針對某插電式混合動力汽車 ( PHEV) 設(shè)計了一套熱管理系統(tǒng)，來保證其動力系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、空調(diào)系 統(tǒng)在各工況下安全可靠地運行． 通過虛擬仿真分析技術(shù)，對動力系統(tǒng)中的電機冷卻系統(tǒng)在典型工況進行仿真分析，評估了電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計的可行性． 另外，考慮到熱管理系統(tǒng)的能耗，對電機冷卻系統(tǒng)中電動水泵及其控制策略進行優(yōu)化． 計算結(jié)果顯示，優(yōu)化后春秋季、夏季環(huán)境的城市循環(huán)工況，電動水泵能耗分別降低了 54% 和 85% ，能耗降低明顯．

近年來，環(huán)境和能源問題在中國經(jīng)濟的快速發(fā) 展中的挑戰(zhàn)越來越大，汽車產(chǎn)業(yè)作為擁有廣泛上下 游供應(yīng)鏈的產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟中占有很大的比例． 在政 策 層 面，排放和燃油消耗法規(guī)也愈 加 嚴 格［1-2］，在這一背景下，開發(fā)節(jié)能環(huán)保的汽車是一 個趨勢． 同時，中央政府及各地方政府頒布了一系 列政策法規(guī)來推動新能源汽車的開發(fā)和市場化 進程．

在眾多新能源汽車中，插電式混合動力汽車由于其兼具節(jié)能和充電優(yōu)勢，在市場上頗受歡迎． 然而，由于插電式混合動力汽車存在兩種以上的動力源和多種工作模式，且它們之間又存在復雜的耦合模式，其開發(fā)難度及成本也相對較大．

為了實現(xiàn)整車在不同動力模式及工況下的工作，需要對發(fā)動機、發(fā)電機動力系統(tǒng)及其附件進行 精確控制，這便是整車控制工作的目的所在［3］． 整車熱管理控制是插電式混合動力汽車整車控制功 能中很重要的模塊，使動力系統(tǒng)的零部件工作在合 理的溫度范圍，同時盡可能降低熱管理系統(tǒng)的能 耗． 對整車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計、系統(tǒng)中零部件選 型，以及電子水泵、電子風扇、電動壓縮機、膨脹 閥、電磁閥等的控制邏輯設(shè)定標定，是整車熱管理的重要工作內(nèi)容．

盧山、盧桂萍［4］等基于 V 字型開發(fā)模式，對 某插電式混合動力汽車整車熱管理控制策略進行開 發(fā)研究，經(jīng)過算法設(shè)計、模型開發(fā)、單元測試、功 能驗證和實車驗證整個開發(fā)過程，保證各零部件的 工作溫度在合理范圍內(nèi)，符合其控制軟件的功能需 求． 李峰［5］對某插電式混合動力汽車設(shè)計了一套 利用發(fā)動機熱量給電池預(yù)熱、電機熱量給發(fā)動機預(yù) 熱的方案，研究了基于發(fā)動機水溫、電機水溫、電 池 SOC 不同而采用不同預(yù)熱模式的控制策略，從而提高了整車的能源利用效率．

然而，對于熱管理系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行部件的能耗研究 較少． 電子水泵、電動壓縮機、電子風扇等這些驅(qū) 動熱管理系統(tǒng)工作的重要部件，本身需要消耗一定 的電池電量． 對這些部件，設(shè)計合理的控制邏輯， 在滿足系統(tǒng)合理工作水溫的前提下，降低其本身能 耗也甚為重要．

1 插電式混合動力汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計

本文針對某插電式混合動力汽車設(shè)計了一套整 車電機冷卻熱管理系統(tǒng)，來保證動力系統(tǒng)、電池系 統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)在各模式/工況下的安全可靠運行．

該款插電式混合動力汽車的整車熱管理系統(tǒng)原 理如圖 1 所示，該系統(tǒng)共有 4 個冷卻回路． 分別是 發(fā)動機冷卻及空調(diào)采暖系統(tǒng)回路; 動力電池升溫/ 降溫系統(tǒng)回路; 空調(diào)制冷系統(tǒng)回路; 電機冷卻系統(tǒng) 回路．

