增程式混合動力車輛集成化散熱器總成設(shè)計與計算

崔保平，李 勇，解德杰

（徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州 221004）

氣候變暖是當(dāng)今全球性問題，其主要原因是過度排放二氧化碳，在排放的有害氣體中，占據(jù)近25%高比例的是汽車的排放尾氣。因此，全球汽車工業(yè)特別重視新型電動汽車的研究?；旌蟿恿囕v，既可以實現(xiàn)電動汽車的低排放，也能發(fā)揮石油燃料的高比能量和比功率，在由純?nèi)加蛙囕v向純電動車輛的轉(zhuǎn)變過程中，起著承上啟下的作用。

增程式混合動力車輛包括增程器與動力電池2個動力源。主要熱源部件有增程器及控制器、驅(qū)動電機(jī)及控制器，其中增程器包含發(fā)動機(jī)及發(fā)電機(jī)。針對某增程式混合動力車輛，設(shè)計1款集發(fā)動機(jī)中冷器、發(fā)動機(jī)水散熱器、發(fā)電機(jī)水散熱器、驅(qū)動電機(jī)水散熱器共用1個電子風(fēng)扇的集成散熱器，滿足設(shè)計散熱需求，節(jié)省了車輛內(nèi)部空間，簡化了散熱控制程序，保證增程器及驅(qū)動電機(jī)在合理溫度范圍內(nèi)工作。

1 增程式混合動力系統(tǒng)

增程式混合動力系統(tǒng)采用串聯(lián)式混合動力形式，如圖1所示。增程器與動力電池兩個動力源可單獨(dú)及同時給驅(qū)動電機(jī)供電提供動力，一方面可實現(xiàn)只通過動力電池的純電行駛；另一方面通過增程器發(fā)電可對動力電池進(jìn)行充電及對驅(qū)動電機(jī)提供動力，增加了續(xù)駛里程；增程器與動力電池同時供電提供動力時，此時整車功率最大。

圖1 增程式混合動力系統(tǒng)示意圖

2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計要求

針對某增程式混合動力車輛，需要進(jìn)行冷卻的部件有增程器（發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)）、動力源控制器、4個驅(qū)動電機(jī)及2個驅(qū)動控制器。冷卻系統(tǒng)的主要組成有散熱器總成（散熱器及電子風(fēng)扇）、電控水泵、過濾器、膨脹水箱及相應(yīng)的冷卻管路。

對于4個驅(qū)動電機(jī)最大需求散熱量分別為1.5KW，工作溫度不大于120℃，2個電機(jī)控制器最大需求散熱量分別為1KW，工作溫度不大于60℃，整理其余相關(guān)散熱器的散熱設(shè)計需求如表1所示。

表1 集成化散熱器散熱需求參數(shù)表

3 集成化散熱器總成設(shè)計

3.1 設(shè)計方案

由于發(fā)電機(jī)與驅(qū)動電機(jī)為2個獨(dú)立的熱源部件，因此將發(fā)電機(jī)散熱器與驅(qū)動電機(jī)散熱器獨(dú)立設(shè)計，同時加上發(fā)動機(jī)的水散熱器及中冷器，設(shè)計為4個冷卻循環(huán)回路，4個散熱器集成化安裝，匹配共用1個電子風(fēng)扇，可節(jié)省空間、簡化控制程序，提高冷卻系統(tǒng)的工作效率，使各個部件在最佳溫度下工作。

由于各控制器與相關(guān)電機(jī)的水阻差別較大，采用先控制器再電機(jī)的串聯(lián)方案，可避免電機(jī)與控制器并聯(lián)時導(dǎo)致水阻大的水路流量小的風(fēng)險；針對該型號增程式混合動力車輛，驅(qū)動電機(jī)水路采用先串聯(lián)1個驅(qū)動電機(jī)控制器，再并聯(lián)2個驅(qū)動電機(jī)的方案，同時2個驅(qū)動電機(jī)冷卻水路管路在整車進(jìn)行對稱布置，保證水阻一致，設(shè)計原理圖如圖2所示。

圖2 冷卻系統(tǒng)原理圖

3.2 系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)表1所列各熱源部件散熱量及冷卻液流量需求，計算出各部件進(jìn)出口冷卻水溫度。

3.3 發(fā)動機(jī)水散熱器設(shè)計計算

已知：額定工況下需要的散熱量為18kW。

散熱帶散熱面積計算

散熱帶數(shù)量：n1=18；波數(shù)：n2=193；

單個波長度：L1=0.01714（m）；

帶寬：L2=0.056（m）；

散熱帶散熱面積：

散熱管冷側(cè)散熱面積計算

散熱管數(shù)量：n1=34；散熱管截面外周長：L1=0.05428（m）；管長L3=0.58（m）。

散熱管冷側(cè)總面積：

散熱總面積計算

Fr=S1+S2=6.67+1.07=7.74（m2）。

散熱量計算

傳熱系數(shù)：K=86.7；對數(shù)平均溫差：ΔT=30.45℃；

散熱量：Q=Fr×K×ΔT÷1000

=7.74×86.7×30.45÷1000≈20.5（kW）。

散熱所需冷卻空氣流量計算

注：通常散熱器進(jìn)出風(fēng)溫差Δta=10℃～30℃，此處根據(jù)以往實測經(jīng)驗選取Δta=20℃。

冷卻液溫升計算

3.4 發(fā)動機(jī)中冷器設(shè)計計算

設(shè)計參數(shù)

