某PHEV 汽车电机冷却系统热管理策略优化

摘要：针对某插电式混合动力汽车 （PHEV）设计了一套热管理系统，来保证其动力系统、电池系统、空调系统在各工况下安全可靠地运行.通过虚拟仿真分析技术，对动力系统中的电机冷却系统在典型工况进行仿真分析，评估了电机冷却系统设计的可行性.另外，考虑到热管理系统的能耗，对电机冷却系统中电动水泵及其控制策略进行优化.计算结果显示，优化后春秋季、夏季环境的城市循环工况，电动水泵能耗分别降低了54%和85%，能耗降低明显.

近年来，环境和能源问题在中国经济的快速发展中的挑战越来越大，汽车产业作为拥有广泛上下游供应链的产业，在国民经济中占有很大的比例.在政策层面，排放和燃油消耗法规也愈加严格［1-2］，在这一背景下，开发节能环保的汽车是一个趋势.同时，中央政府及各地方政府颁布了一系列政策法规来推动新能源汽车的开发和市场化进程.

在众多新能源汽车中，插电式混合动力汽车由于其兼具节能和充电优势，在市场上颇受欢迎.然而，由于插电式混合动力汽车存在两种以上的动力源和多种工作模式，且它们之间又存在复杂的耦合模式，其开发难度及成本也相对较大.

为了实现整车在不同动力模式及工况下的工作，需要对发动机、发电机动力系统及其附件进行精确控制，这便是整车控制工作的目的所在［3］.整车热管理控制是插电式混合动力汽车整车控制功能中很重要的模块，使动力系统的零部件工作在合理的温度范围，同时尽可能降低热管理系统的能耗.对整车热管理系统的设计、系统中零部件选型，以及电子水泵、电子风扇、电动压缩机、膨胀阀、电磁阀等的控制逻辑设定标定，是整车热管理的重要工作内容.

卢山、卢桂萍［4］等基于V字型开发模式，对某插电式混合动力汽车整车热管理控制策略进行开发研究，经过算法设计、模型开发、单元测试、功能验证和实车验证整个开发过程，保证各零部件的工作温度在合理范围内，符合其控制软件的功能需求.李峰［5］对某插电式混合动力汽车设计了一套利用发动机热量给电池预热、电机热量给发动机预热的方案，研究了基于发动机水温、电机水温、电池SOC不同而采用不同预热模式的控制策略，从而提高了整车的能源利用效率.

然而，对于热管理系统内执行部件的能耗研究较少.电子水泵、电动压缩机、电子风扇等这些驱动热管理系统工作的重要部件，本身需要消耗一定的电池电量.对这些部件，设计合理的控制逻辑，在满足系统合理工作水温的前提下，降低其本身能耗也甚为重要.

1 插电式混合动力汽车热管理系统设计

本文针对某插电式混合动力汽车设计了一套整车电机冷却热管理系统，来保证动力系统、电池系统、空调系统在各模式/工况下的安全可靠运行.

该款插电式混合动力汽车的整车热管理系统原理如图1所示，该系统共有4个冷却回路.分别是发动机冷却及空调采暖系统回路；动力电池升温/降温系统回路；空调制冷系统回路；电机冷却系统回路.


图1 热管理系统原理图

发动机冷却及空调采暖系统回路与传统燃油车相比，在暖风支路增加了一个电子水泵和单向阀、水加热PTC、以及一个三通阀，保证车辆在纯电动模式下的乘员舱采暖需求.同时，在暖风支路并联了一个板式换热器，与动力电池升温/降温系统回路进行耦合换热，从而保证动力电池的升温需求.

动力电池升温/降温系统回路，是一个包含了板式换热器、Chiller（动力电池冷却器）、动力电池水冷板、电子水泵的回路系统.通过板式换热器与发动机冷却及空调采暖系统回路耦合换热，保证动力电池的升温需求.通过Chiller与空调制冷系统回路耦合换热，保证动力电池的降温需求.

空调制冷系统回路是一个包含两个并联制冷支路的系统.其中，一个支路为热力膨胀阀和蒸发器，提供乘员舱的降温需求；另一个支路为电子膨胀阀和Chiller保证动力电池的降温需求.由于要同时保证乘员舱与动力电池的降温需求，空调制冷回路的压缩机及冷凝器也提高了要求.均通过电磁截止阀控制两个支路的联通和断开.

