某深度混合動(dòng)力汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)

張博榕，余才光，賀文江

（吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228）

近年來，節(jié)油、低排放等成為汽車消費(fèi)的重要指標(biāo)，混合動(dòng)力汽車適應(yīng)這種節(jié)能與環(huán)保的要求，正日益成為汽車發(fā)展的前沿方向。

不同于傳統(tǒng)汽車對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)或者自動(dòng)變速器進(jìn)行冷卻，混合動(dòng)力汽車還需要對(duì)電機(jī)控制器、動(dòng)力電池等新增零部件進(jìn)行冷卻。由于同時(shí)裝有發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)兩種動(dòng)力裝置，在不同的運(yùn)行工況下，兩種動(dòng)力裝置運(yùn)行的狀態(tài)不同，對(duì)冷卻的需求也不同。各個(gè)關(guān)鍵零部件對(duì)工作溫度的要求不同，表1列出了各熱源的目標(biāo)工作溫度。

按照表1所示，各大熱源的目標(biāo)控制溫度相差較大，不能共用冷卻系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)車而言，需要增加三套冷卻系統(tǒng)，此外由于動(dòng)力電池的冷卻采用風(fēng)冷，具有不同冷卻原理。本文中將對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制器、動(dòng)力合成箱等冷卻進(jìn)行較為詳細(xì)討論，動(dòng)力電池的冷卻只做部分介紹。

1 深度混合動(dòng)力汽車系統(tǒng)分析

1.1 車輛運(yùn)行工況以及相應(yīng)的冷卻系統(tǒng)分析

混合動(dòng)力汽車采用發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)雙動(dòng)力源的結(jié)構(gòu)方案［1］，典型工況包括正向行駛時(shí)，純電動(dòng)、發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、混合驅(qū)動(dòng)、制動(dòng)等動(dòng)力模式；逆向行駛除電量不足時(shí)采用混合動(dòng)力，一般為電動(dòng)模式；滑行時(shí)，動(dòng)能回收，具有為電池充電的動(dòng)力模式；冷卻系統(tǒng)工況分析如下。

（1）純電動(dòng)模式。在冷啟動(dòng)、怠速以及小負(fù)荷工況下，混合動(dòng)力汽車以純電動(dòng)動(dòng)力運(yùn)行，發(fā)動(dòng)機(jī)不參與驅(qū)動(dòng)，不需要冷卻；電機(jī)運(yùn)行輸出動(dòng)能，控制器運(yùn)行，需要進(jìn)行冷卻；動(dòng)力合成箱傳動(dòng)輸出能量，需要冷卻。

（2）混合動(dòng)力模式。中等負(fù)荷時(shí)，開始轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌蟿?dòng)力驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，耗散熱能開始產(chǎn)生，冷卻系統(tǒng)需要開始參與運(yùn)行；電機(jī)持續(xù)運(yùn)行輸出能量，控制器部分需要冷卻；動(dòng)力合成箱傳動(dòng)輸出能量，需要冷卻。大負(fù)荷以及加速運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)都有動(dòng)力輸出，動(dòng)力合成箱傳動(dòng)輸出能量，各部分都需要冷卻。電量不足時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力，需要冷卻；電機(jī)開始充電，電機(jī)控制器運(yùn)行，需要冷卻；動(dòng)力合成箱傳動(dòng)輸出能量，需要冷卻。

（3）制動(dòng)、滑行模式。制動(dòng)、滑行時(shí)回收能量，發(fā)動(dòng)機(jī)不輸出動(dòng)力，并將動(dòng)能盡快轉(zhuǎn)化為電能，不需要冷卻；但是如果發(fā)動(dòng)機(jī)不斷油，則需要冷卻。此時(shí)電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，能量回收至電池，電機(jī)控制器需要冷卻；動(dòng)力合成箱傳動(dòng)輸出能量，需要冷卻。

實(shí)際車輛運(yùn)行時(shí)，路況具有復(fù)雜性，熱量的傳導(dǎo)存在時(shí)間累積，運(yùn)行模式會(huì)頻繁轉(zhuǎn)化，如果采用熱量來進(jìn)行計(jì)算將會(huì)很不方便，按照需要散熱的功率來計(jì)算分析，問題將會(huì)得到簡化。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

