48 V微混發(fā)動(dòng)機(jī)電動(dòng)智能冷卻系統(tǒng)

李丕茂，耿宗起，葛乃良，左蘭

(1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)試驗(yàn)室, 山東濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，山東濰坊 261061)

0 引言

48 V微混技術(shù)是一種較理想的降油耗技術(shù)方案，在P0結(jié)構(gòu)的48 V系統(tǒng)中，皮帶驅(qū)動(dòng)起動(dòng)/發(fā)電一體機(jī)(belt-driven starter generator, BSG)得到應(yīng)用，取代了12 V的發(fā)電機(jī)[1-5]。由于電壓提高，整車電路系統(tǒng)允許使用更多的電器負(fù)載。

冷卻系統(tǒng)關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)和整車系統(tǒng)能否正常工作，其功耗直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)和整車油耗。目前發(fā)動(dòng)機(jī)電控冷卻系統(tǒng)的研究均基于傳統(tǒng)12 V系統(tǒng)，且大部分都是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)過程進(jìn)行研究。

機(jī)械式水泵和發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸具有耦合關(guān)系，為了滿足大負(fù)荷時(shí)的冷卻需求，往往存在較大的匹配余量，冷卻系統(tǒng)功耗較大。文獻(xiàn)[6]綜合評(píng)述了車用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的研究進(jìn)展，指出采用電控冷卻部件實(shí)現(xiàn)精確冷卻和分流式冷卻的有效整合是降低發(fā)動(dòng)機(jī)油耗的有效手段。郭新民等[7]搭建了由電控節(jié)溫器、電控風(fēng)扇、電控導(dǎo)風(fēng)板和單片機(jī)組成的智能冷卻系統(tǒng)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示智能冷卻系統(tǒng)的熱車時(shí)間比原冷卻系統(tǒng)縮短90%，百km油耗節(jié)省12.1%。韓松等[8]搭建了由電動(dòng)水泵、電動(dòng)風(fēng)扇、電子節(jié)溫器和電加熱器組成的發(fā)動(dòng)機(jī)全工況智能冷卻系統(tǒng)，試驗(yàn)證明了該系統(tǒng)可以縮短暖機(jī)時(shí)間，降低暖機(jī)過程燃油消耗。盛德號(hào)等[9]采用單片機(jī)聯(lián)合控制電水泵和電風(fēng)扇，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)和暖機(jī)過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)電水泵和電風(fēng)扇的應(yīng)用有助于縮短暖機(jī)時(shí)間，節(jié)約暖機(jī)過程燃油。曾宇航等[10]對(duì)電控冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真和優(yōu)化研究，得出使冷卻系統(tǒng)功耗最小的方案。鄧義斌等[11]研究了電控冷卻系統(tǒng)的控制方法，指出采用變論域模糊控制的效果較優(yōu)。

本研究在整合大功率電動(dòng)水泵、電動(dòng)風(fēng)扇和電子節(jié)溫器的基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于48 V電壓系統(tǒng)的水溫閉環(huán)控制策略，在一定程度上提高了冷卻液溫度，試驗(yàn)研究了電動(dòng)智能冷卻系統(tǒng)的節(jié)油機(jī)理和其在NEDC循環(huán)下的節(jié)油潛力。

1 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)以某2.5 L柴油機(jī)為本體機(jī)，按照P0的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行改造，在48 V電路中增加電動(dòng)水泵和電動(dòng)陣列風(fēng)扇作為系統(tǒng)用電器。由于取消了12 V發(fā)電機(jī)，系統(tǒng)中增加了直流電壓轉(zhuǎn)換模塊(DC/DC)為原有12 V電路用電器供電，改造后的電路拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)電路拓?fù)鋱D

圖2 智能冷卻系統(tǒng)拓?fù)鋱D

試驗(yàn)的智能冷卻系統(tǒng)由48 V電動(dòng)水泵、48 V電動(dòng)風(fēng)扇和電子節(jié)溫器(電加熱石蠟式)組成，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)首先測試機(jī)械水泵和電動(dòng)水泵在穩(wěn)態(tài)工況下的能耗情況，評(píng)估在NEDC循環(huán)下2種水泵的能耗，通過電動(dòng)智能冷卻系統(tǒng)將冷卻液溫度分別控制在80、100 ℃，測試風(fēng)扇在2種溫度下的NEDC循環(huán)能耗。最后測試發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)油耗受溫度的影響和冷卻液溫度為80、100 ℃時(shí)的NEDC循環(huán)油耗。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 機(jī)械水泵和電驅(qū)動(dòng)水泵的穩(wěn)態(tài)功耗分析