电机冷却系统回路是一个单独的冷却回路，包括了低温散热器、电子水泵、充电机、电机控制器、电机等.电子水泵驱动回路冷却液流动，将各发热件的热量通过低温散热器与环境空气换热带走.

整个热管理系统的前端模块 （散热器、冷凝器、中冷器、低温散热器、电子风扇）通过分层布置在汽车前保险杆格栅之后.通过正常行驶及风扇驱动环境空气强制对流换热，将热管理系统各回路的热量带走，使热管理系统内各部件在许用或需求温度范围内工作.

2 电机冷却系统匹配分析

电机冷却系统是一个单独的冷却回路，且低温散热器布置在前端模块的最前面.在前端模块密封较好的前提下，低温散热器的进风温度与环境温度大致相当.电机冷却系统的换热基本不受其他3个换热系统的影响，所以，可以单独评估电机冷却系统的设计是否满足整车需求.

根据企业内部标准以及整车热平衡试验经验，60 km/h爬坡 （9%坡度）工况下，整车负荷较大，对应的电机、电机控制器散热量也会比较大；同时这一工况下，车速不太高，低温散热器进风量不会太大，对于电机冷却系统挑战较大.另外，蠕行工况 （设定蠕行车速6 km/h）下，虽然整车负荷不大，但是低温散热器进风主要靠风扇驱动，进风来自贴近地面空气或部分热回流空气，进风温度较高；同时，单靠风扇驱动进风，进风量相对较小，电机冷却系统也可能存在风险.综合以上，选定低速蠕行工况和60 km/h爬坡 （9%坡度）工况，评估电机冷却系统设计可行性.

本文采用三维CFD仿真分析与一维系统仿真分析相结合的方法，计算电机冷却系统在纯电动模式、典型工况下系统的温度和流量，评估系统设计的可行性.

通过机舱三维CFD仿真分析，计算低速蠕行工况和60 km/h爬坡 （9%坡度）工况下，低温散热器的进风量和进风温度，作为电机冷却系统一维仿真分析的边界输入.机舱三维CFD仿真分析模型，如图2所示.


图2 机舱三维CFD分析模型

风洞入口边界定义为速度入口，入口风速等同于车速；前端模块换热器 （低温散热器、冷凝器、中冷器、散热器）定义为多孔介质；风扇采用多重坐标系法 （multiple reference frame，MRF）来模拟.设定风扇转速为2 200 r/min，换热器参数如表1所示.

表1 换热器参数


三维CFD仿真分析可直观得到低温换热器流场信息.由图3可知，低速蠕行工况下，低温散热器进风面，除左上小部分区域外，大部分区域速度分布均匀，有利于低温散热器换热.温度分布也较为均匀，说明前端模块密封较好，有效控制机舱热气流回流到散热器进风面，有利于低温散热器换热.


图3 低速蠕行工况低温散热器进风面云图

由图4可知：60 km/h爬坡工况 （9%坡度）下，低温散热器进风面速度分布、温度分布也较为均匀，有利于低温散热器换热.


图4 60 km/h爬坡 （9%坡度）工况低温散热器进风面云图

统计低温散热机舱三维CFD仿真分析计算结果如表2所示，作为电机冷却系统一维仿真分析的边界输入.

表2 低温散热器流场信息表


按照电动机、电机控制器效率MAP图，估算低速蠕行工况和60 km/h爬坡 （9%坡度）工况下各自的散热量，作为边界输入.计算得到电机冷却系统各部件进、出水温度如表3所示，进水水温满足目标要求.说明系统设计可行.

表3 电机冷却系统水温分布表


3 电子控制策略优化

3.1 电子水泵能耗分析

基于上述电机冷却系统一维仿真分析模型，计算纯电动模式、城市循环工况下电机冷却系统的内部水温分布.其中，电子水泵的控制策略设定为充电机、电机控制器、电动机任何一个进水水温大于40℃时，电子水泵开启以定转速 （6 500 r/min）工作.城市循环 （30次）工况如图5所示，30次循环总时间3 960 s，行驶里程19.83 km.


图5 城市循环 （30次）工况速度图

计算春秋季 （环境温度20℃）、夏季（环境温度45℃）两种不同环境下，电机冷却系统各部件的进水温度以及电子水泵的总功耗，见图6和图7.