通過分析整車運(yùn)行工況可以得出冷卻系統(tǒng)具有下面幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）混合動(dòng)力汽車?yán)鋮s系統(tǒng)應(yīng)該具有分別滿足發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制器、動(dòng)力合成箱等的冷卻要求的冷卻系統(tǒng)，這三個(gè)冷卻系統(tǒng)具有獨(dú)立的動(dòng)力源（泵）和循環(huán)流。

（2）發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制器、動(dòng)力合成箱各一套獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)，各系統(tǒng)按需調(diào)節(jié)冷卻流量，相對(duì)共用冷卻系統(tǒng)更節(jié)能。

（3）多套系統(tǒng)控制難度增加。同時(shí)因發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制器、動(dòng)力合成箱布置在整車機(jī)艙中，散熱器集中在機(jī)艙前端布置，對(duì)機(jī)艙布置要求較高。

（4）電池系統(tǒng)因工作溫度接近乘員艙溫度，采用乘員艙抽風(fēng)冷卻，布置便利。

1.3 系統(tǒng)原理與組成

基于上述特點(diǎn)，可設(shè)計(jì)如圖1所示的整車?yán)鋮s系統(tǒng)原理圖，將發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)控制器、動(dòng)力合成箱的散熱器通過可靠的連接組合成一個(gè)部件，布置在傳統(tǒng)車輛散熱器的位置。

圖1所示發(fā)動(dòng)機(jī)部分由發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱器、水泵、水壺、壓力閥、進(jìn)出水管等構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的循環(huán)流，介質(zhì)是按照體積比50：50配成的水和乙二醇的溶液。

電機(jī)控制器部分由電機(jī)控制器、散熱器、電子水泵、膨脹水壺、進(jìn)出水管等構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的循環(huán)流，介質(zhì)是按照體積比50∶50配成的水和乙二醇的溶液。

動(dòng)力合成箱部分由動(dòng)力合成箱、散熱器、油泵、進(jìn)出油管等構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的循環(huán)流，介質(zhì)是ATF（DX-Ⅵ）冷卻油。

動(dòng)力電池的冷卻采用鼓風(fēng)機(jī)風(fēng)冷的方式，布置在后行李艙中。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)部分的計(jì)算

混合動(dòng)力汽車動(dòng)力模式的結(jié)構(gòu)方案表明，它的發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行只是在某些時(shí)候才需要散熱，相比于傳統(tǒng)車散熱需求量應(yīng)該是較小的，例如，對(duì)于某款1.8 L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)其使用在傳統(tǒng)車上時(shí)散熱需求是70 kW，而當(dāng)其作為混合動(dòng)力使用時(shí)，它的散熱功率需求大約是51 kW。

2.1.1 冷卻液總量的計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于混合動(dòng)力時(shí)，散熱器水室及管帶中冷卻液的體積應(yīng)該能夠完全滿足極端工況下的熱量交換需求以及水泵的最小循環(huán)水量，經(jīng)過計(jì)算其體積大于3 L時(shí)能夠滿足要求，實(shí)際樣件的水室容積在4 L，水壺的最小容積應(yīng)達(dá)到900 ml。

2.1.2 水泵的設(shè)計(jì)計(jì)算

水泵是以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源，運(yùn)行情況取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)比，因此功耗是發(fā)動(dòng)機(jī)的部分效能，此處計(jì)算的水泵的功耗大約是2 kW，流量范圍可以調(diào)整，計(jì)算時(shí)取60 kW，其最低揚(yáng)程應(yīng)能夠滿足驅(qū)動(dòng)最低要求，計(jì)算時(shí)取0.15 bar。

2.1.3 散熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算

管帶式散熱器管帶結(jié)構(gòu)如圖2所示，散熱的機(jī)理是當(dāng)冷卻液在循環(huán)的閉式管路中流動(dòng)時(shí)，在外界的空氣以及風(fēng)扇的作用下，吹向散熱器管片的冷卻空氣與需要冷卻系統(tǒng)損耗的熱量發(fā)生熱交換［4］，這個(gè)過程主要是在管帶壁和散熱片上進(jìn)行。