發(fā)動機冷卻及空調(diào)采暖系統(tǒng)回路與傳統(tǒng)燃油車相比，在暖風支路增加了一個電子水泵和單向閥、 水加熱 PTC、以及一個三通閥，保證車輛在純電動 模式下的乘員艙采暖需求． 同時，在暖風支路并聯(lián) 了一個板式換熱器，與動力電池升溫/降溫系統(tǒng)回 路進行耦合換熱，從而保證動力電池的升溫需求．

動力電池升溫/降溫系統(tǒng)回路，是一個包含了板式換熱器、Chiller ( 動力電池冷卻器) 、動力電池水冷板、電子水泵的回路系統(tǒng)． 通過板式換熱器與發(fā)動機冷卻及空調(diào)采暖系統(tǒng)回路耦合換熱，保證動力電池的升溫需求． 通過 Chiller 與空調(diào)制冷系 統(tǒng)回路耦合換熱，保證動力電池的降溫需求．

空調(diào)制冷系統(tǒng)回路是一個包含兩個并聯(lián)制冷支路的系統(tǒng)． 其中，一個支路為熱力膨脹閥和蒸發(fā)器，提供乘員艙的降溫需求; 另一個支路為電子膨脹閥和 Chiller 保證動力電池的降溫需求． 由于要同時保證乘員艙與動力電池的降溫需求，空調(diào)制冷回路的壓縮機及冷凝器也提高了要求． 均通過電磁截止閥控制兩個支路的聯(lián)通和斷開．

電機冷卻系統(tǒng)回路是一個單獨的冷卻回路，包括了低溫散熱器、電子水泵、充電機、電機控制器、電機等． 電子水泵驅(qū)動回路冷卻液流動，將各發(fā)熱件的熱量通過低溫散熱器與環(huán)境空氣換熱帶走．

整個熱管理系統(tǒng)的前端模塊 ( 散熱器、冷凝 器、中冷器、低溫散熱器、電子風扇) 通過分層布置在汽車前保險桿格柵之后． 通過正常行駛及風扇驅(qū)動環(huán)境空氣強制對流換熱，將熱管理系統(tǒng)各回路的熱量帶走，使熱管理系統(tǒng)內(nèi)各部件在許用或需求溫度范圍內(nèi)工作．

2 電機冷卻系統(tǒng)匹配分析

電機冷卻系統(tǒng)是一個單獨的冷卻回路，且低溫散熱器布置在前端模塊的最前面． 在前端模塊密封較好的前提下，低溫散熱器的進風溫度與環(huán)境溫度大致相當． 電機冷卻系統(tǒng)的換熱基本不受其他 3 個 換熱系統(tǒng)的影響，所以，可以單獨評估電機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計是否滿足整車需求．

根據(jù)企業(yè)內(nèi)部標準以及整車熱平衡試驗經(jīng)驗， 60 km /h 爬坡 ( 9% 坡度) 工況下，整車負荷較大， 對應(yīng)的電機、電機控制器散熱量也會比較大; 同時 這一工況下，車速不太高，低溫散熱器進風量不會 太大，對于電機冷卻系統(tǒng)挑戰(zhàn)較大． 另外，蠕行工 況 ( 設(shè)定蠕行車速 6 km /h) 下，雖然整車負荷不 大，但是低溫散熱器進風主要靠風扇驅(qū)動，進風來 自貼近地面空氣或部分熱回流空氣，進風溫度較 高; 同時，單靠風扇驅(qū)動進風，進風量相對較小， 電機冷卻系統(tǒng)也可能存在風險． 綜合以上，選定低 速蠕行工況和 60 km /h 爬坡 ( 9% 坡度) 工況，評 估電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計可行性．

本文采用三維 CFD 仿真分析與一維系統(tǒng)仿真 分析相結(jié)合的方法，計算電機冷卻系統(tǒng)在純電動模 式、典型工況下系統(tǒng)的溫度和流量，評估系統(tǒng)設(shè)計 的可行性．

通過機艙三維 CFD 仿真分析，計算低速蠕行 工況和 60 km /h 爬坡 ( 9% 坡度) 工況下，低溫散 熱器的進風量和進風溫度，作為電機冷卻系統(tǒng)一維 仿真分析的邊界輸入． 機艙三維 CFD 仿真分析模型，如圖 2 所示．

