摘要：針對某插電式混合動力汽車 （PHEV）設(shè)計了一套熱管理系統(tǒng)，來保證其動力系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)在各工況下安全可靠地運行.通過虛擬仿真分析技術(shù)，對動力系統(tǒng)中的電機冷卻系統(tǒng)在典型工況進行仿真分析，評估了電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計的可行性.另外，考慮到熱管理系統(tǒng)的能耗，對電機冷卻系統(tǒng)中電動水泵及其控制策略進行優(yōu)化.計算結(jié)果顯示，優(yōu)化后春秋季、夏季環(huán)境的城市循環(huán)工況，電動水泵能耗分別降低了54%和85%，能耗降低明顯.

近年來，環(huán)境和能源問題在中國經(jīng)濟的快速發(fā)展中的挑戰(zhàn)越來越大，汽車產(chǎn)業(yè)作為擁有廣泛上下游供應(yīng)鏈的產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟中占有很大的比例.在政策層面，排放和燃油消耗法規(guī)也愈加嚴格［1-2］，在這一背景下，開發(fā)節(jié)能環(huán)保的汽車是一個趨勢.同時，中央政府及各地方政府頒布了一系列政策法規(guī)來推動新能源汽車的開發(fā)和市場化進程.

在眾多新能源汽車中，插電式混合動力汽車由于其兼具節(jié)能和充電優(yōu)勢，在市場上頗受歡迎.然而，由于插電式混合動力汽車存在兩種以上的動力源和多種工作模式，且它們之間又存在復(fù)雜的耦合模式，其開發(fā)難度及成本也相對較大.

為了實現(xiàn)整車在不同動力模式及工況下的工作，需要對發(fā)動機、發(fā)電機動力系統(tǒng)及其附件進行精確控制，這便是整車控制工作的目的所在［3］.整車熱管理控制是插電式混合動力汽車整車控制功能中很重要的模塊，使動力系統(tǒng)的零部件工作在合理的溫度范圍，同時盡可能降低熱管理系統(tǒng)的能耗.對整車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計、系統(tǒng)中零部件選型，以及電子水泵、電子風(fēng)扇、電動壓縮機、膨脹閥、電磁閥等的控制邏輯設(shè)定標定，是整車熱管理的重要工作內(nèi)容.

盧山、盧桂萍［4］等基于V字型開發(fā)模式，對某插電式混合動力汽車整車熱管理控制策略進行開發(fā)研究，經(jīng)過算法設(shè)計、模型開發(fā)、單元測試、功能驗證和實車驗證整個開發(fā)過程，保證各零部件的工作溫度在合理范圍內(nèi)，符合其控制軟件的功能需求.李峰［5］對某插電式混合動力汽車設(shè)計了一套利用發(fā)動機熱量給電池預(yù)熱、電機熱量給發(fā)動機預(yù)熱的方案，研究了基于發(fā)動機水溫、電機水溫、電池SOC不同而采用不同預(yù)熱模式的控制策略，從而提高了整車的能源利用效率.

然而，對于熱管理系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行部件的能耗研究較少.電子水泵、電動壓縮機、電子風(fēng)扇等這些驅(qū)動熱管理系統(tǒng)工作的重要部件，本身需要消耗一定的電池電量.對這些部件，設(shè)計合理的控制邏輯，在滿足系統(tǒng)合理工作水溫的前提下，降低其本身能耗也甚為重要.

1 插電式混合動力汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計

本文針對某插電式混合動力汽車設(shè)計了一套整車電機冷卻熱管理系統(tǒng)，來保證動力系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)在各模式/工況下的安全可靠運行.

該款插電式混合動力汽車的整車熱管理系統(tǒng)原理如圖1所示，該系統(tǒng)共有4個冷卻回路.分別是發(fā)動機冷卻及空調(diào)采暖系統(tǒng)回路；動力電池升溫/降溫系統(tǒng)回路；空調(diào)制冷系統(tǒng)回路；電機冷卻系統(tǒng)回路.