由图6可知，春秋季环境下，城市循环工况电机控制器进水水温在17～19℃之间波动（图6（a）），电机进水水温在40～45℃之间波动（图6（b）），均满足小于65℃的水温目标.夏季环境下，城市循环工况电机控制器进水水温在52.5～55℃之间波动（图6（c）），电机进水水温在54～56.5℃之间波动（图6（d）），满足小于65℃的水温目标.

由图7可知，春秋季环境下，城市循环工况，电子水泵大部分时间不需要工作，其转速为零.当电机进水温度大于40℃时，电子水泵工作，驱动冷却液循环，通过低温散热器与环境空气换热，将电机、电机控制器产生的热量带走，系统水温下降，直至电机进水温度小于40℃时，电子水泵又停止工作 （转速为零）（图7（a）），电子水泵输出功率较小（图7（b））.夏季环境下，城市循环工况，电子水泵以定转速进行工作（图7（c）），电子水泵的输出功率基本恒定（图7（d））.

春秋季、夏季两种季节环境下，整个城市循环工况电子水泵总能耗分别为：12.56 kJ和188.84 kJ.


图6 城市循环工况部件进水水温


图7 城市循环工况电子水泵转速和功率

3.2 电子水泵控制策略优化

将电子水泵控制逻辑改为占空比模式，充电机、电机控制器、电动机进水温度在不同温度范围内，对应电子水泵不同的占空比，即电子水泵不同的转速.参数如表4所示.

表4 不同部件水温范围-电子水泵占空比数值表


电子水泵控制策略优化后，城市循环工况下，各部件进水温度见图8（a）-（d）.电子水泵的转速和功率见图9（a）-（d）.

由图8可知，春秋季环境下，城市循环工况电机控制器进水水温在18～18.5℃之间波动（图8（a）），电机进水水温稳定在40℃（图8（b）），均满足小于65℃的水温目标.夏季环境下，城市循环工况电机控制器进水水温在49～51℃之间波动（图8（c）），电机进水水温在54～56℃之间波动（图8（d）），满足小于65℃的水温目标.

由图9（a）、 （b）可知，春秋季环境，城市循环工况下，电子水泵控制策略优化后，电子水泵转速在975～3 250 r/min之间跳动.相对于策略优化前，电子水泵转速频繁启动、停止的情况，水泵运行更为稳定，对水泵运行可靠性、噪音都能有所控制.同时、电子水泵输出功率较优化前有所减小，整个城市循环工况电子水泵总能耗降低为5.78 kJ，相较于策略优化前，降低了54%.


图8 优化后城市循环工况部件进水水温


图9 优化后城市循环工况电子水泵转速和功率

由图9（c）、（d）可知，夏季环境，城市循环工况下，电子水泵控制策略优化后，电机冷却系统各部件初始温度均为环境温度45℃，电子水泵以3 250 r/min转速工作，大约200 s后，电机进水温度稳定在54～56℃之间波动，位于40～60℃温度区间，电子水泵持续以3 250 r/min转速工作，完成整个城市循环工况.相对于策略优化前6 500 r/min工作转速，电子水泵工作转速大幅降低.电子水泵的输出功率较优化前也大幅减小.相对应的整个城市循环工况，电子水泵总能耗降低为27.58 kJ，相较于策略优化前的188.84 kJ，降低了85%，能耗降低明显.

4 结 论

1）针对某插电式混合动力汽车设计了一套整车电机冷却热管理系统，来保证动力系统、电池系统、空调系统等在各模式/工况下的安全可靠运行.

2）基于三维CFD仿真分析与一维系统仿真分析相结合的方法，计算了电机冷却系统在纯电动模式，低速蠕行工况和60 km/h爬坡工况下系统的温度和流量，评估系统设计可行.

3）考虑到热管理系统的能耗，对电机冷却系统中电子水泵及其控制策略进行优化.计算了优化前后，春秋季、夏季两种环境下，城市循环工况（30次）电机冷却系统电子水泵总能耗.计算结果显示，优化后，春秋季、夏季环境，城市循环工况下，电子水泵能耗分别降低54%和85%，能耗降低明显.


作者：易 舒2， 刘慧军1，2， 徐作文2， 牛丽媛2
1.浙江大学能源工程学院
2.浙江众泰汽车工程研究院