風洞入口邊界定義為速度入口，入口風速等同 于車速; 前端模塊換熱器 ( 低溫散熱器、冷凝器、 中冷器、散熱器) 定義為多孔介質(zhì); 風扇采用多 重坐標系法 ( multiple reference frame，MＲF) 來模 擬． 設(shè)定風扇轉(zhuǎn)速為 2 200 r/min，換熱器參數(shù)如 表 1 所示．

三維 CFD 仿真分析可直觀得到低溫換熱器流 場信息． 由圖 3 可知，低速蠕行工況下，低溫散熱 器進風面，除左上小部分區(qū)域外，大部分區(qū)域速度 分布均勻，有利于低溫散熱器換熱． 溫度分布也較 為均勻，說明前端模塊密封較好，有效控制機艙熱 氣流回流到散熱器進風面，有利于低溫散熱器 換熱．

由圖 4 可知: 60 km /h 爬坡工況 ( 9% 坡度) 下，低溫散熱器進風面速度分布、溫度分布也較為 均勻，有利于低溫散熱器換熱．

統(tǒng)計低溫散熱機艙三維 CFD 仿真分析計算結(jié) 果如表 2 所示，作為電機冷卻系統(tǒng)一維仿真分析的 邊界輸入．

按照電動機、電機控制器效率 MAP 圖，估算 低速蠕行工況和 60 km /h 爬坡 ( 9% 坡度) 工況下 各自的散熱量，作為邊界輸入． 計算得到電機冷卻 系統(tǒng)各部件進、出水溫度如表 3 所示，進水水溫滿 足目標要求． 說明系統(tǒng)設(shè)計可行．

3 電子控制策略優(yōu)化 3. 1 電子水泵能耗分析

基于上述電機冷卻系統(tǒng)一維仿真分析模型，計 算純電動模式、城市循環(huán)工況下電機冷卻系統(tǒng)的內(nèi) 部水溫分布． 其中，電子水泵的控制策略設(shè)定為充 電機、電機控制器、電動機任何一個進水水溫大于 40 ℃時，電子水泵開啟以定轉(zhuǎn)速 ( 6 500 r/min) 工作． 城市循環(huán) ( 30 次) 工況如圖 5 所示，30 次 循環(huán)總時間 3 960 s，行駛里程 19. 83 km.

計算春秋季 ( 環(huán)境溫度 20 ℃) 、夏季( 環(huán)境溫 度 45 ℃) 兩種不同環(huán)境下，電機冷卻系統(tǒng)各部件的 進水溫度以及電子水泵的總功耗，見圖 6 和圖 7.

由圖 6 可知，春秋季環(huán)境下，城市循環(huán)工況電 機控制器進水水溫在 17 ～19 ℃之間波動( 圖 6( a) ) ， 電機進水水溫在 40 ～ 45 ℃ 之間波動( 圖 6( b) ) ，均 滿足小于 65 ℃的水溫目標． 夏季環(huán)境下，城市循環(huán) 工況電機控制器進水水溫在 52. 5 ～ 55 ℃ 之間波動 ( 圖 6( c) ) ，電機進水水溫在 54 ～ 56. 5 ℃ 之間波動 ( 圖 6( d) ) ，滿足小于 65 ℃的水溫目標．

由圖 7 可知，春秋季環(huán)境下，城市循環(huán)工況， 電子水泵大部分時間不需要工作，其轉(zhuǎn)速為零． 當 電機進水溫度大于 40 ℃ 時，電子水泵工作，驅(qū)動 冷卻液循環(huán)，通過低溫散熱器與環(huán)境空氣換熱，將 電機、電機控制器產(chǎn)生的熱量帶走，系統(tǒng)水溫下 降，直至電機進水溫度小于 40 ℃ 時，電子水泵又 停止工作 ( 轉(zhuǎn)速為零) ( 圖 7( a) ) ，電子水泵輸出 功率較小( 圖 7 ( b) ) ． 夏季環(huán)境下，城市循環(huán)工 況，電子水泵以定轉(zhuǎn)速進行工作( 圖 7( c) ) ，電子 水泵的輸出功率基本恒定( 圖 7( d) ) ．

春秋季、夏季兩種季節(jié)環(huán)境下，整個城市循環(huán) 工況電子水泵總能 耗分別為: 12. 56 kJ 和 188. 84 kJ.