圖1 熱管理系統(tǒng)原理圖

發(fā)動機冷卻及空調(diào)采暖系統(tǒng)回路與傳統(tǒng)燃油車相比，在暖風(fēng)支路增加了一個電子水泵和單向閥、水加熱PTC、以及一個三通閥，保證車輛在純電動模式下的乘員艙采暖需求.同時，在暖風(fēng)支路并聯(lián)了一個板式換熱器，與動力電池升溫/降溫系統(tǒng)回路進行耦合換熱，從而保證動力電池的升溫需求.

動力電池升溫/降溫系統(tǒng)回路，是一個包含了板式換熱器、Chiller（動力電池冷卻器）、動力電池水冷板、電子水泵的回路系統(tǒng).通過板式換熱器與發(fā)動機冷卻及空調(diào)采暖系統(tǒng)回路耦合換熱，保證動力電池的升溫需求.通過Chiller與空調(diào)制冷系統(tǒng)回路耦合換熱，保證動力電池的降溫需求.

空調(diào)制冷系統(tǒng)回路是一個包含兩個并聯(lián)制冷支路的系統(tǒng).其中，一個支路為熱力膨脹閥和蒸發(fā)器，提供乘員艙的降溫需求；另一個支路為電子膨脹閥和Chiller保證動力電池的降溫需求.由于要同時保證乘員艙與動力電池的降溫需求，空調(diào)制冷回路的壓縮機及冷凝器也提高了要求.均通過電磁截止閥控制兩個支路的聯(lián)通和斷開.

電機冷卻系統(tǒng)回路是一個單獨的冷卻回路，包括了低溫散熱器、電子水泵、充電機、電機控制器、電機等.電子水泵驅(qū)動回路冷卻液流動，將各發(fā)熱件的熱量通過低溫散熱器與環(huán)境空氣換熱帶走.

整個熱管理系統(tǒng)的前端模塊 （散熱器、冷凝器、中冷器、低溫散熱器、電子風(fēng)扇）通過分層布置在汽車前保險桿格柵之后.通過正常行駛及風(fēng)扇驅(qū)動環(huán)境空氣強制對流換熱，將熱管理系統(tǒng)各回路的熱量帶走，使熱管理系統(tǒng)內(nèi)各部件在許用或需求溫度范圍內(nèi)工作.

2 電機冷卻系統(tǒng)匹配分析

電機冷卻系統(tǒng)是一個單獨的冷卻回路，且低溫散熱器布置在前端模塊的最前面.在前端模塊密封較好的前提下，低溫散熱器的進風(fēng)溫度與環(huán)境溫度大致相當.電機冷卻系統(tǒng)的換熱基本不受其他3個換熱系統(tǒng)的影響，所以，可以單獨評估電機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計是否滿足整車需求.

根據(jù)企業(yè)內(nèi)部標準以及整車熱平衡試驗經(jīng)驗，60 km/h爬坡 （9%坡度）工況下，整車負荷較大，對應(yīng)的電機、電機控制器散熱量也會比較大；同時這一工況下，車速不太高，低溫散熱器進風(fēng)量不會太大，對于電機冷卻系統(tǒng)挑戰(zhàn)較大.另外，蠕行工況 （設(shè)定蠕行車速6 km/h）下，雖然整車負荷不大，但是低溫散熱器進風(fēng)主要靠風(fēng)扇驅(qū)動，進風(fēng)來自貼近地面空氣或部分熱回流空氣，進風(fēng)溫度較高；同時，單靠風(fēng)扇驅(qū)動進風(fēng)，進風(fēng)量相對較小，電機冷卻系統(tǒng)也可能存在風(fēng)險.綜合以上，選定低速蠕行工況和60 km/h爬坡 （9%坡度）工況，評估電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計可行性.

本文采用三維CFD仿真分析與一維系統(tǒng)仿真分析相結(jié)合的方法，計算電機冷卻系統(tǒng)在純電動模式、典型工況下系統(tǒng)的溫度和流量，評估系統(tǒng)設(shè)計的可行性.

通過機艙三維CFD仿真分析，計算低速蠕行工況和60 km/h爬坡 （9%坡度）工況下，低溫散熱器的進風(fēng)量和進風(fēng)溫度，作為電機冷卻系統(tǒng)一維仿真分析的邊界輸入.機艙三維CFD仿真分析模型，如圖2所示.


