文章來源：《某電動汽車整車熱管理系統(tǒng)控制策略研究》

作者單位：東風汽車公司技術中心

引言

隨著電動汽車的發(fā)展，電動汽車熱管理系統(tǒng)的設計開發(fā)成為研究的重點。電動汽車零件發(fā)熱原理與傳統(tǒng)內燃機有很大的不同，熱管理回路也不同于傳統(tǒng)汽車，因此有必要根據(jù)這些特點來分析和設計電動汽車的熱管理系統(tǒng)及策略。電動汽車的動力系統(tǒng)包括驅動電機及控制器系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)、以及動力電池系統(tǒng)，同時出于節(jié)能、集成化的考慮，空調采用節(jié)能的熱泵系統(tǒng)：制熱通過車輛前部的蒸發(fā)冷凝器，制冷通過發(fā)動機艙內的水冷凝器；需要對上述各系統(tǒng)進行熱交換的管理，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的控制策略，這就對熱管理系統(tǒng)的設計提出了更高的要求。

1 設計要求

1.1 熱泵原理

由于配置了熱泵，使用水PTC的電動汽車其行駛里程并沒有明顯減少。乘員艙所需的熱量由帶熱泵的暖風空調系統(tǒng)提供。熱泵的工作原理與暖風空調系統(tǒng)相反，高溫高壓的制冷劑流過水冷凝器時，釋放的熱能由冷卻液帶走，而流過熱泵熱交換器時，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)設計輸入?yún)?shù)，由于各系統(tǒng)零部件對熱管理系統(tǒng)的不同要求，整車熱管理系統(tǒng)分為三個分系統(tǒng)：電機系統(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，電機熱管理系統(tǒng)為冷卻液一一空氣熱交換系統(tǒng)，包括電機、電機控制器、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

電動汽車熱管理系統(tǒng)工作模式選擇是否合理，會直接影響熱管理系統(tǒng)性能的設定。如果所定義的工作模式不符合實際使用情況，會造成設計余量過大，使得整車質量、成本和能耗增加；反之，會造成冷卻能力不足，使回路中零件過熱甚至出現(xiàn)故障。結合某款純電動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)方案設計

根據(jù)行車工況和環(huán)境條件，熱管理系統(tǒng)可以自動調節(jié)冷卻或加熱強度，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，同時改善整車運行安全性和駕駛舒適性等。該款電動汽車熱管理系統(tǒng)必然要考慮到電機冷卻系統(tǒng)、電池熱管理系統(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)回路分為三個分別是驅動電機系統(tǒng)冷卻、熱泵系統(tǒng)熱管理和電池熱管理系統(tǒng)循環(huán)回路，如圖1所示。

因為電機、控制器、OBC和DC/DC對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)電時均工作，所以將電機、控制器、OBC和DC/DC的冷卻回路組合到一起，成為電機冷卻系統(tǒng)回路，同時需要在系統(tǒng)回路中布置低溫散熱器和電動水泵?？紤]到散熱量的大小和冷卻液溫度限值的不同，經(jīng)過散熱器冷卻后的冷卻液依次通過BC和DC/DC、電機/控制器。

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

電池熱管理系統(tǒng)對冷卻液溫度要求≤30℃，遠低于車輛使用環(huán)境溫度及上述兩個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共用系統(tǒng)，將電池、Chiller膨脹閥、三通電磁閥、水泵組成電池熱管理回路。當電池需要冷卻時，經(jīng)過Chiller膨脹閥中制冷劑冷卻后的冷卻液通過電池帶走熱量；當電池需要加熱時，三通電磁閥打開，電機冷卻回路中的高溫冷卻液進入，對電池進行加熱。

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進行說明。

3.1 模式5（空調制冷，電池需要外部冷卻）

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

3.2 模式7（熱泵制熱，電池不需要外部加熱）

當20℃＜環(huán)境溫度＜15℃且乘員艙開啟制熱模式時，采用熱泵系統(tǒng)制熱，電池不需要加熱。此時，16mm截止間，chiller膨脹間關閉，通過前端模塊中的蒸發(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閉，將電機回路、電池回路、暖通回路三個回路相互隔離；暖通回路水泵需要工作以正常制熱，電機回路水泵可根據(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）

當環(huán)境溫度＜-20℃時，熱泵已經(jīng)無法滿足乘員艙采暖需求，需要由水PTC來制熱，且電池需要外部加熱。此時，16mm截止閥、10mm截止閥、chiller膨脹閥和蒸發(fā)冷凝器膨脹閥關閉，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，電機回路水泵不工作。

4 CAE模擬分析

通過對機艙流場進行三維CFD仿真分析，可以確認各工況下通過冷卻模塊的風速作為冷卻系統(tǒng)能力計算的依據(jù)，風量數(shù)據(jù)如表3所示。表3前端冷卻模塊鳳速分析結果工況散熱器風速分布蒸發(fā)冷凝器風速分布

同時也對空調性能進行了CAE分析，圖5為空調環(huán)境模擬性能CAE分析結果，展示了前格柵開孔面積及冷卻風扇轉速對空調性能的影響。后續(xù)會在實車試驗中，根據(jù)實際試驗結果，在風扇噪聲和空調性能間進行平衡。

5 冷卻系統(tǒng)能力計算

根據(jù)該款純電動汽車冷卻系統(tǒng)的散熱需求，以及CFD仿真分析得到的風速數(shù)據(jù)，通過冷卻系統(tǒng)計算，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為冷卻能力計算結果，結果顯示滿足整車設計要求。

6 結論

本文以某款電動汽車熱管理系統(tǒng)開發(fā)為例，設計出將電機系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)、電池系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)結合在一起的熱管理循環(huán)回路；并根據(jù)整車實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)的電動汽車熱管理系統(tǒng)的開發(fā)提供了參考。