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东风汽车 | 某插电式混合动力汽车冷却系统的设计

2020-03-24 21:57:31·  来源：电动学堂  
　
作者单位：东风汽车公司技术中心引言与传统的汽油发动机车辆的冷却系统开发相比，PHEV混合动力车辆的冷却系统开发更为复杂，不仅要对发动机进行热管理，还要对驱
作者单位：东风汽车公司技术中心
 
引 言
与传统的汽油发动机车辆的冷却系统开发相比，PHEV混合动力车辆的冷却系统开发更为复杂，不仅要对发动机进行热管理，还要对驱动电机系统和电池系统进行热管理，就系统而言，不仅仅是在原有基础上增加两套循环回路，而且要在原有的基础上通过对电子部件的运行管理以实现整个系统的热管理，从而满足车辆的需求｡
1 车辆冷却系统的概述
此车辆的动力系统有传统的汽油增压发动机､驱动电机系统､发电机系统以及动力电池系统，按照整车定义，需要对上述系统进行热交换的管理｡ 鉴于各系统的设计输入，整车热交换系统分为4 个分系统: 发动机冷却系统､发动机中冷系统､电机系统冷却系统和电池热管理系统(电池冷却和加热)，上述系统除发动机中冷系统为空¯空热交换系统外，其他的均为水循环系统｡ 就上述3 个水冷系统而言，因各部件对冷却液温度的需求不同，各系统针对冷却液温度限值不同，见表1｡
 
1.1 前端冷却模块的设计
前端模块的设计基于零部件通用化和周边边界不变的前提条件下，采用串联式布置方式: 对基础车辆的前端冷却模块(冷凝器､散热器､中冷器和冷却风扇) 不进行大的更改，决定沿用原型车的冷却模块｡ 因驱动电机系统的冷却要求，需要在此基础上增加低温散热器，具体方法是，散热器和中冷器的相对位置不变，只将冷凝器位置前移50mm，在此空间放置低温散热器，更改后的前端模块布置如图1 所示｡
 
1.2 冷却系统循环回路设计
鉴于3 个系统对冷却液温度的不同要求，如图2 所示，将整车冷却系统分为3 个冷却液循环回路，分别是发动机冷却､驱动电机系统冷却和电池热管理系统循环回路｡
 
发动机冷却系统对于冷却液的温度要求完全与传统发动机要求相同，温度≤115℃，所以其冷却液循环回路完全同基础车，沿用基础车散热器总成｡ 但考虑到低温散热器的影响，对发动机散热器芯厚度和冷却风扇电机功率都进行了提升｡
驱动电机系统､发电系统和车载充电机对冷却液的温度要求均在70℃左右，所以将三者串入一个回路｡ 按照整车功能定义，存在电机､发电机同时运行的工况，将二者进行前后串联｡ 其次，基于各部件温度限值的大小，冷却液流经的先后顺序依次是电机控制器､驱动电机和发电机｡ 至于车载充电机的冷却，鉴于两个方面的原因: 
①其对冷却液温度需求与电机系统接近；
②车载充电机仅在车辆熄火后外接电源充电时工作，因此将其串联到到电机系统冷却回路中，且在回路中位于发电机之后｡ 同时，系统回路中配置新的热交换器———低温散热器和提供冷却液循环的电动水泵｡
电池热管理系统对冷却液温度要求非常苛刻，需满足温度≤30℃，故不可与前述两个系统中的任何一个共用冷却回路｡并且由于所要求的冷却液温度大大低于车辆的最高使用环境温度(45℃) 限值，电池水冷系统不能将环境空气作为冷源，而是依靠空调制冷剂进行散热｡ 所以单独设置电池热管理系统的冷却液循环回路，回路中布置与空调制冷剂进行热交换的新型换热器——Chiller､提供冷却液循环的电动水泵｡
考虑到整车机舱环境边界的限制，电机系统冷却系统和电池热管理系统的加注和除气共用一个除气室总成，将除气和加注循环部分通过三通接口连接到一起｡
电池热管理循环回路单独布置，因其冷却是采用空调系统制冷剂与冷却液进行热交换，在空调制冷剂循环回路基础上增加第二回路，通过电磁阀控制其通断，在此第二回路与冷却液回路之间的热交换采用两通道热交换器(chiller) 进行热量传递，此回路的冷却液循环依靠电动水泵提供动力源｡
整个冷却系统的冷却液加注和除气的设计方案是: 鉴于系统冷却液温度和系统压力的不同，发动机冷却系统采用独立的加注和除气系统，将电机冷却系统和电池热管理系统的冷却液加注和除气系统集成到一起｡
2 冷却系统电子部件的运行控制
冷却系统电动部件(水泵和冷却风扇) 的运行管理和控制是系统本身的核心部分，同时也是整车管理的重要组成部分｡ 主要方法作为本系统的控制器———电动水泵通过硬线采集电机冷却系统的水温信号，接收通过整车CAN 通信网络来自电机控制器发出的电机转速及转矩､驱动电机､发电机､车载充电机和双电机控制器(集成DC/ DC) 本体的温度信息以及整车VCU 发出的空调运行和BMS 充电状态等，按需控制系统电动部件(水泵和风扇) 的运行，且以软､硬件控制方式对系统进行自我保护和故障诊断｡
2.1 电动水泵的运行控制
电动水泵的运行管理仅针对电机冷却和电池热管理系统中的水泵运行，包括水泵的运行管理､故障管理｡
 