散熱器的散熱能力［2］通過散熱系數(shù)來評(píng)價(jià)，受散熱器管片結(jié)構(gòu)、水管中水流速度、通過散熱器的空氣流速、管片的材質(zhì)及制造質(zhì)量的影響，其值可以通過試驗(yàn)獲得，實(shí)際散熱器樣件的管帶寬度為18 mm，管帶間距15 mm。

迎風(fēng)面積是散熱器全部處于風(fēng)扇的熱交換區(qū)域的面積，試驗(yàn)獲得的散熱系數(shù)包含了散熱表面積轉(zhuǎn)化為迎風(fēng)面積的比例因子，因此通過下式計(jì)算獲得的值將是散熱器實(shí)際散熱迎風(fēng)面積［2］:

式中：KR為散熱系數(shù)，一般取 0.069～0.117 kJ/m2·s·℃；Δt為散熱器中冷卻液和冷卻空氣的平均溫差。

式中：tw為冷卻液的平均溫度為冷卻空氣的平均溫度為散熱器的進(jìn)水溫度，取標(biāo)定工況發(fā)動(dòng)機(jī)的出水溫度時(shí)82～95℃；ta1為散熱器冷卻空氣的進(jìn)口溫度，取40℃；Δtw為散熱器的進(jìn)出口溫差，也即冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)中的允許溫升，取6～12℃；Δta為散熱器冷卻空氣的進(jìn)出口溫差，取10～30 ℃。

經(jīng)過計(jì)算可知散熱器極端工況下的迎風(fēng)散熱面積是0.003 2 m2。相比發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于傳統(tǒng)車時(shí)的散熱面積縮小了0.001 2 m2，實(shí)際制作散熱器時(shí)的幾何面積則不應(yīng)小于此面積值。

2.2 動(dòng)力合成箱部分的計(jì)算

與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱不同，混合動(dòng)力汽車動(dòng)力合成箱集成了電動(dòng)機(jī)及變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。發(fā)動(dòng)機(jī)模式動(dòng)力輸出時(shí)，動(dòng)力經(jīng)由發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪輸入，在齒輪間變速傳動(dòng)，最后經(jīng)由輸出軸輸出，傳動(dòng)的損失能量與輸入能量按照傳動(dòng)級(jí)數(shù)降低，轉(zhuǎn)化為熱能，需要進(jìn)行冷卻。電動(dòng)模式的動(dòng)力輸出時(shí)，電機(jī)電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能經(jīng)輸出軸輸出，同時(shí)釋放部分熱能，需要進(jìn)行冷卻；制動(dòng)或者滑行時(shí)，機(jī)械能回收轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艽嫒雱?dòng)力電池，這個(gè)過程也存在熱能損耗；需要進(jìn)行冷卻。

2.2.1 動(dòng)力合成箱熱量計(jì)算

對(duì)于動(dòng)力合成箱需要散熱的熱量來源分析結(jié)果表明，直接計(jì)算需要冷卻的熱量，難度很大，但是另一方面所有的熱量全部等效的傳遞給冷卻油液，假設(shè)單位時(shí)間內(nèi)冷卻系統(tǒng)散熱量Qh使得油液溫度上升Δt。因此：

式中：qf為流量，試驗(yàn)中測得流量為即0.6 m2/h；Cf為油比熱容， 計(jì)算時(shí)取 2.1 kJ/（kg·K）；ρf為油密度，計(jì)算時(shí)取 0.865×108kg/m2；Δt為進(jìn)出油口溫差，試驗(yàn)中控制Δt為10℃。

這樣得到的動(dòng)力合成箱中需要散熱的熱量是需要滿足流量和溫差要求的，具有一定的局限性，計(jì)算得到是單位時(shí)間內(nèi)需要散熱的熱量，即散熱功率是3.028 kW。