3. 2 電子水泵控制策略優(yōu)化

將電子水泵控制邏輯改為占空比模式，充電 機、電機控制器、電動機進水溫度在不同溫度范圍 內(nèi)，對應(yīng)電子水泵不同的占空比，即電子水泵不同 的轉(zhuǎn)速． 參數(shù)如表 4 所示．

電子水泵控制策略優(yōu)化后，城市循環(huán)工況下， 各部件進水溫度見圖 8( a) － ( d) ． 電子水泵的轉(zhuǎn) 速和功率見圖 9( a) － ( d) ．

由圖 8 可知，春秋季環(huán)境下，城市循環(huán)工況電 機控制器進水水溫在 18 ～ 18. 5 ℃ 之間波動( 圖 8 ( a) ) ，電機進水水溫穩(wěn)定在 40 ℃ ( 圖 8( b) ) ，均滿足小于 65 ℃的水溫目標． 夏季環(huán)境下，城市循環(huán)工 況電機控制器進水水溫在 49 ～ 51 ℃ 之間波動( 圖 8 ( c) ) ，電機進水水溫在 54 ～ 56 ℃ 之間波動( 圖 8 ( d) ) ，滿足小于 65 ℃的水溫目標．

由圖 9( a) 、 ( b) 可知，春秋季環(huán)境，城市循 環(huán)工況下，電子水泵控制策略優(yōu)化后，電子水泵轉(zhuǎn) 速在 975 ～ 3 250 r/min 之間跳動． 相對于策略優(yōu)化 前，電子水泵轉(zhuǎn)速頻繁啟動、停止的情況，水泵運 行更為穩(wěn)定，對水泵運行可靠性、噪音都能有所控 制． 同時、電子水泵輸出功率較優(yōu)化前有所減小， 整個城市循環(huán)工況電子水泵總能耗降低為 5. 78 kJ， 相較于策略優(yōu)化前，降低了 54% ．

由圖9( c) 、 ( d) 可知，夏季環(huán)境，城市循環(huán)工況 下，電子水泵控制策略優(yōu)化后，電機冷卻系統(tǒng)各部件初 始溫度均為環(huán)境溫度45 ℃，電子水泵以3 250 r/min 轉(zhuǎn) 速工作，大約 200 s 后，電機進水溫度穩(wěn)定在 54 ～ 56 ℃之間波動，位于 40 ～ 60 ℃ 溫度區(qū)間，電子水 泵持續(xù)以 3 250 r/min 轉(zhuǎn)速工作，完成整個城市循環(huán) 工況． 相對于策略優(yōu)化前 6 500 r/min 工作轉(zhuǎn)速，電 子水泵工作轉(zhuǎn)速大幅降低． 電子水泵的輸出功率較 優(yōu)化前也大幅減?。?相對應(yīng)的整個城市循環(huán)工況， 電子水泵總能耗降低為 27. 58 kJ，相較于策略優(yōu)化 前的 188. 84 kJ，降低了 85% ，能耗降低明顯．

4 結(jié) 論

1) 針對某插電式混合動力汽車設(shè)計了一套整 車電機冷卻熱管理系統(tǒng)，來保證動力系統(tǒng)、電池系 統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等在各模式/工況下的安全可靠運行．

2) 基于三維 CFD 仿真分析與一維系統(tǒng)仿真分 析相結(jié)合的方法，計算了電機冷卻系統(tǒng)在純電動模 式，低速蠕行工況和 60 km /h 爬坡工況下系統(tǒng)的溫 度和流量，評估系統(tǒng)設(shè)計可行．

3) 考慮到熱管理系統(tǒng)的能耗，對電機冷卻系 統(tǒng)中電子水泵及其控制策略進行優(yōu)化． 計算了優(yōu)化 前后，春秋季、夏季兩種環(huán)境下，城市循環(huán)工況 ( 30 次) 電機冷卻系統(tǒng)電子水泵總能耗． 計算結(jié)果 顯示，優(yōu)化后，春秋季、夏季環(huán)境，城市循環(huán)工況 下，電子水泵能耗分別降低 54% 和 85% ，能耗降低明顯。