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東風(fēng)汽車 | 某插電式混合動力汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的設(shè)計
2020-03-24 21:57:31· 來源：電動學(xué)堂
作者單位：東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心引言與傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機(jī)車輛的冷卻系統(tǒng)開發(fā)相比，PHEV混合動力車輛的冷卻系統(tǒng)開發(fā)更為復(fù)雜，不僅要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行熱管理，還要對驅(qū)
作者單位：東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心
引 言
與傳統(tǒng)的汽油發(fā)動機(jī)車輛的冷卻系統(tǒng)開發(fā)相比，PHEV混合動力車輛的冷卻系統(tǒng)開發(fā)更為復(fù)雜，不僅要對發(fā)動機(jī)進(jìn)行熱管理，還要對驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)和電池系統(tǒng)進(jìn)行熱管理，就系統(tǒng)而言，不僅僅是在原有基礎(chǔ)上增加兩套循環(huán)回路，而且要在原有的基礎(chǔ)上通過對電子部件的運(yùn)行管理以實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的熱管理，從而滿足車輛的需求?
1 車輛冷卻系統(tǒng)的概述
此車輛的動力系統(tǒng)有傳統(tǒng)的汽油增壓發(fā)動機(jī)?驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)?發(fā)電機(jī)系統(tǒng)以及動力電池系統(tǒng)，按照整車定義，需要對上述系統(tǒng)進(jìn)行熱交換的管理? 鑒于各系統(tǒng)的設(shè)計輸入，整車熱交換系統(tǒng)分為4 個分系統(tǒng): 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)?發(fā)動機(jī)中冷系統(tǒng)?電機(jī)系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)和電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)(電池冷卻和加熱)，上述系統(tǒng)除發(fā)動機(jī)中冷系統(tǒng)為空¯空熱交換系統(tǒng)外，其他的均為水循環(huán)系統(tǒng)? 就上述3 個水冷系統(tǒng)而言，因各部件對冷卻液溫度的需求不同，各系統(tǒng)針對冷卻液溫度限值不同，見表1?
1.1 前端冷卻模塊的設(shè)計
前端模塊的設(shè)計基于零部件通用化和周邊邊界不變的前提條件下，采用串聯(lián)式布置方式: 對基礎(chǔ)車輛的前端冷卻模塊(冷凝器?散熱器?中冷器和冷卻風(fēng)扇) 不進(jìn)行大的更改，決定沿用原型車的冷卻模塊? 因驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的冷卻要求，需要在此基礎(chǔ)上增加低溫散熱器，具體方法是，散熱器和中冷器的相對位置不變，只將冷凝器位置前移50mm，在此空間放置低溫散熱器，更改后的前端模塊布置如圖1 所示?
1.2 冷卻系統(tǒng)循環(huán)回路設(shè)計
鑒于3 個系統(tǒng)對冷卻液溫度的不同要求，如圖2 所示，將整車?yán)鋮s系統(tǒng)分為3 個冷卻液循環(huán)回路，分別是發(fā)動機(jī)冷卻?驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)冷卻和電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)循環(huán)回路?
發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)對于冷卻液的溫度要求完全與傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)要求相同，溫度≤115℃，所以其冷卻液循環(huán)回路完全同基礎(chǔ)車，沿用基礎(chǔ)車散熱器總成? 但考慮到低溫散熱器的影響，對發(fā)動機(jī)散熱器芯厚度和冷卻風(fēng)扇電機(jī)功率都進(jìn)行了提升?
驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)?發(fā)電系統(tǒng)和車載充電機(jī)對冷卻液的溫度要求均在70℃左右，所以將三者串入一個回路? 按照整車功能定義，存在電機(jī)?發(fā)電機(jī)同時運(yùn)行的工況，將二者進(jìn)行前后串聯(lián)? 其次，基于各部件溫度限值的大小，冷卻液流經(jīng)的先后順序依次是電機(jī)控制器?驅(qū)動電機(jī)和發(fā)電機(jī)? 至于車載充電機(jī)的冷卻，鑒于兩個方面的原因:
①其對冷卻液溫度需求與電機(jī)系統(tǒng)接近；
②車載充電機(jī)僅在車輛熄火后外接電源充電時工作，因此將其串聯(lián)到到電機(jī)系統(tǒng)冷卻回路中，且在回路中位于發(fā)電機(jī)之后? 同時，系統(tǒng)回路中配置新的熱交換器———低溫散熱器和提供冷卻液循環(huán)的電動水泵?