对于电机冷却系统的电动水泵运行控制如图3 所示，系统控制器通过检测或接收到的控制器､电机和发电机本体温度，电机出口冷却液温度，电机转矩和转速，以PWM 方式控制水泵以不同负荷运行，从而满足系统热交换需求｡ 相对于电机冷却系统的水泵管理而言，电池热交换系统的电动水泵管理较为简单，其由车辆BMS 根据电池电芯温度，判断是否需要冷却来直接控制水泵的起停，无需进行水泵的负荷运行，系统散热能力的调节主要通过控制制冷剂测的流量温度等来实现｡
系统的故障管理包括系统的故障诊断､水泵和系统的自我保护功能｡ 通过水泵控制器预先的控制策略，将水泵本身的故障以编码形式发给VCU，便于故障判断和维修，通过软件和硬件相结合的方式，对水泵进行过流､过压､过热和超速保护，避免因此而造成的损坏，同时以CAN 通信网络信号中断为依据对系统进行系统功能保护，以避免因此而造成的系统能力不足导致车辆不能满足使用要求，如CAN 网络通信信息或硬线信号中的任何一个信号中断时，以既定的策略使水泵在以规定的负荷下运转，从而保证系统功能，以满足车辆需求｡
2.2 冷却风扇的运行控制
车辆冷却风扇的功能既不同于传统发动机车辆也不同于纯电动汽车的控制，其运行关系到发动机､电机系统､空调系统和电池系统的正常运行，为了能够满足上述各系统的需求，不能由各系统中的任意一个系统来自由控制风扇，否则会造成管理混乱，导致故障产生｡ 我们的方案是通过高于上述系统的上级控制器———整车控制器VCU 来统筹管理，方法是由各系统将其对风扇运行的需求信号直接通过CAN 网络发给VCU，发动机ECU 根据发动机冷却液温度发送风扇的运行信号，电机冷却系统控制器(即电动水泵本身的控制器) 按既定的程序发送电机冷却系统对风扇的运行信号，空调控制器发送空调系统对风扇的运行需求，然后由VCU综合判断后直接控制冷却风扇的运行，如图4 所示｡
 
整个冷却系统水泵及风扇运行的详细策略，因涉及企业专有技术的保密，在本文不作详细说明｡
3 冷却､中冷系统能力设计
此车辆对冷却系统的能力有不同的要求，因为电池热管理系统的冷却能力由整车电池和空调系统保证，冷却系统的功能是为此提供满足系统要求的冷却液循环流量即可，即冷却液循环流量≥10L/ min，通过系统能力匹配，此循环回路的冷却液循环流量满足需求｡ 所以本文不对此系统的能力进行论述，只论述发动机冷却系统和电机冷却系统的能力设计｡
3.1 冷却､中冷系统设计输入
冷却系统的设计输入包括整车使用环境温度､运行工况､相应工况下的发动机､电机负荷､发动机､电机系统的散热需求､冷却液温度限值､本体温度限值等参数，具体内容见表2｡
 
系统热交换器进风量的数值通过整车CFD 仿真分析得到，如图5 所示，仿真结果数据见表3｡
 
 
3.2 冷却､中冷系统能力计算
此整车冷却系统能力的计算，无论是发动机冷却系统还是电机冷却系统，均要考虑空调系统对其冷却系统的影响，车辆冷却系统的计算，就是热交换系统的冷侧(风侧) 和热侧(水侧) 之间的热交换平衡计算｡ 本系统的计算方法是将空调冷凝器热交换的风侧进风温升△T 考虑到系统计算中，此数据的采用是通过大量的试验数据积累得到，本文中△T 取15℃｡ 另外，在计算混动模式工况的发动机冷却系统能力时，还要考虑布置在发动机散热器前面的电机散热器对其的影响｡ 本文中，采用进气温升的方法进行系统能力计算｡ 计算结果见表4｡
 
就发动机中冷系统而言，整个冷却系统的重新设计，对于热交换系统的冷侧进风量并没有产生任何不良的影响，由于整车质量的增加，对于热交换系统的热侧负荷有一定的影响，经详细计算: 热侧空气压力损失为8kPa，满足不大于12kPa 的设计要求；最高的中冷系统进气温升为22.9℃，满足进气温升≤30℃的设计要求｡
结论: 冷却系统设计能力满足整车设计目标要求｡
4 试验验证
在车型ET 开发阶段，进行了冷却系统整车转鼓试验(图5)，以验证冷却系统实际能力达成情况｡
 
根据原始试验数据，分析处理得到的结果见表5，满足整车对冷却系统能力的要求｡
 
5 结论
对于插电式混合动力汽车(PHEV)，因其动力总成的散热需求构成和使用工况均比较复杂，对冷却系统的能力要求也非常高，冷却系统的设计开发难度较大，各子系统之间既需要物理上的整合，也需要性能上的协调分配，同时统筹控制，本文提供的方案正是如此:
1) 在原型车冷却模块的基础上增加低温散热器，布置于原空调冷凝器和发动机散热器之间，实现起来简单易行，很好地维持了原型车环境件布置边界，节省了研发成本｡
2) 电机冷却系统将驱动电机､发电机､双电机控制器､车载充电机串联在一个回路中；电池冷却则单独设置回路，并依靠空调系统散热，同时与电机冷却系统共用除气室进行加水除气｡ 回路设计简单合理｡
3) 系统电子部件的运作按需控制调节: 电机冷却系统水泵根据电机系统工况参数自行以PWM 调速，电池冷却水泵则由BMS 控制起停，冷却风扇由整车控制器综合统筹多方需求后起停调速｡
方案经过开发验证，各方面情况良好，对同类车型冷却系统的设计开发具有借鉴参考意义｡
 
 
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