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中國重汽｜純電動汽車冷卻系統(tǒng)匹配研究

2020-04-06 16:36:54·  來源：電動學堂  
　
作者單位：中國重汽集團成都王牌商用車有限公司1、前言近年來，隨著電動汽車覆蓋面的延伸、多平臺的推廣與應用，對電機的性能需求也在不斷的提高，為滿足更高要
作者單位：中國重汽集團成都王牌商用車有限公司
 
1、前言
近年來，隨著電動汽車覆蓋面的延伸、多平臺的推廣與應用，對電機的性能需求也在不斷的提高，為滿足更高要求的性能需求，那么帶來的就是電機轉(zhuǎn)速和功率的同步提高，熱負荷也越來越大，對冷卻系統(tǒng)的要求也越來越高，過去的風冷已經(jīng)無法滿足散熱需求，只能采用水冷，因此開發(fā)水冷電機與之配套的強制冷卻系統(tǒng)已成為必然趨勢。
 
對于采用水冷的汽車，散熱器是汽車冷卻系統(tǒng)中不可或缺的重要部件，而電子風扇式散熱器又是電動汽車冷卻系統(tǒng)中不可獲卻的重要部件，其作用是將電機與相關(guān)控制單元所產(chǎn)生的多余熱量經(jīng)過二次熱交換，在外界強制氣流的作用下，從高溫零件所吸收的熱量散發(fā)到空氣中的熱交換裝置。因此電子風扇式散熱器的性能將直接影響汽車電機與控制單元的散熱效果，直接影響整個系統(tǒng)能量的消耗，影響其動力性、經(jīng)濟性和可靠性，乃至其正常工作和安全行駛的問題。
基于現(xiàn)狀，人們對包括散熱器、電子風扇在內(nèi)的冷卻系統(tǒng)的研究愈加重視，新技術(shù)、新材料不斷涌現(xiàn)。
 
本文將基于某公司一款純電動輕卡。在保證驅(qū)動電機性能和效率的前提下，開展冷卻系統(tǒng)分析與如何匹配計算，這也是本論文的要點。同時通過試驗來驗證匹配符合性。通過對冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)介紹、結(jié)合電機與控制單元的散熱要求，正確設(shè)計與其匹配的散熱器，并通過整車熱平衡試驗驗證其散熱效果，從而確定其匹配計算是否合理。
 
2、純電動汽車冷卻系統(tǒng)工作原理
 
電機與控制器使用工作溫度一般在30℃~60℃之間，因此在冷卻系統(tǒng)設(shè)計中對于冷卻的溫度控制至關(guān)重要，特別是高溫情況，將大大影響整個系統(tǒng)零部件的使用效率、壽命與故障率，因此在整個設(shè)計過程中將對實際溫度進行監(jiān)控，設(shè)計相應的報警傳感器。同時避免因整個冷卻系統(tǒng)管路較長、彎折較多的布置，冷卻管路中易存在氣體，不易被排出（氣體隨溫度的上升呈翻倍的膨脹），容易引起水溫偏高與問題判斷，因此在設(shè)計中一般都設(shè)計有膨脹水箱，消除氣體排空帶來的影響。冷卻系統(tǒng)組成示意圖如圖2.1 所示。
 
3、散熱器、電子風扇與電機的匹配計算
以某公司純電動汽車散熱器設(shè)計為例，具體介紹散熱器的匹配：
3.1 設(shè)計輸入：
 
B.水泵特性
 
 
C.初步匹配散熱器參數(shù)
 
D.電子風扇參數(shù)
 
3.2 冷卻系統(tǒng)散熱量的計算
電驅(qū)動系統(tǒng)散入冷卻系統(tǒng)的最大散熱量：
 
3.3 冷卻液需求量 Vw計算
取儲備系數(shù)為1.2，則冷卻液的需求量： ?? ?
 
式中：Vw —冷卻液的需求量，單位m³/s；
Qw —電驅(qū)動系統(tǒng)散入冷卻系統(tǒng)的最大散熱量， Qw=7.22kJ/s；
Δtw—冷卻水經(jīng)過電驅(qū)動系統(tǒng)的容許溫升，取Δtw =7℃（汽車內(nèi)燃機一般Δtw =6～12℃，此處Δt w可參考內(nèi)燃機選取，并取較小值）；
γw—冷卻液密度，γw=1064kg/m³；
Cw —冷卻液的比熱容，Cw=3.416kJ/kg•℃。
則Vw =1.2×7.22/（7×1064×3.416）=0.00034m³/s=20.4L/min
根據(jù)給定參數(shù)，電機冷卻液需求量為17L/min，控制器冷卻液需求量為18L/min，初步選定冷卻液流量為20L/min。
3.4 空氣需求量Va 的計算
冷卻空氣的需求量Va 一般根據(jù)散熱器的散熱量確定。散熱器的散熱量一般等于冷卻系統(tǒng)的散熱量Qw，則??
 
