却器冷却液流向、冷却器到冷却水泵冷却液流向、冷却器到膨胀水壶冷却液流向、膨胀水壶到冷却水管三通冷却液流向、冷却器到高压空调管流向、冷却器到低压空调管流向、冷却水泵到冷却水管三通冷却液流向和冷却水管三通到电池冷却液流向。

3 结语

本文以电动汽车冷却系统为研究对象，结合UG的建模及运动仿真对冷却系统进行了三维建模分析，对电机冷却系统和电池冷却系统进行了运动仿真分析，直观地展示了冷却液在冷却系统中的循环过程及冷却原理，给电动汽车教学和人才培养带来很大的方便，让学生更加客观地了解到电动汽车冷却系统的构造与工作原理，并且还能激发学生的学习兴趣。