電動城市客車?yán)鋮s系統(tǒng)計算與測試

梁會仁， 張興軍， 王恩前， 劉朝巖

(山東沂星電動汽車有限公司， 山東 臨沂 276000)

隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，電動汽車驅(qū)動電機的功率和扭矩也越來越大，常規(guī)的風(fēng)冷已無法滿足其散熱需求，研發(fā)水冷電機和與之配套的強制水冷系統(tǒng)已成為必然趨勢[1]。目前，電動客車電機的效率一般在60%～70%，即1/3左右的能量以熱能形式損失。因此電機及控制器通過冷卻系統(tǒng)帶走的熱量是很大的。由于電動客車的冷卻系統(tǒng)主要針對電器件，其受溫度影響更加敏感，所以對冷卻系統(tǒng)也提出了很高的要求[2-3]。

1 冷卻系統(tǒng)組成

根據(jù)電機系統(tǒng)工作要求，其控制器的高溫閥值為75 ℃，電機本身的高溫閥值為130 ℃，要求電機系統(tǒng)進(jìn)、出冷卻液溫度≤60 ℃，散熱器進(jìn)、出冷卻液溫度≤55 ℃。

該冷卻系統(tǒng)為封閉式強制水冷系統(tǒng)，如圖1所示。主要由散熱器總成1(包括散熱風(fēng)扇)、電動水泵2、膨脹水箱3、冷卻水管4等組成。為了降低成本、方便安裝，電動機及其控制器采用一體式串聯(lián)冷卻方式。高溫冷卻液經(jīng)散熱器冷卻后經(jīng)水泵加壓，依次流經(jīng)電機控制器和驅(qū)動電機，最后又流回散熱器，形成封閉循環(huán)水路。同時在散熱器出水口安裝水溫傳感器，實時檢測冷卻液溫度。

2 冷卻系統(tǒng)參數(shù)計算與測試

2.1 冷卻系統(tǒng)需帶走的熱量

計算時以冷卻系統(tǒng)需帶走的熱量QW為原始輸入。QW與電機系統(tǒng)的功率及行駛工況有關(guān)：爬坡工況，根據(jù)汽車熱平衡能力道路試驗方法[4]，選用3/4額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下能爬上7%坡度的最高擋位，此時車輛功率為額定功率Pr=120 kW，熱損耗率為11.4%，熱損耗功率為120 kW×11.4%=13.7 kW；高速工況下的熱損耗具體如下：最高車速Vmax=100 km/h，此時對應(yīng)的轉(zhuǎn)速n=3 200 r/min，功率Pm=180 kW，功率熱損耗率13.3%，功率熱損耗Pd=180×13.3%=24 kW>13.7 kW。再結(jié)合經(jīng)驗，所以本文以高速工況下的熱損耗作為設(shè)計輸入。另外，冷卻系統(tǒng)需要帶走的熱量QW還受其他很多因素的影響。

電機系統(tǒng)熱損耗的80%左右由冷卻系統(tǒng)帶走，且散熱器使用一段時間后，會因為水垢或其他原因引起水管堵塞，使冷卻能力下降10%左右；由于冷卻液泄露及氣阻等影響，也會使系統(tǒng)散熱能力下降10%左右。所以，綜合考慮高速工況下冷卻系統(tǒng)需帶走的熱量QW：

QW=Pd×80%×(1+10%+10%)=24×80%×1.2=23.04 kW=19 814 kcal/h

2.2 冷卻系統(tǒng)水循環(huán)流量

冷卻水循環(huán)流量qW根據(jù)冷卻系統(tǒng)應(yīng)帶走的熱量QW確定，由熱平衡方程[5]得：

式中：ρW為冷卻水密度，取1 000 kg/m3；cp為冷卻水定壓比熱容，取1 kcal/(kg·℃)；△tW為冷卻水溫差，在熱平衡溫度下，冷卻水流經(jīng)水箱的溫差應(yīng)等于冷卻水流經(jīng)電機系統(tǒng)的溫升，為確保電機系統(tǒng)溫度分布均勻性，該值一般為6～12 ℃，此次計算取10 ℃。

2.3 水泵流量

水泵的泵水量qp根據(jù)前述冷卻水循環(huán)流量qW來確定：

式中：ηv為水泵的容積效率，取85%。

參考市場上成熟產(chǎn)品及該水泵的通用性和經(jīng)濟性，選擇水泵的流量為40 L/min。

2.4 散熱器正面面積

根據(jù)《汽車設(shè)計手冊》，散熱器正面面積[6]Ff0=(0.002 7～0.003 4)Pm，由于Pm=180 kW，系數(shù)取0.003 4，得到散熱器理論正面面積Ff0=0.003 4×180=0.612 m2。

根據(jù)總布置設(shè)計的要求，散熱器芯子寬W=820 mm，芯子高H=750 mm，散熱器實際正面面積Ff=W×H=820×750=615 000 mm2=0.615 m2>0.612 m2，滿足設(shè)計要求。

2.5 冷卻空氣體積流量

冷卻空氣的體積流量即散熱風(fēng)扇的供風(fēng)量qa的計算與冷卻系統(tǒng)水循環(huán)流量的計算相同。

式中：ρa為空氣密度，一般取1.05～1.2 kg/m3；ca為空氣定壓比熱容，取0.239 3 kcal/(kg·℃)；△ta為冷卻空氣進(jìn)出散熱器溫升，一般取30～50 ℃。