電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對冷卻液溫度要求非?？量?，需滿足溫度≤30℃，故不可與前述兩個系統(tǒng)中的任何一個共用冷卻回路?并且由于所要求的冷卻液溫度大大低于車輛的最高使用環(huán)境溫度(45℃) 限值，電池水冷系統(tǒng)不能將環(huán)境空氣作為冷源，而是依靠空調(diào)制冷劑進(jìn)行散熱? 所以單獨(dú)設(shè)置電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻液循環(huán)回路，回路中布置與空調(diào)制冷劑進(jìn)行熱交換的新型換熱器——Chiller?提供冷卻液循環(huán)的電動水泵?
考慮到整車機(jī)艙環(huán)境邊界的限制，電機(jī)系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)和電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的加注和除氣共用一個除氣室總成，將除氣和加注循環(huán)部分通過三通接口連接到一起?
電池?zé)峁芾硌h(huán)回路單獨(dú)布置，因其冷卻是采用空調(diào)系統(tǒng)制冷劑與冷卻液進(jìn)行熱交換，在空調(diào)制冷劑循環(huán)回路基礎(chǔ)上增加第二回路，通過電磁閥控制其通斷，在此第二回路與冷卻液回路之間的熱交換采用兩通道熱交換器(chiller) 進(jìn)行熱量傳遞，此回路的冷卻液循環(huán)依靠電動水泵提供動力源?
整個冷卻系統(tǒng)的冷卻液加注和除氣的設(shè)計方案是: 鑒于系統(tǒng)冷卻液溫度和系統(tǒng)壓力的不同，發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)采用獨(dú)立的加注和除氣系統(tǒng)，將電機(jī)冷卻系統(tǒng)和電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻液加注和除氣系統(tǒng)集成到一起?
2 冷卻系統(tǒng)電子部件的運(yùn)行控制
冷卻系統(tǒng)電動部件(水泵和冷卻風(fēng)扇) 的運(yùn)行管理和控制是系統(tǒng)本身的核心部分，同時也是整車管理的重要組成部分? 主要方法作為本系統(tǒng)的控制器———電動水泵通過硬線采集電機(jī)冷卻系統(tǒng)的水溫信號，接收通過整車CAN 通信網(wǎng)絡(luò)來自電機(jī)控制器發(fā)出的電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩?驅(qū)動電機(jī)?發(fā)電機(jī)?車載充電機(jī)和雙電機(jī)控制器(集成DC/ DC) 本體的溫度信息以及整車VCU 發(fā)出的空調(diào)運(yùn)行和BMS 充電狀態(tài)等，按需控制系統(tǒng)電動部件(水泵和風(fēng)扇) 的運(yùn)行，且以軟?硬件控制方式對系統(tǒng)進(jìn)行自我保護(hù)和故障診斷?
2.1 電動水泵的運(yùn)行控制
電動水泵的運(yùn)行管理僅針對電機(jī)冷卻和電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的水泵運(yùn)行，包括水泵的運(yùn)行管理?故障管理?
對于電機(jī)冷卻系統(tǒng)的電動水泵運(yùn)行控制如圖3 所示，系統(tǒng)控制器通過檢測或接收到的控制器?電機(jī)和發(fā)電機(jī)本體溫度，電機(jī)出口冷卻液溫度，電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，以PWM 方式控制水泵以不同負(fù)荷運(yùn)行，從而滿足系統(tǒng)熱交換需求? 相對于電機(jī)冷卻系統(tǒng)的水泵管理而言，電池?zé)峤粨Q系統(tǒng)的電動水泵管理較為簡單，其由車輛BMS 根據(jù)電池電芯溫度，判斷是否需要冷卻來直接控制水泵的起停，無需進(jìn)行水泵的負(fù)荷運(yùn)行，系統(tǒng)散熱能力的調(diào)節(jié)主要通過控制制冷劑測的流量溫度等來實(shí)現(xiàn)?
