文章來(lái)源：《某電動(dòng)汽車整車熱管理系統(tǒng)控制策略研究》

作者單位：東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心

引言

隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展，電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)成為研究的重點(diǎn)。電動(dòng)汽車零件發(fā)熱原理與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)有很大的不同，熱管理回路也不同于傳統(tǒng)汽車，因此有必要根據(jù)這些特點(diǎn)來(lái)分析和設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車的熱管理系統(tǒng)及策略。電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、以及動(dòng)力電池系統(tǒng)，同時(shí)出于節(jié)能、集成化的考慮，空調(diào)采用節(jié)能的熱泵系統(tǒng)：制熱通過(guò)車輛前部的蒸發(fā)冷凝器，制冷通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的水冷凝器；需要對(duì)上述各系統(tǒng)進(jìn)行熱交換的管理，且將各熱管理系統(tǒng)集成在一起，并根據(jù)不同的整車工況制訂相應(yīng)的控制策略，這就對(duì)熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

1 設(shè)計(jì)要求

1.1 熱泵原理

由于配置了熱泵，使用水PTC的電動(dòng)汽車其行駛里程并沒(méi)有明顯減少。乘員艙所需的熱量由帶熱泵的暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)提供。熱泵的工作原理與暖風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)相反，高溫高壓的制冷劑流過(guò)水冷凝器時(shí)，釋放的熱能由冷卻液帶走，而流過(guò)熱泵熱交換器時(shí)，制冷劑釋放的熱能用于加熱乘員艙。

1.2 熱管理系統(tǒng)性能要求

表1為熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，由于各系統(tǒng)零部件對(duì)熱管理系統(tǒng)的不同要求，整車熱管理系統(tǒng)分為三個(gè)分系統(tǒng)：電機(jī)系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)以及電池系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)，其中，電機(jī)熱管理系統(tǒng)為冷卻液一一空氣熱交換系統(tǒng)，包括電機(jī)、電機(jī)控制器、OBC和DC/DC的冷卻；其他系統(tǒng)均為制冷劑一一冷卻液熱交換系統(tǒng)。

1.3 工作模式的選擇

電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)工作模式選擇是否合理，會(huì)直接影響熱管理系統(tǒng)性能的設(shè)定。如果所定義的工作模式不符合實(shí)際使用情況，會(huì)造成設(shè)計(jì)余量過(guò)大，使得整車質(zhì)量、成本和能耗增加；反之，會(huì)造成冷卻能力不足，使回路中零件過(guò)熱甚至出現(xiàn)故障。結(jié)合某款純電動(dòng)汽車不同的整車工況，定義熱管理系統(tǒng)工作模式，如表2所示共8種模式。

2 熱管理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)行車工況和環(huán)境條件，熱管理系統(tǒng)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻或加熱強(qiáng)度，以保證零件工作在最佳溫度范圍，從而優(yōu)化整車的環(huán)保性能和節(jié)能效果，同時(shí)改善整車運(yùn)行安全性和駕駛舒適性等。該款電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)必然要考慮到電機(jī)冷卻系統(tǒng)、電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、熱泵熱管理系統(tǒng)以及環(huán)境影響等因素。

由于整車各熱管理系統(tǒng)對(duì)冷卻液的溫度要求不同，將整車熱管理系統(tǒng)的循環(huán)回路分為三個(gè)分別是驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)冷卻、熱泵系統(tǒng)熱管理和電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)循環(huán)回路，如圖1所示。

因?yàn)殡姍C(jī)、控制器、OBC和DC/DC對(duì)冷卻液溫度要求相近，且OBC和DC/DC在駐車外接電源充電和駐車發(fā)電時(shí)均工作，所以將電機(jī)、控制器、OBC和DC/DC的冷卻回路組合到一起，成為電機(jī)冷卻系統(tǒng)回路，同時(shí)需要在系統(tǒng)回路中布置低溫散熱器和電動(dòng)水泵。考慮到散熱量的大小和冷卻液溫度限值的不同，經(jīng)過(guò)散熱器冷卻后的冷卻液依次通過(guò)BC和DC/DC、電機(jī)/控制器。

熱泵系統(tǒng)只有在使用空調(diào)時(shí)工作，所以將水冷凝器、水PTC、兩通電磁閥、電動(dòng)水泵、蒸發(fā)冷凝器、壓縮機(jī)等組成暖通回路和制冷回路。

電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)對(duì)冷卻液溫度要求≤30℃，遠(yuǎn)低于車輛使用環(huán)境溫度及上述兩個(gè)回路中的冷卻液溫度，所以不能與上述兩回路中的任何一個(gè)共用系統(tǒng)，將電池、Chiller膨脹閥、三通電磁閥、水泵組成電池?zé)峁芾砘芈?。?dāng)電池需要冷卻時(shí)，經(jīng)過(guò)Chiller膨脹閥中制冷劑冷卻后的冷卻液通過(guò)電池帶走熱量；當(dāng)電池需要加熱時(shí)，三通電磁閥打開，電機(jī)冷卻回路中的高溫冷卻液進(jìn)入，對(duì)電池進(jìn)行加熱。

