摘要：針對(duì)某插電式混合動(dòng)力汽車 （PHEV）設(shè)計(jì)了一套熱管理系統(tǒng)，來保證其動(dòng)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(yùn)行.通過虛擬仿真分析技術(shù)，對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)中的電機(jī)冷卻系統(tǒng)在典型工況進(jìn)行仿真分析，評(píng)估了電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性.另外，考慮到熱管理系統(tǒng)的能耗，對(duì)電機(jī)冷卻系統(tǒng)中電動(dòng)水泵及其控制策略進(jìn)行優(yōu)化.計(jì)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(dòng)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(guó)經(jīng)濟(jì)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(guó)民經(jīng)濟(jì)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(yán)格［1-2］，在這一背景下，開發(fā)節(jié)能環(huán)保的汽車是一個(gè)趨勢(shì).同時(shí)，中央政府及各地方政府頒布了一系列政策法規(guī)來推動(dòng)新能源汽車的開發(fā)和市場(chǎng)化進(jìn)程.

在眾多新能源汽車中，插電式混合動(dòng)力汽車由于其兼具節(jié)能和充電優(yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)上頗受歡迎.然而，由于插電式混合動(dòng)力汽車存在兩種以上的動(dòng)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(duì)較大.

為了實(shí)現(xiàn)整車在不同動(dòng)力模式及工況下的工作，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)及其附件進(jìn)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(dòng)力汽車整車控制功能中很重要的模塊，使動(dòng)力系統(tǒng)的零部件工作在合理的溫度范圍，同時(shí)盡可能降低熱管理系統(tǒng)的能耗.對(duì)整車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)中零部件選型，以及電子水泵、電子風(fēng)扇、電動(dòng)壓縮機(jī)、膨脹閥、電磁閥等的控制邏輯設(shè)定標(biāo)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(duì)某插電式混合動(dòng)力汽車整車熱管理控制策略進(jìn)行開發(fā)研究，經(jīng)過算法設(shè)計(jì)、模型開發(fā)、單元測(cè)試、功能驗(yàn)證和實(shí)車驗(yàn)證整個(gè)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(duì)某插電式混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)了一套利用發(fā)動(dòng)機(jī)熱量給電池預(yù)熱、電機(jī)熱量給發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)熱的方案，研究了基于發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、電機(jī)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(duì)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(dòng)壓縮機(jī)、電子風(fēng)扇等這些驅(qū)動(dòng)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(duì)這些部件，設(shè)計(jì)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(dòng)力汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文針對(duì)某插電式混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)了一套整車電機(jī)冷卻熱管理系統(tǒng)，來保證動(dòng)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(yùn)行.

該款插電式混合動(dòng)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(gè)冷卻回路.分別是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻及空調(diào)采暖系統(tǒng)回路；動(dòng)力電池升溫/降溫系統(tǒng)回路；空調(diào)制冷系統(tǒng)回路；電機(jī)冷卻系統(tǒng)回路.


圖1 熱管理系統(tǒng)原理圖

發(fā)動(dòng)機(jī)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(gè)電子水泵和單向閥、水加熱PTC、以及一個(gè)三通閥，保證車輛在純電動(dòng)模式下的乘員艙采暖需求.同時(shí)，在暖風(fēng)支路并聯(lián)了一個(gè)板式換熱器，與動(dòng)力電池升溫/降溫系統(tǒng)回路進(jìn)行耦合換熱，從而保證動(dòng)力電池的升溫需求.

動(dòng)力電池升溫/降溫系統(tǒng)回路，是一個(gè)包含了板式換熱器、Chiller（動(dòng)力電池冷卻器）、動(dòng)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(dòng)機(jī)冷卻及空調(diào)采暖系統(tǒng)回路耦合換熱，保證動(dòng)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(dòng)力電池的降溫需求.

空調(diào)制冷系統(tǒng)回路是一個(gè)包含兩個(gè)并聯(lián)制冷支路的系統(tǒng).其中，一個(gè)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(gè)支路為電子膨脹閥和Chiller保證動(dòng)力電池的降溫需求.由于要同時(shí)保證乘員艙與動(dòng)力電池的降溫需求，空調(diào)制冷回路的壓縮機(jī)及冷凝器也提高了要求.均通過電磁截止閥控制兩個(gè)支路的聯(lián)通和斷開.

電機(jī)冷卻系統(tǒng)回路是一個(gè)單獨(dú)的冷卻回路，包括了低溫散熱器、電子水泵、充電機(jī)、電機(jī)控制器、電機(jī)等.電子水泵驅(qū)動(dòng)回路冷卻液流動(dòng)，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(gè)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(xiǎn)桿格柵之后.通過正常行駛及風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)環(huán)境空氣強(qiáng)制對(duì)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(jī)冷卻系統(tǒng)匹配分析

電機(jī)冷卻系統(tǒng)是一個(gè)單獨(dú)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(jìn)風(fēng)溫度與環(huán)境溫度大致相當(dāng).電機(jī)冷卻系統(tǒng)的換熱基本不受其他3個(gè)換熱系統(tǒng)的影響，所以，可以單獨(dú)評(píng)估電機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否滿足整車需求.