選取風(fēng)扇的實際風(fēng)量qr=2 000 m3/h，即qr>qa，滿足設(shè)計要求。

2.6 膨脹水箱容積

另外，散熱器水容量V2=8 L，電機內(nèi)水容量V3=4 L，控制器內(nèi)水容量V4=3 L，則冷卻水總?cè)萘縑=V1+V2+V3+V4=7.4+8+4+3=22.4 L。

根據(jù)目前行業(yè)用膨脹水箱型式，其容積Vp主要有3種表征[7]：MIN線以下的最小容積Vmin，確定Vmin時，考慮到車輛運行過程中水箱晃動、液面波動等，工程上通常把液面傾斜30°作為極限情況，設(shè)計時采用三維數(shù)模模擬方法確定，將膨脹水箱傾斜30°，計算膨脹水箱出水口剛好有冷卻液覆蓋時冷卻液的容積Vmin=1.3 L；MAX線與MIN線之間的容積Vm為車輛運行一定里程的損耗量，為保證客戶無需經(jīng)常添加冷卻液，對于Pr=120 kW、Pm=180 kW的電機系統(tǒng)，根據(jù)我司經(jīng)驗取Vm=2 L；MAX線以上的容積計為Vmax，即膨脹容積，是冷卻液隨著溫度的升高而膨脹變大的容積，該MAX線是正常運行時所加冷卻液的最大位置，超出可能會使冷卻液因膨脹而溢出，根據(jù)開式膨脹水箱容積計算方法：

Vmax=αΔtV=0.000 6×15×22.4=0.2 L

式中：α為水體積膨脹系數(shù)，一般取0.000 6 (1/℃)，△t為系統(tǒng)內(nèi)最大水溫變化值，取15 ℃。

同時，Vmax/V=0.2/22.4=0.9%，此膨脹容積值也滿足《空調(diào)設(shè)計手冊》中關(guān)于膨脹量按系統(tǒng)總水容積的0.5%～1.0%的估算規(guī)律。所以，膨脹水箱總?cè)莘eVp=Vmin+Vm+Vmax=1.3+2+0.2=3.5 L,根據(jù)行業(yè)及市場通用水箱大小，選取4 L的膨脹水箱。

2.7 冷卻系統(tǒng)測試

基于以上計算，根據(jù)參考文獻(xiàn) [8-9]進(jìn)行高速工況試驗，要求如下：試驗車速81±2 km/h，環(huán)境溫度30 ℃，電池初始SOC為100%，試驗結(jié)束時電池SOC為10%。試驗過程中[10]，記錄冷卻系統(tǒng)水循環(huán)流量，通過儀表記錄電機及控制器本體的溫度，通過多點測溫儀檢測各測點的水溫：散熱水箱進(jìn)出水溫度，控制器進(jìn)出口溫度，電機進(jìn)出口溫度，水泵進(jìn)出口溫度。3次試驗平均值的熱平衡曲線如圖2所示。

由測試數(shù)據(jù)得知，在試驗30 min后水箱出水口溫度、電機控制器(MCU)溫度、電機(MOT)溫度處于平衡，各測點溫度無明顯升降，MCU溫度在54 ℃左右，MOT溫度在100 ℃左右，滿足其工作溫度要求。由于散熱器水阻及各原件水阻，系統(tǒng)穩(wěn)定流量在33 L/min左右，與設(shè)計值基本一致，說明該冷卻系統(tǒng)的設(shè)計滿足整車需要。

3 結(jié)束語

根據(jù)設(shè)計的純電動客車?yán)鋮s系統(tǒng)原理，通過對關(guān)鍵參數(shù)的理論計算及整車熱平衡道路測試，說明該冷卻系統(tǒng)及設(shè)計參數(shù)滿足整車?yán)鋮s系統(tǒng)的需要，計算方法可作為相似車型的設(shè)計參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葛松.某款純電動轎車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計及試驗研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程.2016,54(7):69-72.

[2] 周奕.燃料電池客車散熱系統(tǒng)設(shè)計分析[J].上海汽車，2010(1):19-20.

[3] 紀(jì)云鵬.純電動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)方案研究[J].電子世界，2014(6):85-86.

[4] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.汽車熱平衡能力道路試驗方法:GB/T 12542-2009 [S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009:2-3.

[5] 王文斌.機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004:20-24.

[6] 朱崇武.汽車設(shè)計手冊[M].長春：長春汽車研究所出版社，1998:5.

[7] 王磊.膨脹水箱容積計算及布置原則[J].汽車實用技術(shù)，2016(8):204-205.

[8] 石俠紅，殷生岱，蔡文新.純電動汽車電動機冷卻系統(tǒng)開發(fā)：中國汽車工程學(xué)會年會論文集[C].北京：北京理工大學(xué)出版社，2013.

[9] 全國汽車標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.汽車道路試驗方法通則：GB/T 12534-1990 [S] .北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1990:289-290.

[10] 葉茂盛.通過熱平衡試驗探討冷卻系統(tǒng)的設(shè)計改善[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007,30(S1):32-38.