3 熱管理系統(tǒng)控制策略

受篇幅限制，挑選較具代表性的模式5、模式7、模式8進(jìn)行說(shuō)明。

3.1 模式5（空調(diào)制冷，電池需要外部冷卻）

當(dāng)環(huán)境溫度＞5℃且乘員艙開啟制冷模式時(shí)，電池需要進(jìn)行外部冷卻。此時(shí)，蒸發(fā)冷凝器膨脹閥和10mm截止間關(guān)閉，蒸發(fā)冷凝器不工作；電池回路三通電磁間關(guān)閉，防止電機(jī)回路的熱水進(jìn)入電池；16mm截止閥、chiller膨脹閱、HVAC膨脹間均開啟，電池冷卻回路獨(dú)立循環(huán)，通過(guò)chiller中的制冷劑進(jìn)行冷卻；暖通回路兩通電磁間打開，暖通回路與電機(jī)回路連通，制冷齊。通過(guò)水冷凝器將熱量釋放到暖通回路冷卻液中，然后熱水進(jìn)入電機(jī)冷卻回路，通過(guò)散熱器向環(huán)境散熱；電池回路水泵、電機(jī)回路水泵、暖通回路水泵同時(shí)工作。

3.2 模式7（熱泵制熱，電池不需要外部加熱）

當(dāng)20℃＜環(huán)境溫度＜15℃且乘員艙開啟制熱模式時(shí)，采用熱泵系統(tǒng)制熱，電池不需要加熱。此時(shí)，16mm截止間，chiller膨脹間關(guān)閉，通過(guò)前端模塊中的蒸發(fā)冷凝器從空氣中吸收熱量，給乘員艙提供采暖；兩通電磁間和三通電磁閥均關(guān)閉，將電機(jī)回路、電池回路、暖通回路三個(gè)回路相互隔離；暖通回路水泵需要工作以正常制熱，電機(jī)回路水泵可根據(jù)具體冷卻液溫度工作或不工作，電池回路水泵不工作。

3.3 模式8（水PTC制熱，電池需要外部加熱）

當(dāng)環(huán)境溫度＜-20℃時(shí)，熱泵已經(jīng)無(wú)法滿足乘員艙采暖需求，需要由水PTC來(lái)制熱，且電池需要外部加熱。此時(shí)，16mm截止閥、10mm截止閥、chiller膨脹閥和蒸發(fā)冷凝器膨脹閥關(guān)閉，蒸發(fā)冷凝器不工作，水PTC制熱給乘員艙采暖；三通電磁閥、兩通電磁閥均打開暖通回路中的熱水進(jìn)入電池回路中，給電池加熱；電池回路水泵、暖通回路水泵工作，電機(jī)回路水泵不工作。

4 CAE模擬分析

通過(guò)對(duì)機(jī)艙流場(chǎng)進(jìn)行三維CFD仿真分析，可以確認(rèn)各工況下通過(guò)冷卻模塊的風(fēng)速作為冷卻系統(tǒng)能力計(jì)算的依據(jù)，風(fēng)量數(shù)據(jù)如表3所示。表3前端冷卻模塊鳳速分析結(jié)果工況散熱器風(fēng)速分布蒸發(fā)冷凝器風(fēng)速分布

同時(shí)也對(duì)空調(diào)性能進(jìn)行了CAE分析，圖5為空調(diào)環(huán)境模擬性能CAE分析結(jié)果，展示了前格柵開孔面積及冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)空調(diào)性能的影響。后續(xù)會(huì)在實(shí)車試驗(yàn)中，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，在風(fēng)扇噪聲和空調(diào)性能間進(jìn)行平衡。

5 冷卻系統(tǒng)能力計(jì)算

根據(jù)該款純電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的散熱需求，以及CFD仿真分析得到的風(fēng)速數(shù)據(jù)，通過(guò)冷卻系統(tǒng)計(jì)算，可以得到車輛在各工況下的冷卻能力，其表征值為許用環(huán)境溫度。表4為冷卻能力計(jì)算結(jié)果，結(jié)果顯示滿足整車設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

本文以某款電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)開發(fā)為例，設(shè)計(jì)出將電機(jī)系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)、電池系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)結(jié)合在一起的熱管理循環(huán)回路；并根據(jù)整車實(shí)際使用需求制定出不同的熱管理系統(tǒng)控制策略，為后續(xù)采用熱泵系統(tǒng)的電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)的開發(fā)提供了參考。