根據(jù)企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)以及整車熱平衡試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，60 km/h爬坡 （9%坡度）工況下，整車負(fù)荷較大，對(duì)應(yīng)的電機(jī)、電機(jī)控制器散熱量也會(huì)比較大；同時(shí)這一工況下，車速不太高，低溫散熱器進(jìn)風(fēng)量不會(huì)太大，對(duì)于電機(jī)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(fù)荷不大，但是低溫散熱器進(jìn)風(fēng)主要靠風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)，進(jìn)風(fēng)來自貼近地面空氣或部分熱回流空氣，進(jìn)風(fēng)溫度較高；同時(shí)，單靠風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)進(jìn)風(fēng)，進(jìn)風(fēng)量相對(duì)較小，電機(jī)冷卻系統(tǒng)也可能存在風(fēng)險(xiǎn).綜合以上，選定低速蠕行工況和60 km/h爬坡 （9%坡度）工況，評(píng)估電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)算電機(jī)冷卻系統(tǒng)在純電動(dòng)模式、典型工況下系統(tǒng)的溫度和流量，評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性.

通過機(jī)艙三維CFD仿真分析，計(jì)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(jìn)風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)溫度，作為電機(jī)冷卻系統(tǒng)一維仿真分析的邊界輸入.機(jī)艙三維CFD仿真分析模型，如圖2所示.


圖2 機(jī)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(biāo)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?fù)Q熱器流場(chǎng)信息.由圖3可知，低速蠕行工況下，低溫散熱器進(jìn)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(jī)艙熱氣流回流到散熱器進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)風(fēng)面云圖

統(tǒng)計(jì)低溫散熱機(jī)艙三維CFD仿真分析計(jì)算結(jié)果如表2所示，作為電機(jī)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(chǎng)信息表


按照電動(dòng)機(jī)、電機(jī)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(jì)算得到電機(jī)冷卻系統(tǒng)各部件進(jìn)、出水溫度如表3所示，進(jìn)水水溫滿足目標(biāo)要求.說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行.

表3 電機(jī)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(jī)冷卻系統(tǒng)一維仿真分析模型，計(jì)算純電動(dòng)模式、城市循環(huán)工況下電機(jī)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(jī)、電機(jī)控制器、電動(dòng)機(jī)任何一個(gè)進(jìn)水水溫大于40℃時(shí)，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(shí)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(jì)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(jī)冷卻系統(tǒng)各部件的進(jìn)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(jī)控制器進(jìn)水水溫在17～19℃之間波動(dòng)（圖6（a）），電機(jī)進(jìn)水水溫在40～45℃之間波動(dòng)（圖6（b）），均滿足小于65℃的水溫目標(biāo).夏季環(huán)境下，城市循環(huán)工況電機(jī)控制器進(jìn)水水溫在52.5～55℃之間波動(dòng)（圖6（c）），電機(jī)進(jìn)水水溫在54～56.5℃之間波動(dòng)（圖6（d）），滿足小于65℃的水溫目標(biāo).

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(shí)間不需要工作，其轉(zhuǎn)速為零.當(dāng)電機(jī)進(jìn)水溫度大于40℃時(shí)，電子水泵工作，驅(qū)動(dòng)冷卻液循環(huán)，通過低溫散熱器與環(huán)境空氣換熱，將電機(jī)、電機(jī)控制器產(chǎn)生的熱量帶走，系統(tǒng)水溫下降，直至電機(jī)進(jìn)水溫度小于40℃時(shí)，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(jìn)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(gè)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(jìn)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(jī)、電機(jī)控制器、電動(dòng)機(jī)進(jìn)水溫度在不同溫度范圍內(nèi)，對(duì)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(jìn)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(jī)控制器進(jìn)水水溫在18～18.5℃之間波動(dòng)（圖8（a）），電機(jī)進(jìn)水水溫穩(wěn)定在40℃（圖8（b）），均滿足小于65℃的水溫目標(biāo).夏季環(huán)境下，城市循環(huán)工況電機(jī)控制器進(jìn)水水溫在49～51℃之間波動(dòng)（圖8（c）），電機(jī)進(jìn)水水溫在54～56℃之間波動(dòng)（圖8（d）），滿足小于65℃的水溫目標(biāo).

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(dòng).相對(duì)于策略優(yōu)化前，電子水泵轉(zhuǎn)速頻繁啟動(dòng)、停止的情況，水泵運(yùn)行更為穩(wěn)定，對(duì)水泵運(yùn)行可靠性、噪音都能有所控制.同時(shí)、電子水泵輸出功率較優(yōu)化前有所減小，整個(gè)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(jìn)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(jī)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(jī)進(jìn)水溫度穩(wěn)定在54～56℃之間波動(dòng)，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(gè)城市循環(huán)工況.相對(duì)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(duì)應(yīng)的整個(gè)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(duì)某插電式混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)了一套整車電機(jī)冷卻熱管理系統(tǒng)，來保證動(dòng)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(yùn)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(jì)算了電機(jī)冷卻系統(tǒng)在純電動(dòng)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(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行.

3）考慮到熱管理系統(tǒng)的能耗，對(duì)電機(jī)冷卻系統(tǒng)中電子水泵及其控制策略進(jìn)行優(yōu)化.計(jì)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(jī)冷卻系統(tǒng)電子水泵總能耗.計(jì)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