系統(tǒng)的故障管理包括系統(tǒng)的故障診斷?水泵和系統(tǒng)的自我保護(hù)功能? 通過水泵控制器預(yù)先的控制策略，將水泵本身的故障以編碼形式發(fā)給VCU，便于故障判斷和維修，通過軟件和硬件相結(jié)合的方式，對水泵進(jìn)行過流?過壓?過熱和超速保護(hù)，避免因此而造成的損壞，同時以CAN 通信網(wǎng)絡(luò)信號中斷為依據(jù)對系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)功能保護(hù)，以避免因此而造成的系統(tǒng)能力不足導(dǎo)致車輛不能滿足使用要求，如CAN 網(wǎng)絡(luò)通信信息或硬線信號中的任何一個信號中斷時，以既定的策略使水泵在以規(guī)定的負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，從而保證系統(tǒng)功能，以滿足車輛需求?
2.2 冷卻風(fēng)扇的運(yùn)行控制
車輛冷卻風(fēng)扇的功能既不同于傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)車輛也不同于純電動汽車的控制，其運(yùn)行關(guān)系到發(fā)動機(jī)?電機(jī)系統(tǒng)?空調(diào)系統(tǒng)和電池系統(tǒng)的正常運(yùn)行，為了能夠滿足上述各系統(tǒng)的需求，不能由各系統(tǒng)中的任意一個系統(tǒng)來自由控制風(fēng)扇，否則會造成管理混亂，導(dǎo)致故障產(chǎn)生? 我們的方案是通過高于上述系統(tǒng)的上級控制器———整車控制器VCU 來統(tǒng)籌管理，方法是由各系統(tǒng)將其對風(fēng)扇運(yùn)行的需求信號直接通過CAN 網(wǎng)絡(luò)發(fā)給VCU，發(fā)動機(jī)ECU 根據(jù)發(fā)動機(jī)冷卻液溫度發(fā)送風(fēng)扇的運(yùn)行信號，電機(jī)冷卻系統(tǒng)控制器(即電動水泵本身的控制器) 按既定的程序發(fā)送電機(jī)冷卻系統(tǒng)對風(fēng)扇的運(yùn)行信號，空調(diào)控制器發(fā)送空調(diào)系統(tǒng)對風(fēng)扇的運(yùn)行需求，然后由VCU綜合判斷后直接控制冷卻風(fēng)扇的運(yùn)行，如圖4 所示?
整個冷卻系統(tǒng)水泵及風(fēng)扇運(yùn)行的詳細(xì)策略，因涉及企業(yè)專有技術(shù)的保密，在本文不作詳細(xì)說明?
3 冷卻?中冷系統(tǒng)能力設(shè)計
此車輛對冷卻系統(tǒng)的能力有不同的要求，因?yàn)殡姵責(zé)峁芾硐到y(tǒng)的冷卻能力由整車電池和空調(diào)系統(tǒng)保證，冷卻系統(tǒng)的功能是為此提供滿足系統(tǒng)要求的冷卻液循環(huán)流量即可，即冷卻液循環(huán)流量≥10L/ min，通過系統(tǒng)能力匹配，此循環(huán)回路的冷卻液循環(huán)流量滿足需求? 所以本文不對此系統(tǒng)的能力進(jìn)行論述，只論述發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)和電機(jī)冷卻系統(tǒng)的能力設(shè)計?
3.1 冷卻?中冷系統(tǒng)設(shè)計輸入
冷卻系統(tǒng)的設(shè)計輸入包括整車使用環(huán)境溫度?運(yùn)行工況?相應(yīng)工況下的發(fā)動機(jī)?電機(jī)負(fù)荷?發(fā)動機(jī)?電機(jī)系統(tǒng)的散熱需求?冷卻液溫度限值?本體溫度限值等參數(shù)，具體內(nèi)容見表2?
系統(tǒng)熱交換器進(jìn)風(fēng)量的數(shù)值通過整車CFD 仿真分析得到，如圖5 所示，仿真結(jié)果數(shù)據(jù)見表3?
