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东风汽车 | 某电动汽车整车热管理系统控制策略研究

2020-04-10 20:27:24·  来源：电动学堂  
　
作者单位：东风汽车公司技术中心引言随着电动汽车的发展，电动汽车热管理系统的设计开发成为研究的重点。电动汽车零件发热原理与传统内燃机有很大的不同，热管理
作者单位：东风汽车公司技术中心
 
引言
随着电动汽车的发展，电动汽车热管理系统的设计开发成为研究的重点。电动汽车零件发热原理与传统内燃机有很大的不同，热管理回路也不同于传统汽车，因此有必要根据这些特点来分析和设计电动汽车的热管理系统及策略。电动汽车的动力系统包括驱动电机及控制器系统、发电机系统、以及动力电池系统，同时出于节能、集成化的考虑，空调采用节能的热泵系统：制热通过车辆前部的蒸发冷凝器，制冷通过发动机舱内的水冷凝器；需要对上述各系统进行热交换的管理，且将各热管理系统集成在一起，并根据不同的整车工况制订相应的控制策略，这就对热管理系统的设计提出了更高的要求。
1 设计要求
1.1 热泵原理
由于配置了热泵，使用水PTC的电动汽车其行驶里程并没有明显减少。乘员舱所需的热量由带热泵的暖风空调系统提供。热泵的工作原理与暖风空调系统相反，高温高压的制冷剂流过水冷凝器时，释放的热能由冷却液带走，而流过热泵热交换器时，制冷剂释放的热能用于加热乘员舱。
1.2 热管理系统性能要求
 
表1为热管理系统设计输入参数，由于各系统零部件对热管理系统的不同要求，整车热管理系统分为三个分系统：电机系统冷却系统、热泵系统热管理系统以及电池系统热管理系统，其中，电机热管理系统为冷却液一一空气热交换系统，包括电机、电机控制器、OBC和DC/DC的冷却；其他系统均为制冷剂一一冷却液热交换系统。
1.3 工作模式的选择
电动汽车热管理系统工作模式选择是否合理，会直接影响热管理系统性能的设定。如果所定义的工作模式不符合实际使用情况，会造成设计余量过大，使得整车质量、成本和能耗增加；反之，会造成冷却能力不足，使回路中零件过热甚至出现故障。结合某款纯电动汽车不同的整车工况，定义热管理系统工作模式，如表2所示共8种模式。
 
2 热管理系统方案设计
根据行车工况和环境条件，热管理系统可以自动调节冷却或加热强度，以保证零件工作在最佳温度范围，从而优化整车的环保性能和节能效果，同时改善整车运行安全性和驾驶舒适性等。该款电动汽车热管理系统必然要考虑到电机冷却系统、电池热管理系统、热泵热管理系统以及环境影响等因素。
由于整车各热管理系统对冷却液的温度要求不同，将整车热管理系统的循环回路分为三个分别是驱动电机系统冷却、热泵系统热管理和电池热管理系统循环回路，如图1所示。
 
因为电机、控制器、OBC和DC/DC对冷却液温度要求相近，且OBC和DC/DC在驻车外接电源充电和驻车发电时均工作，所以将电机、控制器、OBC和DC/DC的冷却回路组合到一起，成为电机冷却系统回路，同时需要在系统回路中布置低温散热器和电动水泵。考虑到散热量的大小和冷却液温度限值的不同，经过散热器冷却后的冷却液依次通过BC和DC/DC、电机/控制器。
热泵系统只有在使用空调时工作，所以将水冷凝器、水PTC、两通电磁阀、电动水泵、蒸发冷凝器、压缩机等组成暖通回路和制冷回路。
电池热管理系统对冷却液温度要求≤30℃，远低于车辆使用环境温度及上述两个回路中的冷却液温度，所以不能与上述两回路中的任何一个共用系统，将电池、Chiller膨胀阀、三通电磁阀、水泵组成电池热管理回路。当电池需要冷却时，经过Chiller膨胀阀中制冷剂冷却后的冷却液通过电池带走热量；当电池需要加热时，三通电磁阀打开，电机冷却回路中的高温冷却液进入，对电池进行加热。
3 热管理系统控制策略
受篇幅限制，挑选较具代表性的模式5、模式7、模式8进行说明。
3.1 模式5（空调制冷，电池需要外部冷却）
 
当环境温度＞5℃且乘员舱开启制冷模式时，电池需要进行外部冷却。此时，蒸发冷凝器膨胀阀和10mm截止间关闭，蒸发冷凝器不工作；电池回路三通电磁间关闭，防止电机回路的热水进入电池；16mm截止阀、chiller膨胀阅、HVAC膨胀间均开启，电池冷却回路独立循环，通过chiller中的制冷剂进行冷却；暖通回路两通电磁间打开，暖通回路与电机回路连通，制冷齐。通过水冷凝器将热量释放到暖通回路冷却液中，然后热水进入电机冷却回路，通过散热器向环境散热；电池回路水泵、电机回路水泵、暖通回路水泵同时工作。
3.2 模式7（热泵制热，电池不需要外部加热）
 
当20℃＜环境温度＜15℃且乘员舱开启制热模式时，采用热泵系统制热，电池不需要加热。此时，16mm截止间，chiller膨胀间关闭，通过前端模块中的蒸发冷凝器从空气中吸收热量，给乘员舱提供采暖；两通电磁间和三通电磁阀均关闭，将电机回路、电池回路、暖通回路三个回路相互隔离；暖通回路水泵需要工作以正常制热，电机回路水泵可根据具体冷却液温度工作或不工作，电池回路水泵不工作。
3.3 模式8（水PTC制热，电池需要外部加热）
 
当环境温度＜-20℃时，热泵已经无法满足乘员舱采暖需求，需要由水PTC来制热，且电池需要外部加热。此时，16mm截止阀、10mm截止阀、chiller膨胀阀和蒸发冷凝器膨胀阀关闭，蒸发冷凝器不工作，水PTC制热给乘员舱采暖；三通电磁阀、两通电磁阀均打开暖通回路中的热水进入电池回路中，给电池加热；电池回路水泵、暖通回路水泵工作，电机回路水泵不工作。
4 CAE模拟分析
通过对机舱流场进行三维CFD仿真分析，可以确认各工况下通过冷却模块的风速作为冷却系统能力计算的依据，风量数据如表3所示。表3前端冷却模块凤速分析结果工况散热器风速分布蒸发冷凝器风速分布
 
 
同时也对空调性能进行了CAE分析，图5为空调环境模拟性能CAE分析结果，展示了前格栅开孔面积及冷却风扇转速对空调性能的影响。后续会在实车试验中，根据实际试验结果，在风扇噪声和空调性能间进行平衡。
 
5 冷却系统能力计算
根据该款纯电动汽车冷却系统的散热需求，以及CFD仿真分析得到的风速数据，通过冷却系统计算，可以得到车辆在各工况下的冷却能力，其表征值为许用环境温度。表4为冷却能力计算结果，结果显示满足整车设计要求。
 
 
6 结论
本文以某款电动汽车热管理系统开发为例，设计出将电机系统冷却系统、电池系统热管理系统、热泵系统结合在一起的热管理循环回路；并根据整车实际使用需求制定出不同的热管理系统控制策略，为后续采用热泵系统的电动汽车热管理系统的开发提供了参考。
 
 
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