圖2 機艙三維CFD分析模型

風(fēng)洞入口邊界定義為速度入口，入口風(fēng)速等同于車速；前端模塊換熱器 （低溫散熱器、冷凝器、中冷器、散熱器）定義為多孔介質(zhì)；風(fēng)扇采用多重坐標系法 （multiple reference frame，MRF）來模擬.設(shè)定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2 200 r/min，換熱器參數(shù)如表1所示.

表1 換熱器參數(shù)


三維CFD仿真分析可直觀得到低溫換熱器流場信息.由圖3可知，低速蠕行工況下，低溫散熱器進風(fēng)面，除左上小部分區(qū)域外，大部分區(qū)域速度分布均勻，有利于低溫散熱器換熱.溫度分布也較為均勻，說明前端模塊密封較好，有效控制機艙熱氣流回流到散熱器進風(fēng)面，有利于低溫散熱器換熱.


圖3 低速蠕行工況低溫散熱器進風(fēng)面云圖

由圖4可知：60 km/h爬坡工況 （9%坡度）下，低溫散熱器進風(fēng)面速度分布、溫度分布也較為均勻，有利于低溫散熱器換熱.


圖4 60 km/h爬坡 （9%坡度）工況低溫散熱器進風(fēng)面云圖

統(tǒng)計低溫散熱機艙三維CFD仿真分析計算結(jié)果如表2所示，作為電機冷卻系統(tǒng)一維仿真分析的邊界輸入.

表2 低溫散熱器流場信息表


按照電動機、電機控制器效率MAP圖，估算低速蠕行工況和60 km/h爬坡 （9%坡度）工況下各自的散熱量，作為邊界輸入.計算得到電機冷卻系統(tǒng)各部件進、出水溫度如表3所示，進水水溫滿足目標要求.說明系統(tǒng)設(shè)計可行.

表3 電機冷卻系統(tǒng)水溫分布表


3 電子控制策略優(yōu)化

3.1 電子水泵能耗分析

基于上述電機冷卻系統(tǒng)一維仿真分析模型，計算純電動模式、城市循環(huán)工況下電機冷卻系統(tǒng)的內(nèi)部水溫分布.其中，電子水泵的控制策略設(shè)定為充電機、電機控制器、電動機任何一個進水水溫大于40℃時，電子水泵開啟以定轉(zhuǎn)速 （6 500 r/min）工作.城市循環(huán) （30次）工況如圖5所示，30次循環(huán)總時間3 960 s，行駛里程19.83 km.


圖5 城市循環(huán) （30次）工況速度圖

計算春秋季 （環(huán)境溫度20℃）、夏季（環(huán)境溫度45℃）兩種不同環(huán)境下，電機冷卻系統(tǒng)各部件的進水溫度以及電子水泵的總功耗，見圖6和圖7.

由圖6可知，春秋季環(huán)境下，城市循環(huán)工況電機控制器進水水溫在17～19℃之間波動（圖6（a）），電機進水水溫在40～45℃之間波動（圖6（b）），均滿足小于65℃的水溫目標.夏季環(huán)境下，城市循環(huán)工況電機控制器進水水溫在52.5～55℃之間波動（圖6（c）），電機進水水溫在54～56.5℃之間波動（圖6（d）），滿足小于65℃的水溫目標.

由圖7可知，春秋季環(huán)境下，城市循環(huán)工況，電子水泵大部分時間不需要工作，其轉(zhuǎn)速為零.當電機進水溫度大于40℃時，電子水泵工作，驅(qū)動冷卻液循環(huán)，通過低溫散熱器與環(huán)境空氣換熱，將電機、電機控制器產(chǎn)生的熱量帶走，系統(tǒng)水溫下降，直至電機進水溫度小于40℃時，電子水泵又停止工作 （轉(zhuǎn)速為零）（圖7（a）），電子水泵輸出功率較?。▓D7（b））.夏季環(huán)境下，城市循環(huán)工況，電子水泵以定轉(zhuǎn)速進行工作（圖7（c）），電子水泵的輸出功率基本恒定（圖7（d））.

春秋季、夏季兩種季節(jié)環(huán)境下，整個城市循環(huán)工況電子水泵總能耗分別為：12.56 kJ和188.84 kJ.