3.2 冷卻?中冷系統(tǒng)能力計算
此整車?yán)鋮s系統(tǒng)能力的計算，無論是發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)還是電機(jī)冷卻系統(tǒng)，均要考慮空調(diào)系統(tǒng)對其冷卻系統(tǒng)的影響，車輛冷卻系統(tǒng)的計算，就是熱交換系統(tǒng)的冷側(cè)(風(fēng)側(cè)) 和熱側(cè)(水側(cè)) 之間的熱交換平衡計算? 本系統(tǒng)的計算方法是將空調(diào)冷凝器熱交換的風(fēng)側(cè)進(jìn)風(fēng)溫升△T 考慮到系統(tǒng)計算中，此數(shù)據(jù)的采用是通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累得到，本文中△T 取15℃? 另外，在計算混動模式工況的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)能力時，還要考慮布置在發(fā)動機(jī)散熱器前面的電機(jī)散熱器對其的影響? 本文中，采用進(jìn)氣溫升的方法進(jìn)行系統(tǒng)能力計算? 計算結(jié)果見表4?
就發(fā)動機(jī)中冷系統(tǒng)而言，整個冷卻系統(tǒng)的重新設(shè)計，對于熱交換系統(tǒng)的冷側(cè)進(jìn)風(fēng)量并沒有產(chǎn)生任何不良的影響，由于整車質(zhì)量的增加，對于熱交換系統(tǒng)的熱側(cè)負(fù)荷有一定的影響，經(jīng)詳細(xì)計算: 熱側(cè)空氣壓力損失為8kPa，滿足不大于12kPa 的設(shè)計要求；最高的中冷系統(tǒng)進(jìn)氣溫升為22.9℃，滿足進(jìn)氣溫升≤30℃的設(shè)計要求?
結(jié)論: 冷卻系統(tǒng)設(shè)計能力滿足整車設(shè)計目標(biāo)要求?
4 試驗(yàn)驗(yàn)證
在車型ET 開發(fā)階段，進(jìn)行了冷卻系統(tǒng)整車轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)(圖5)，以驗(yàn)證冷卻系統(tǒng)實(shí)際能力達(dá)成情況?
根據(jù)原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析處理得到的結(jié)果見表5，滿足整車對冷卻系統(tǒng)能力的要求?
5 結(jié)論
對于插電式混合動力汽車(PHEV)，因其動力總成的散熱需求構(gòu)成和使用工況均比較復(fù)雜，對冷卻系統(tǒng)的能力要求也非常高，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)難度較大，各子系統(tǒng)之間既需要物理上的整合，也需要性能上的協(xié)調(diào)分配，同時統(tǒng)籌控制，本文提供的方案正是如此:
1) 在原型車?yán)鋮s模塊的基礎(chǔ)上增加低溫散熱器，布置于原空調(diào)冷凝器和發(fā)動機(jī)散熱器之間，實(shí)現(xiàn)起來簡單易行，很好地維持了原型車環(huán)境件布置邊界，節(jié)省了研發(fā)成本?
2) 電機(jī)冷卻系統(tǒng)將驅(qū)動電機(jī)?發(fā)電機(jī)?雙電機(jī)控制器?車載充電機(jī)串聯(lián)在一個回路中；電池冷卻則單獨(dú)設(shè)置回路，并依靠空調(diào)系統(tǒng)散熱，同時與電機(jī)冷卻系統(tǒng)共用除氣室進(jìn)行加水除氣? 回路設(shè)計簡單合理?
3) 系統(tǒng)電子部件的運(yùn)作按需控制調(diào)節(jié): 電機(jī)冷卻系統(tǒng)水泵根據(jù)電機(jī)系統(tǒng)工況參數(shù)自行以PWM 調(diào)速，電池冷卻水泵則由BMS 控制起停，冷卻風(fēng)扇由整車控制器綜合統(tǒng)籌多方需求后起停調(diào)速?
方案經(jīng)過開發(fā)驗(yàn)證，各方面情況良好，對同類車型冷卻系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)具有借鑒參考意義?
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