2.2.2 油泵

油泵是動(dòng)力合成箱部分冷卻系統(tǒng)的動(dòng)力源，電源是動(dòng)力電池，其電壓300 V，流量0.6 m3/h。

系統(tǒng)介質(zhì)ATF（DX-Ⅵ）同時(shí)是潤滑油，冷卻時(shí)溫差10℃以上可滿足散熱要求，入口壓力0.15 MPa，揚(yáng)程 0.5 MPa。

油泵功耗可以按照公式Ph=U·I計(jì)算，按照流量為0.6 m3/h時(shí)的電流計(jì)算，功耗是0.3 kW。

2.2.3 散熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算

動(dòng)力合成箱冷卻系統(tǒng)的散熱器是以銅管作為介質(zhì)進(jìn)行熱傳導(dǎo)的，熱導(dǎo)動(dòng)力是散熱器內(nèi)的油與外部冷卻液的溫差，熱傳導(dǎo)進(jìn)行時(shí)熱量先傳到散熱器管筒，再傳到外部的冷卻液。這種散熱方式要求其散熱器具有較大的熱傳導(dǎo)系數(shù) 、表面積以及較小的厚度，對(duì)于實(shí)際零件厚度不變，在能夠取得最佳的水浸冷卻效果的情況下，其外徑還必須小于電機(jī)控制器散熱器水室截面。

關(guān)系式V=q·t表明液體的體積可以通過流量和時(shí)間獲得，假定一定時(shí)間內(nèi)流動(dòng)液體的熱量全部傳導(dǎo)到管筒上，即 C1V1ρ1=C2V2ρ2，那么：

式中：C1為銅的比熱容，0.39 kJ/kg℃；ρ1為銅的密度，8.96×102kg/m2；C2為油的比熱容，2.1 kJ/（kg·K）；ρ2為油的密度，0.865×103kg/m2；q2為油的流量，計(jì)算時(shí)取10 L/min。

式（4）表明，以某一典型流量值在單位時(shí)間（取1分鐘）內(nèi)通過的體積值與銅管散熱器的體積成一定的比例關(guān)系，計(jì)算得到銅管體積是0.005 2 m3，如果外徑取φ16 mm，壁厚1 mm，銅管長度達(dá)到51 mm時(shí)，它的內(nèi)徑表面積達(dá)到0.002 2 m2，外徑表面積達(dá)到0.002 6 m2。

事實(shí)上，銅的導(dǎo)熱系數(shù)是401 w/m℃，在1分鐘的時(shí)間內(nèi)傳導(dǎo)過1 mm的銅管時(shí)，如果長度超過51 mm，它即具有充分的散熱能力。

2.3 電機(jī)控制器部分的計(jì)算

混合動(dòng)力汽車增加的電機(jī)控制器是控制電動(dòng)機(jī)的電機(jī)模式或者發(fā)電機(jī)的發(fā)電模式轉(zhuǎn)換，即電能的輸出與存儲(chǔ)之間轉(zhuǎn)換，存在瞬時(shí)極大電流，伴隨產(chǎn)生熱量，這一部分的熱量對(duì)于電機(jī)控制器具有不良的影響，需要進(jìn)行冷卻。

2.3.1電機(jī)控制器的熱量計(jì)算

混合動(dòng)力汽車運(yùn)行時(shí)動(dòng)力模式的切換取決于路況。按照電學(xué)能量守恒原理，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能輸出時(shí)產(chǎn)生較大的熱量損耗Q，是輸入電能的部分轉(zhuǎn)化效能，相對(duì)于輸入電能存在損耗因子φ，大約是0.15～0.25；當(dāng)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能存入電池時(shí)也存在熱量損耗，它是機(jī)械能的部分轉(zhuǎn)化效能，相對(duì)于機(jī)械能存在損耗因子τ，大約是0.15～0.25；能量的轉(zhuǎn)化都與路況表現(xiàn)出函數(shù)關(guān)系，冷卻系統(tǒng)需要進(jìn)行冷卻的熱量即：