機(jī)械傳動(dòng)式水泵一般由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸經(jīng)齒輪或皮帶傳動(dòng)直接或間接驅(qū)動(dòng)，水泵功率一般通過發(fā)動(dòng)機(jī)最大熱負(fù)荷工況點(diǎn)(如額定功率點(diǎn)和最大扭矩工況點(diǎn))來確定，由最大熱負(fù)荷點(diǎn)計(jì)算出機(jī)械水泵的工作轉(zhuǎn)速，進(jìn)而確定水泵轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速之間的速比，因此機(jī)械式水泵的功率只與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，與發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷無關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷較低時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)散熱量較小，但機(jī)械水泵仍然以滿負(fù)荷時(shí)的轉(zhuǎn)速工作，冷卻水流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于散熱需求，造成了能耗的浪費(fèi)。如果采用電驅(qū)動(dòng)冷卻水泵，就可以按照發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)水泵工作轉(zhuǎn)速，節(jié)約能耗。

對(duì)機(jī)械水泵，曲軸機(jī)械能通過皮帶或者齒輪直接傳給水泵，能量路徑單一，傳遞效率高。對(duì)電動(dòng)水泵，曲軸的機(jī)械能先傳給BSG電機(jī)發(fā)電，電能再經(jīng)過儲(chǔ)存和釋放傳遞給水泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)，能量路徑復(fù)雜，傳遞效率低。機(jī)械水泵和電動(dòng)水泵能量路徑對(duì)比如圖3所示。

圖3 機(jī)械水泵和電動(dòng)水泵能量路徑對(duì)比

由于發(fā)電效率η2和電動(dòng)效率η3一般處于80%～90%，因此，機(jī)械水泵的效率ηm大于電動(dòng)水泵效率ηe，電動(dòng)水泵必須降低能耗才能比機(jī)械式水泵更加節(jié)能。

圖4 機(jī)械水泵和電動(dòng)水泵功率比較

通過機(jī)械水泵試驗(yàn)臺(tái)直接測量機(jī)械式水泵在不同轉(zhuǎn)速下的功耗；通過測量電動(dòng)水泵的供電電壓和工作電流，得到各轉(zhuǎn)速下電動(dòng)水泵的功率，機(jī)械水泵和電動(dòng)水泵在不同轉(zhuǎn)速下的功耗如圖4所示，可以看出，相同轉(zhuǎn)速下，電動(dòng)水泵的功耗遠(yuǎn)大于機(jī)械水泵。

2.2 NEDC循環(huán)下機(jī)械和電動(dòng)水泵功耗分析

電動(dòng)水泵的應(yīng)用使水泵轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速解除耦合關(guān)系，可以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際的散熱需求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制水泵轉(zhuǎn)速。本試驗(yàn)中對(duì)電動(dòng)水泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了全工況優(yōu)化標(biāo)定，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)不出現(xiàn)局部過熱的前提下，盡量降低電動(dòng)水泵的工作轉(zhuǎn)速，從而降低水泵功耗。優(yōu)化后的電動(dòng)水泵在滿負(fù)荷工況點(diǎn)保持和機(jī)械水泵相同的轉(zhuǎn)速，在中低負(fù)荷不同程度地降低了水泵工作轉(zhuǎn)速，負(fù)荷越低，水泵轉(zhuǎn)速降低的幅度越大。

測試結(jié)果表明，NEDC循環(huán)下原機(jī)械水泵的平均轉(zhuǎn)速為2051 r/min，優(yōu)化后的電動(dòng)水泵平均轉(zhuǎn)速為1016 r/min。經(jīng)過計(jì)算，NEDC循環(huán)機(jī)械水泵平均功率為0.334 kW，優(yōu)化后的電動(dòng)水泵平均功率為0.142 kW。

驅(qū)動(dòng)電動(dòng)水泵的電能需要發(fā)動(dòng)機(jī)做功產(chǎn)生，NEDC循環(huán)中，所用BSG電機(jī)的平均發(fā)電效率約85%，電池存儲(chǔ)和釋放電能的平均綜合效率約81%，因此水泵消耗的平均功率修正計(jì)算為0.206 kW。綜上，在NEDC循環(huán)中，優(yōu)化后電動(dòng)水泵的功耗相對(duì)于機(jī)械水泵降低約38%。

2.3 電動(dòng)風(fēng)扇能耗評(píng)估

圖5 風(fēng)扇散熱器結(jié)構(gòu)示意圖

圖5為試驗(yàn)用的風(fēng)扇和散熱器結(jié)構(gòu)示意圖，使用2臺(tái)48 V電動(dòng)風(fēng)扇，其中靠近進(jìn)水口一側(cè)(高溫側(cè))的風(fēng)扇命名為風(fēng)扇2，靠近出水口一側(cè)(低溫側(cè))的風(fēng)扇命名為風(fēng)扇1。

