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插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車熱管理試驗(yàn)工況探索
2020-05-14 16:40:21· 來源：電動(dòng)學(xué)堂
作者單位：上汽大眾汽車有限公司技術(shù)中心DOI:10.19344/j.cnki.issn1671－5276.2019.05.0560引言近年來，為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，電動(dòng)汽車受到了大家的
作者單位：上汽大眾汽車有限公司技術(shù)中心
DOI:10.19344/j.cnki.issn1671－5276.2019.05.056
0引言
近年來，為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，電動(dòng)汽車受到了大家的一致認(rèn)可，并得到了大力發(fā)展。就目前來看，純電動(dòng)汽車由于充電時(shí)間長(zhǎng)、續(xù)駛里程短、配套設(shè)施不完善等問題，更多的汽車研發(fā)企業(yè)將混合動(dòng)力電動(dòng)汽車作為一個(gè)技術(shù)突破點(diǎn)，使其成為企業(yè)開發(fā)的熱點(diǎn)。
混合動(dòng)力汽車是指車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由兩種或兩種以上動(dòng)力系統(tǒng)聯(lián)合組成，現(xiàn)在主流的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車包括插電式混合動(dòng)力(PHEV)和燃料電池混合動(dòng)力。受制于燃料電池成本較高，技術(shù)不成熟等問題，PHEV成為當(dāng)前新能源車型上技術(shù)最成熟，應(yīng)用最普遍的車型。PHEV由發(fā)動(dòng)機(jī)和車載電池組共同提供動(dòng)力系統(tǒng)，并且電池組可以利用電力網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充充電，具有較長(zhǎng)的純電動(dòng)續(xù)駛里程，必要時(shí)仍然可以工作在混合動(dòng)力模式下，具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。PHEV比傳統(tǒng)汽車多了一路電池組驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所以PHEV在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零件布局和散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)上就有了很大的變化，PHEV整車熱管理相對(duì)于傳統(tǒng)汽車就有了新的變化與挑戰(zhàn)。如何合理地設(shè)計(jì)工況來驗(yàn)證PHEV熱管理是否滿足客戶需求，成為了各個(gè)企業(yè)研發(fā)PHEV的關(guān)鍵。
1PHEV整車熱管理系統(tǒng)概述
傳統(tǒng)汽車熱管理系統(tǒng)通常由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)系統(tǒng)組成，而PHEV多出了高壓電池組和相關(guān)高壓元器件，所以冷卻系統(tǒng)更為復(fù)雜，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件更為緊湊，熱管理的需求更高。
由于各個(gè)關(guān)鍵發(fā)熱部件的工作溫度范圍不同，需要為每一個(gè)溫度范圍的發(fā)熱部件設(shè)計(jì)一路冷卻循環(huán)系統(tǒng)。以圖1所示這款PHEV車型為例，其冷卻系統(tǒng)由3路循環(huán)系統(tǒng)組成，包括發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路、電機(jī)冷卻回路和高壓電池冷卻回路。由于發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度較高，為防止發(fā)動(dòng)機(jī)周圍零件溫度過高，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行冷卻，該冷卻回路正常工作時(shí)，冷卻液溫度一般在100℃以上。高壓電池適宜工作溫度在60℃以下，為滿足該溫度范圍，通常需要將高壓電池冷卻系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)熱交換，同時(shí)充電裝置和交直流轉(zhuǎn)換裝置工作時(shí)也需要散熱，可以將其并為一路冷卻循環(huán)。電機(jī)以及其相關(guān)附件工作溫度一般在90℃以下，也需要單獨(dú)一路冷卻循環(huán)滿足散熱需求。
2PHEV熱管理工況確定
PHEV熱管理的工作目標(biāo)是:PHEV在正常駕駛時(shí)，保證所有零部件工作在短時(shí)極限溫度之下，同時(shí)滿足材料溫度生命周期需求;保證空調(diào)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，尤其是在高壓電池冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)后，駕駛室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)需滿足客戶需求;合理地控制電動(dòng)水泵和散熱風(fēng)扇的工作狀況，降低能耗，選擇合適的散熱器等，降低成本。