其中：Va —空氣流量需求，單位m³/s；
Δta —空氣進人散熱器以前與通過散熱器以后的溫度差，取Δta =8℃（汽車內(nèi)燃機一般 Δta =10～30℃，電動車因液氣溫差較低，此處選取 Δta 應比內(nèi)燃機選取的略?。?；
γa —空氣密度，取γa =1.01kg/m³；
Cp —空氣定壓比熱容，取Cp =1.047kJ/kg•℃。
則Va =7.22/（8×1.01×1.047）=0.85 m³/s=3060m³/h
3.5 散熱器正面面積R F 的校核aaRF V??
 
其中：FR —散熱器正面面積，單位㎡；
Va —散熱器正面前的空氣流速（m/s）,載荷汽車取Va =8～10m/s，轎車取Va =10～15m/s。
取Va =8m/s，則FR =0.85/8=0.11 ㎡匹配散熱器芯體的正面面積FR=0.215 ㎡，滿足要求。
3.6 散熱器散熱面積的校核
 
其中：F —散熱器散熱面積，單位㎡；
KR —傳熱系數(shù)， KR =0.063kJ/㎡•s•℃[根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，冷卻液流量20L/min，風速8m/s，Δt =60℃，Qw =36.9kJ/s,求得KR =36.9/（60×9.7）=0.063 kJ/㎡•s•℃]；
Δt—平均冷卻液溫度與平均空氣溫度的差值，Δt = twm -tam ；
冷卻水平均溫度twm = tw1 -Δtw/2，取散熱器出水口溫度 tw2=55℃，散熱器進出口溫度差 Δtw =7℃（注：Δtw 前面已取值），則進水溫度tw1 =55+7=62℃（注：電機要求進水溫度≤60℃，出水溫度≤70℃）；
冷卻空氣平均溫度tam = ta1 + ta/2，取散熱器冷卻空氣進口溫度ta1 =42℃，冷卻空氣進出口溫差aΔt =8℃（Δta 前面已取值）。
 
考慮到焊接不良，水垢油泥等因素，散熱器實際選取的散熱面積F0 要比計算結(jié)果F 大一些，通常取
其中：F0 —散熱器選取的散熱面積，單位㎡；
β —儲備系數(shù)，一般取β =1.1～1.15，取β =1.1。
則F0 =1.1×7.22/（0.063×12.5）=10.1 ㎡
匹配散熱器的散熱面積F =9.7 ㎡，不滿足要求。
增大冷卻液流量，調(diào)為25L/min，再計算F0 。
根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，冷卻液流量 25L/min，風速 8m/s，Δt =60℃， Qw =39.23kJ/s,求得KR=39.23/（60×9.7）=0.067 kJ/㎡•s•℃
則F0 =1.1×7.22/（0.067×12.5）=9.5 ㎡
匹配散熱器的散熱面積F =9.7 ㎡，滿足要求。
3.7 電子風扇驅(qū)動風量的校核
冷卻空氣需求量Va 為3060m³/h，電子風扇在靜壓為120Pa 時，風量大于等于3000m³/h，即幾乎不考慮行車風速，只依靠電子風扇驅(qū)風量即可滿足需要。這里選取的電子風扇驅(qū)風量較大，主要是考慮到散熱器實際布置情況，散熱器前后遮擋物較多，布置較為緊湊。
3.8 水泵校核
參考其他車型及初步計算需求流量數(shù)據(jù)，初步選定水泵：流量25L/min，揚程6m。從水泵特性曲線可以求得，在水泵滿負荷工作狀態(tài)下：
某公司水泵型號1：流量25L/min，揚程9.5m；
某公司水泵型號2：流量25L/min，揚程6.5m；兩個水泵均滿足要求。
3.8 冷卻系統(tǒng)熱平衡試驗驗證其散熱效果（如下圖）：
 
對該冷卻系統(tǒng)按照GB/T 12542-90 進行發(fā)動機熱平衡試驗（環(huán)境溫度32℃）以驗證該散熱器的性能。
由此看出，在環(huán)境溫度為36℃，平衡點最高水溫在51℃左右，考慮到極限氣溫在42℃條件下，那么冷卻系統(tǒng)水溫對應增加6℃，最高溫度57℃＜60℃使用要求，因此該冷卻系統(tǒng)冷卻性能符合冷卻系統(tǒng)匹配條件。
4、結(jié)論
從理論計算上與實際熱平衡試驗上看，所匹配的散熱器、電子風扇和水泵均可滿足冷卻系統(tǒng)的散熱要求。故可按照上述配匹配方案進行選型設(shè)計。通過對純電動汽車冷卻系統(tǒng)分析，不難發(fā)現(xiàn)隨著純電動汽車的發(fā)展，對電機需求的提高，研發(fā)與提高水冷系統(tǒng)冷卻必將是純電動汽車行業(yè)發(fā)展的必然結(jié)果和趨勢。
 
 
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