圖6 城市循環(huán)工況部件進水水溫


圖7 城市循環(huán)工況電子水泵轉(zhuǎn)速和功率

3.2 電子水泵控制策略優(yōu)化

將電子水泵控制邏輯改為占空比模式，充電機、電機控制器、電動機進水溫度在不同溫度范圍內(nèi)，對應(yīng)電子水泵不同的占空比，即電子水泵不同的轉(zhuǎn)速.參數(shù)如表4所示.

表4 不同部件水溫范圍-電子水泵占空比數(shù)值表


電子水泵控制策略優(yōu)化后，城市循環(huán)工況下，各部件進水溫度見圖8（a）-（d）.電子水泵的轉(zhuǎn)速和功率見圖9（a）-（d）.

由圖8可知，春秋季環(huán)境下，城市循環(huán)工況電機控制器進水水溫在18～18.5℃之間波動（圖8（a）），電機進水水溫穩(wěn)定在40℃（圖8（b）），均滿足小于65℃的水溫目標.夏季環(huán)境下，城市循環(huán)工況電機控制器進水水溫在49～51℃之間波動（圖8（c）），電機進水水溫在54～56℃之間波動（圖8（d）），滿足小于65℃的水溫目標.

由圖9（a）、 （b）可知，春秋季環(huán)境，城市循環(huán)工況下，電子水泵控制策略優(yōu)化后，電子水泵轉(zhuǎn)速在975～3 250 r/min之間跳動.相對于策略優(yōu)化前，電子水泵轉(zhuǎn)速頻繁啟動、停止的情況，水泵運行更為穩(wěn)定，對水泵運行可靠性、噪音都能有所控制.同時、電子水泵輸出功率較優(yōu)化前有所減小，整個城市循環(huán)工況電子水泵總能耗降低為5.78 kJ，相較于策略優(yōu)化前，降低了54%.


圖8 優(yōu)化后城市循環(huán)工況部件進水水溫


圖9 優(yōu)化后城市循環(huán)工況電子水泵轉(zhuǎn)速和功率

由圖9（c）、（d）可知，夏季環(huán)境，城市循環(huán)工況下，電子水泵控制策略優(yōu)化后，電機冷卻系統(tǒng)各部件初始溫度均為環(huán)境溫度45℃，電子水泵以3 250 r/min轉(zhuǎn)速工作，大約200 s后，電機進水溫度穩(wěn)定在54～56℃之間波動，位于40～60℃溫度區(qū)間，電子水泵持續(xù)以3 250 r/min轉(zhuǎn)速工作，完成整個城市循環(huán)工況.相對于策略優(yōu)化前6 500 r/min工作轉(zhuǎn)速，電子水泵工作轉(zhuǎn)速大幅降低.電子水泵的輸出功率較優(yōu)化前也大幅減小.相對應(yīng)的整個城市循環(huán)工況，電子水泵總能耗降低為27.58 kJ，相較于策略優(yōu)化前的188.84 kJ，降低了85%，能耗降低明顯.

4 結(jié) 論

1）針對某插電式混合動力汽車設(shè)計了一套整車電機冷卻熱管理系統(tǒng)，來保證動力系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等在各模式/工況下的安全可靠運行.

2）基于三維CFD仿真分析與一維系統(tǒng)仿真分析相結(jié)合的方法，計算了電機冷卻系統(tǒng)在純電動模式，低速蠕行工況和60 km/h爬坡工況下系統(tǒng)的溫度和流量，評估系統(tǒng)設(shè)計可行.

3）考慮到熱管理系統(tǒng)的能耗，對電機冷卻系統(tǒng)中電子水泵及其控制策略進行優(yōu)化.計算了優(yōu)化前后，春秋季、夏季兩種環(huán)境下，城市循環(huán)工況（30次）電機冷卻系統(tǒng)電子水泵總能耗.計算結(jié)果顯示，優(yōu)化后，春秋季、夏季環(huán)境，城市循環(huán)工況下，電子水泵能耗分別降低54%和85%，能耗降低明顯.


作者：易 舒2， 劉慧軍1，2， 徐作文2， 牛麗媛2
1.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院
2.浙江眾泰汽車工程研究院