為此，設(shè)計(jì)出合理的工況，使產(chǎn)品車經(jīng)過試驗(yàn)的驗(yàn)證后，既達(dá)到開發(fā)目標(biāo)，又能滿足大多數(shù)客戶的使用需求，同時(shí)控制住成本。
首先，設(shè)計(jì)出一個(gè)符合大多數(shù)用戶使用情況的路況曲線，該路況包括低速、中速、高速、爬坡等多種工況，前期是一段中低速帶坡度的行駛，用于模擬用戶城市內(nèi)駕駛，后期是一段中高速行駛，用于模擬用戶在高速公路、郊區(qū)道路上行駛，停車后進(jìn)行一段時(shí)間的交流充電。該工況可以模擬出大多數(shù)用戶的使用情況，再根據(jù)車輛開發(fā)時(shí)定義的生命周期行駛里程，乘以一定的系數(shù)，得到生命周期內(nèi)車輛零部件各個(gè)溫度范圍出現(xiàn)的時(shí)長(zhǎng)。同時(shí)通過研究用戶駕駛模式，結(jié)合實(shí)際情況，得出大多數(shù)用戶都是先使用純電模式進(jìn)行駕駛，電量消耗大部分之后，才進(jìn)入混動(dòng)模式或充電模式繼續(xù)駕駛的。故而對(duì)駕駛模式進(jìn)行了設(shè)定:試驗(yàn)的前半部分開啟純電模式，后半部分開啟混動(dòng)模式。開啟的時(shí)間不同，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工作的時(shí)長(zhǎng)不同，進(jìn)而影響到零部件溫度范圍也不同，零部件溫度生命周期曲線就不同。
如對(duì)某PHEV車型進(jìn)行該工況試驗(yàn)，行駛20min后啟動(dòng)混動(dòng)模式和行駛30min后啟動(dòng)混動(dòng)模式，測(cè)量得到排氣管某處排氣溫度曲線如圖2所示，同時(shí)可以測(cè)量出受排氣溫度影響較大的某一零部件的溫度曲線。
通過計(jì)算可以得出2個(gè)不同的溫度生命周期曲線如圖3所示。開啟得越早，零件溫度越高，但是不符合大多數(shù)客戶的使用情況，也使得熱管理標(biāo)準(zhǔn)變高，對(duì)控制成本不利，需合理確定混動(dòng)模式開啟時(shí)間。
上述工況可以滿足大多數(shù)用戶使用情況，也可以模擬出生命周期曲線，但是在實(shí)際使用中，還是有一些極端情況無法覆蓋。為此，又設(shè)計(jì)了2個(gè)特殊工況，用來驗(yàn)證較為極端的情況。
一個(gè)是城市堵車工況，在該工況下，PHEV需要頻繁啟停，此時(shí)高壓電池頻繁充、放電，而且發(fā)動(dòng)機(jī)處于可能工作也可能不工作的階段，此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)工作情況不惡劣，冷卻系統(tǒng)溫度不高，但是散熱較差，發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)零部件溫度較高，而且電池溫度如果沒有很好地散熱，溫度也會(huì)急劇升高。在某一PHEV不開啟冷卻系統(tǒng)的情況下，進(jìn)行該試驗(yàn)工況，高壓電池溫度在試驗(yàn)過程中迅速升溫，超過了高壓電池安全工作區(qū)間，如圖4所示。故而該工況對(duì)考核PHEV高壓電池?zé)峁芾砭哂泻芎玫闹笇?dǎo)意義。
另一個(gè)是高壓電池電量較低時(shí)的高溫上、下坡工況，上坡時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)為滿足駕駛工況的需要，需要全程啟動(dòng)，熱負(fù)荷較高;下坡時(shí)，高壓電池電量較低需要大電流充電，該工況上坡時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱系統(tǒng)要求較高，下坡時(shí)對(duì)電池散熱系統(tǒng)要求較高。
后兩個(gè)工況在用戶行駛生命周期中，出現(xiàn)的次數(shù)并不多，所占的權(quán)重也不大。但是如果試驗(yàn)的過程中，冷卻液出現(xiàn)溫度過高，空調(diào)無法正常工作，或者超過零部件工作極限溫度，則說明熱管理方案也是不合格的。
通過對(duì)3種工況的綜合考核，得出1個(gè)適合我國(guó)開發(fā)車型的PHEV駕駛工況，并應(yīng)用到實(shí)際中去。
3結(jié)語
PHEV經(jīng)過3種工況的試驗(yàn)驗(yàn)證，基本可以滿足用戶的使用需求。企業(yè)可以根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)產(chǎn)品車熱管理性能進(jìn)行優(yōu)化，做到合理地利用資源，既能滿足整車熱管理的需要又能做到控制成本，對(duì)企業(yè)提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力具有現(xiàn)實(shí)意義。
隨著電池續(xù)駛里程的增加，純電動(dòng)車將會(huì)得到更大的應(yīng)用，屆時(shí)需要對(duì)純電動(dòng)車的熱管理工況重新定義，使純電動(dòng)車經(jīng)過新工況的驗(yàn)證后既滿足熱管理的需求，也滿足廣大客戶的使用需求，這將是下一步研究的重點(diǎn)。
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