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中国重汽｜纯电动汽车冷却系统匹配研究

2020-04-06 16:36:54·  来源：电动学堂  
　
作者单位：中国重汽集团成都王牌商用车有限公司1、前言近年来，随着电动汽车覆盖面的延伸、多平台的推广与应用，对电机的性能需求也在不断的提高，为满足更高要
作者单位：中国重汽集团成都王牌商用车有限公司
 
1、前言
近年来，随着电动汽车覆盖面的延伸、多平台的推广与应用，对电机的性能需求也在不断的提高，为满足更高要求的性能需求，那么带来的就是电机转速和功率的同步提高，热负荷也越来越大，对冷却系统的要求也越来越高，过去的风冷已经无法满足散热需求，只能采用水冷，因此开发水冷电机与之配套的强制冷却系统已成为必然趋势。
 
对于采用水冷的汽车，散热器是汽车冷却系统中不可或缺的重要部件，而电子风扇式散热器又是电动汽车冷却系统中不可获却的重要部件，其作用是将电机与相关控制单元所产生的多余热量经过二次热交换，在外界强制气流的作用下，从高温零件所吸收的热量散发到空气中的热交换装置。因此电子风扇式散热器的性能将直接影响汽车电机与控制单元的散热效果，直接影响整个系统能量的消耗，影响其动力性、经济性和可靠性，乃至其正常工作和安全行驶的问题。
基于现状，人们对包括散热器、电子风扇在内的冷却系统的研究愈加重视，新技术、新材料不断涌现。
 
本文将基于某公司一款纯电动轻卡。在保证驱动电机性能和效率的前提下，开展冷却系统分析与如何匹配计算，这也是本论文的要点。同时通过试验来验证匹配符合性。通过对冷却系统的结构介绍、结合电机与控制单元的散热要求，正确设计与其匹配的散热器，并通过整车热平衡试验验证其散热效果，从而确定其匹配计算是否合理。
 
2、纯电动汽车冷却系统工作原理
 
电机与控制器使用工作温度一般在30℃~60℃之间，因此在冷却系统设计中对于冷却的温度控制至关重要，特别是高温情况，将大大影响整个系统零部件的使用效率、寿命与故障率，因此在整个设计过程中将对实际温度进行监控，设计相应的报警传感器。同时避免因整个冷却系统管路较长、弯折较多的布置，冷却管路中易存在气体，不易被排出（气体随温度的上升呈翻倍的膨胀），容易引起水温偏高与问题判断，因此在设计中一般都设计有膨胀水箱，消除气体排空带来的影响。冷却系统组成示意图如图2.1 所示。
 
3、散热器、电子风扇与电机的匹配计算
以某公司纯电动汽车散热器设计为例，具体介绍散热器的匹配：
3.1 设计输入：
 
B.水泵特性
 
 
C.初步匹配散热器参数
 
D.电子风扇参数
 
3.2 冷却系统散热量的计算
电驱动系统散入冷却系统的最大散热量：
 
3.3 冷却液需求量 Vw计算
取储备系数为1.2，则冷却液的需求量：  
 
式中：Vw —冷却液的需求量，单位m³/s；
Qw —电驱动系统散入冷却系统的最大散热量， Qw=7.22kJ/s；
Δtw—冷却水经过电驱动系统的容许温升，取Δtw =7℃（汽车内燃机一般Δtw =6～12℃，此处Δt w可参考内燃机选取，并取较小值）；
γw—冷却液密度，γw=1064kg/m³；
Cw —冷却液的比热容，Cw=3.416kJ/kg•℃。
则Vw =1.2×7.22/（7×1064×3.416）=0.00034m³/s=20.4L/min
根据给定参数，电机冷却液需求量为17L/min，控制器冷却液需求量为18L/min，初步选定冷却液流量为20L/min。
3.4 空气需求量Va 的计算
冷却空气的需求量Va 一般根据散热器的散热量确定。散热器的散热量一般等于冷却系统的散热量Qw，则
 