散熱器惡劣工況需要它具備能量儲(chǔ)備，取儲(chǔ)備系數(shù)ω為1.15～1.25，則此即為需要散熱量：

按照上述關(guān)系式，以及車輛運(yùn)行工況的功率要求，需要散熱器的散熱功率大于4.06 kW。

2.3.2 水壺儲(chǔ)水量

這里可以通過熱量平衡關(guān)系估算總的冷卻液的體積［6］是 ：

式中：Δte為冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)中循環(huán)時(shí)的允許溫升，一般取6～12℃；γw為冷卻液的密度，取近似值1 000 kg/m2；Cw為冷卻液的比熱容，可取 4.2 kJ/（kg·℃）。

計(jì)算得到該系統(tǒng)的熱平衡循環(huán)水流量是160 ml，系統(tǒng)最小儲(chǔ)水量由此可以確定。

2.3.3 電子水泵

電子水泵的電壓采用12 V電壓 （電壓范圍8～12 V），流量21 L/min。水泵揚(yáng)程應(yīng)該達(dá)到0.6 bar。冷卻劑是體積比50%水+50%乙二醇溶液，溫度-40～128℃，功耗應(yīng)該按照水泵功率來計(jì)算，大約是0.3 kW。

2.3.4 散熱器面積

這部分的散熱器的特點(diǎn)是其水室中夾帶了動(dòng)力合成箱的散熱器，因此按照公式計(jì)算時(shí)，Qmax的值應(yīng)該是電機(jī)控制器散熱器需要耗散熱量的功率和動(dòng)力合成箱需要耗散熱量的功率的總和。

計(jì)算所的散熱器的面積大約是0.112 m2。

2.4 電子風(fēng)扇的設(shè)計(jì)計(jì)算［2，3，5］

臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，可以通過一定的空氣量與空氣流速，按照SR=Va/μa來計(jì)算散熱器的迎風(fēng)面積SR，式中：Va為冷卻空氣的需要量m2；μa為散熱器正面積的空氣流速m/s，與前述散熱器的散熱面積比較，校核散熱器的面積是否滿足要求。

計(jì)算時(shí)取冷卻空氣體積為100 L，空氣流速10 m/s，得到散熱面積0.01 m2。與之前計(jì)算值相比較可知，該電子風(fēng)扇能夠滿足散熱時(shí)的冷卻空氣需求量。

3 最終方案及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1總布置方案

混合動(dòng)力汽車的總布置設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足上述的散熱特點(diǎn)，各個(gè)零部件在機(jī)艙內(nèi)布置時(shí)，安裝、維護(hù)應(yīng)該方便，不影響其他功能件的使用。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況改變，散熱需求減少，散熱器面積減少0.001 2 m2；而電機(jī)控制器新增需求0.112 m2，因此開發(fā)新的集成型散熱器，如圖1所示結(jié)構(gòu)，布置在原散熱器位置。散熱器本身采用上下結(jié)構(gòu)，上半部分水流橫向流動(dòng)，水室在左右兩側(cè)，下半部分縱向流動(dòng)，水室在上下位置。

實(shí)際樣車制作時(shí)將電機(jī)控制器散熱器獨(dú)立布置在發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力合成箱散熱器總成的前方，管路獨(dú)立。動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)獨(dú)立布置在后行李艙中。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

按上述方案搭建動(dòng)力總成試驗(yàn)臺(tái)架，并組裝樣車，進(jìn)行標(biāo)定及可靠性試驗(yàn)。如圖3、圖4所示。

目前已完成整套混合動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行了400 h臺(tái)架可靠性試驗(yàn)和整車實(shí)車運(yùn)行15 000 km標(biāo)定，冷卻系統(tǒng)在試驗(yàn)中正常運(yùn)行，能夠滿足各熱源的散熱要求。

4 結(jié)論

上述的設(shè)計(jì)過程提供了一種比較成功的設(shè)計(jì)方法，所得的相關(guān)數(shù)據(jù)已應(yīng)用于某款混合動(dòng)力汽車上，臺(tái)架試驗(yàn)和路試表明，冷卻系統(tǒng)能夠滿足整車運(yùn)行要求。

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