試驗(yàn)室測試了發(fā)動(dòng)機(jī)固定工況下2臺(tái)風(fēng)扇的冷卻規(guī)律，在無迎風(fēng)的條件下，組合調(diào)節(jié)2個(gè)電動(dòng)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速使發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度固定在85 ℃，得到如圖6的一組功耗曲線，圖中的功耗為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇1和風(fēng)扇2的功耗和。

圖6 2臺(tái)風(fēng)扇功耗曲線

從圖6可以看出，固定工況下，為達(dá)到相同的散熱效果，優(yōu)先使用散熱器高溫側(cè)的風(fēng)扇2時(shí)風(fēng)扇的總能耗更低。

在試驗(yàn)室環(huán)境下測量了電動(dòng)風(fēng)扇在NEDC循環(huán)下的功耗，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度維持80 ℃時(shí)風(fēng)扇平均功耗為0.108 kW，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度維持100 ℃時(shí)風(fēng)扇平均功耗為0.043 kW，隨著冷卻液溫度的上升，風(fēng)扇的平均功耗降低約60%，這是因?yàn)殡S著冷卻液溫度的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)總散熱量降低，需要的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低，所以風(fēng)扇功耗降低[12]。

圖7 1500 r/min水溫對(duì)油耗影響曲線

2.4 水溫對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)油耗的影響

穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)選取了發(fā)動(dòng)機(jī)常用轉(zhuǎn)速1500 r/min時(shí)的低中高3個(gè)負(fù)荷工況，測試油耗隨水溫升高的變化情況，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，在1500 r/min低負(fù)荷下，隨水溫的升高油耗下降趨勢明顯，降幅達(dá)到1.6%；中間負(fù)荷時(shí)仍可見下降趨勢，降幅為0.6%；高負(fù)荷時(shí)油耗隨水溫的變化趨勢不明顯。

2.5 智能冷卻系統(tǒng)的控制水溫精度和節(jié)油能力

保持電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)守恒，在NEDC循環(huán)下對(duì)水溫控制效果和油耗進(jìn)行測試，NEDC循環(huán)試驗(yàn)中使用了自主開發(fā)的水溫閉環(huán)控制策略。

圖8 NEDC循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度的變化

圖8為NEDC循環(huán)中發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度的變化情況。實(shí)測水溫的控制偏差為-3.6～5.1 ℃，即使出水溫度提高到100 ℃，該電動(dòng)智能冷卻系統(tǒng)仍能精確控制水溫，使通過提高發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度來降低油耗具備了可行性。

使用水溫閉環(huán)控制策略分別控制發(fā)動(dòng)機(jī)水溫維持在80 ℃和100 ℃，用油耗儀測量發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)總油耗。試驗(yàn)結(jié)果顯示：與水溫為80 ℃、采用機(jī)械水泵、普通節(jié)溫器、電動(dòng)風(fēng)扇工況下相比，水溫為100 ℃、采用電動(dòng)水泵、電子節(jié)溫器、電動(dòng)風(fēng)扇情況下的NEDC循環(huán)油耗降低了3.34%。

3 結(jié)論

1)考慮到發(fā)電機(jī)、電池充放電及電動(dòng)機(jī)的效率，相同轉(zhuǎn)速下，機(jī)械水泵的功耗低于電動(dòng)水泵的功耗。但由于電動(dòng)水泵解除了與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的機(jī)械耦合，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)不出現(xiàn)局部過熱的前提下，允許采用更低的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過優(yōu)化標(biāo)定，NEDC循環(huán)中，電動(dòng)水泵功耗可以比機(jī)械水泵降低38%。

2)對(duì)于含2個(gè)風(fēng)扇的陣列風(fēng)扇組合，在達(dá)到相同冷卻能力的前提下，優(yōu)先采用靠近散熱器入水口側(cè)的風(fēng)扇可以使風(fēng)扇功耗更低。由于冷卻液溫度的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)總散熱量降低，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和功耗降低。NEDC循環(huán)下，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度從80 ℃提升到100 ℃，風(fēng)扇的平均功耗降低60%。

3)采用電動(dòng)水泵、電子節(jié)溫器和電動(dòng)風(fēng)扇的智能冷卻系統(tǒng)可以在目標(biāo)水溫為100 ℃的情況下精準(zhǔn)控制水溫。水泵和風(fēng)扇的功耗降低，水溫從80 ℃提升到100 ℃帶來的散熱量減小及摩擦降低等可以使NEDC循環(huán)油耗降低3.34%。