其中：Va —空气流量需求，单位m³/s；
Δta —空气进人散热器以前与通过散热器以后的温度差，取Δta =8℃（汽车内燃机一般 Δta =10～30℃，电动车因液气温差较低，此处选取 Δta 应比内燃机选取的略小）；
γa —空气密度，取γa =1.01kg/m³；
Cp —空气定压比热容，取Cp =1.047kJ/kg•℃。
则Va =7.22/（8×1.01×1.047）=0.85 m³/s=3060m³/h
3.5 散热器正面面积R F 的校核aaRF V
 
其中：FR —散热器正面面积，单位㎡；
Va —散热器正面前的空气流速（m/s）,载荷汽车取Va =8～10m/s，轿车取Va =10～15m/s。
取Va =8m/s，则FR =0.85/8=0.11 ㎡匹配散热器芯体的正面面积FR=0.215 ㎡，满足要求。
3.6 散热器散热面积的校核
 
其中：F —散热器散热面积，单位㎡；
KR —传热系数， KR =0.063kJ/㎡•s•℃[根据实验数据，冷却液流量20L/min，风速8m/s，Δt =60℃，Qw =36.9kJ/s,求得KR =36.9/（60×9.7）=0.063 kJ/㎡•s•℃]；
Δt—平均冷却液温度与平均空气温度的差值，Δt = twm -tam ；
冷却水平均温度twm = tw1 -Δtw/2，取散热器出水口温度 tw2=55℃，散热器进出口温度差 Δtw =7℃（注：Δtw 前面已取值），则进水温度tw1 =55+7=62℃（注：电机要求进水温度≤60℃，出水温度≤70℃）；
冷却空气平均温度tam = ta1 + ta/2，取散热器冷却空气进口温度ta1 =42℃，冷却空气进出口温差aΔt =8℃（Δta 前面已取值）。
 
考虑到焊接不良，水垢油泥等因素，散热器实际选取的散热面积F0 要比计算结果F 大一些，通常取
其中：F0 —散热器选取的散热面积，单位㎡；
β —储备系数，一般取β =1.1～1.15，取β =1.1。
则F0 =1.1×7.22/（0.063×12.5）=10.1 ㎡
匹配散热器的散热面积F =9.7 ㎡，不满足要求。
增大冷却液流量，调为25L/min，再计算F0 。
根据实验数据，冷却液流量 25L/min，风速 8m/s，Δt =60℃， Qw =39.23kJ/s,求得KR=39.23/（60×9.7）=0.067 kJ/㎡•s•℃
则F0 =1.1×7.22/（0.067×12.5）=9.5 ㎡
匹配散热器的散热面积F =9.7 ㎡，满足要求。
3.7 电子风扇驱动风量的校核
冷却空气需求量Va 为3060m³/h，电子风扇在静压为120Pa 时，风量大于等于3000m³/h，即几乎不考虑行车风速，只依靠电子风扇驱风量即可满足需要。这里选取的电子风扇驱风量较大，主要是考虑到散热器实际布置情况，散热器前后遮挡物较多，布置较为紧凑。
3.8 水泵校核
参考其他车型及初步计算需求流量数据，初步选定水泵：流量25L/min，扬程6m。从水泵特性曲线可以求得，在水泵满负荷工作状态下：
某公司水泵型号1：流量25L/min，扬程9.5m；
某公司水泵型号2：流量25L/min，扬程6.5m；两个水泵均满足要求。
3.8 冷却系统热平衡试验验证其散热效果（如下图）：
 
对该冷却系统按照GB/T 12542-90 进行发动机热平衡试验（环境温度32℃）以验证该散热器的性能。
由此看出，在环境温度为36℃，平衡点最高水温在51℃左右，考虑到极限气温在42℃条件下，那么冷却系统水温对应增加6℃，最高温度57℃＜60℃使用要求，因此该冷却系统冷却性能符合冷却系统匹配条件。
4、结论
从理论计算上与实际热平衡试验上看，所匹配的散热器、电子风扇和水泵均可满足冷却系统的散热要求。故可按照上述配匹配方案进行选型设计。通过对纯电动汽车冷却系统分析，不难发现随着纯电动汽车的发展，对电机需求的提高，研发与提高水冷系统冷却必将是纯电动汽车行业发展的必然结果和趋势。
 
 
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