已知：額定工況下需要的中冷散熱量為8kW。

散熱帶散熱面積計算

散熱帶數(shù)量：n1=11；波數(shù)：n2=131；

單個波長度：L1=0.020024（m）；

帶寬：L2=0.062（m）；

散熱帶散熱面積：

散熱管冷側(cè)散熱面積計算

散熱管數(shù)量：n1=10；散熱管截面外周長：L1=0.13084（m）；管長L3=0.59（m）。

散熱管冷側(cè)總面積：

散熱總面積計算

散熱量計算

傳熱系數(shù)：K=47.1；對數(shù)平均溫差：ΔT=47.7℃；

散熱所需冷卻空氣流量計算

注：通常散熱器進(jìn)出風(fēng)溫差Δta=10℃～30℃，此處根據(jù)以往實測經(jīng)驗選取Δta=15℃。

熱側(cè)空氣溫差計算

3.5 發(fā)電機(jī)水散熱器設(shè)計計算

設(shè)計參數(shù)

已知：額定工況下需要的散熱量為5kW。

散熱帶散熱面積計算

散熱帶數(shù)量：n1=9；波數(shù)：n2=193；

單個波長度：L1=0.01714（m）；

帶寬：L2=0.056（m）；

散熱帶散熱面積：

散熱管冷側(cè)散熱面積計算

散熱管數(shù)量：n1=16；散熱管截面外周長：L1=0.05428（m）；管長L3=0.58（m）

散熱管冷側(cè)總面積：

散熱總面積計算

Fr=S1+S2=3.3+0.5=3.8（m2）。

散熱量計算

傳熱系數(shù)：K=90.3；對數(shù)平均溫差：ΔT=17.49℃；

散熱量：Q=Fr×K×ΔT÷1000

=3.8×90.3×17.49÷1000≈6（kW）。

散熱所需冷卻空氣流量計算

注：通常散熱器進(jìn)出風(fēng)溫差Δta=10℃～30℃，此處根據(jù)以往實測經(jīng)驗選取Δta=12℃。

冷卻液溫升計算

3.6 驅(qū)動電機(jī)水散熱器設(shè)計計算

設(shè)計參數(shù)

已知：額定工況下需要的散熱量為9kW。

散熱帶散熱面積計算

散熱帶數(shù)量：n1=14；波數(shù)：n2=193；

單個波長度：L1=0.01714（m）；

帶寬：L2=0.056（m）；

散熱帶散熱面積：

S1=n2×L1×2×L2×n1=193×0.01714×2×0.056×14≈5.19（m2）。

散熱管冷側(cè)散熱面積計算

散熱管數(shù)量：n1=26；散熱管截面外周長：L1=0.05428（m）；管長L3=0.58（m）。

散熱管冷側(cè)總面積：

S2=L1×L3×n1=0.05428×0.58×26≈0.819（m2）。

散熱總面積計算

Fr=S1+S2=5.19+0.819≈6（m2）。

散熱量計算

傳熱系數(shù)：K=93.14；對數(shù)平均溫差：ΔT=17.29℃。

散熱量：Q=Fr×K×ΔT÷1000

=6×93.14×17.29÷1000≈9.7（kW）。

散熱所需冷卻空氣流量計算

注：通常散熱器進(jìn)出風(fēng)溫差Δta=10℃～30℃，此處根據(jù)以往實測經(jīng)驗選取Δta=12℃。

冷卻液溫升計算

3.7 冷卻風(fēng)扇匹配及各散熱器風(fēng)量計算

綜合上述計算可得：整個冷卻模塊所需的風(fēng)量為：

VA=0.87+0.55+0.42+0.68=2.52m3/s=9072m3/h

已選定的軸流風(fēng)扇性能曲線如圖2所示。

圖2 軸流風(fēng)扇性能曲線圖

根據(jù)以上風(fēng)扇曲線圖，當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1800rpm，風(fēng)壓200pa時，風(fēng)量近似取10600m3/h＞9072m3/h；當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2000rpm，風(fēng)壓200pa時，風(fēng)量近似取14000m3/h＞9072m3/h。

故此風(fēng)扇可滿足散熱需求。

由于4個散熱器是采用并列安裝方式，其中發(fā)動機(jī)水散熱器、發(fā)電機(jī)散熱器、驅(qū)動電機(jī)散熱器芯體結(jié)構(gòu)相同，中冷器芯體結(jié)構(gòu)雖然略有區(qū)別，但是其芯厚尺寸及散熱帶尺寸非常接近，因此在后續(xù)風(fēng)量分配中，近似將其風(fēng)阻看做與其他3個散熱器一致，集成化散熱器總成模型如下圖3所示。

圖3 集成化散熱器總成模型圖

由前面的各散熱器芯體參數(shù)表總結(jié)歸納有：

整個冷卻模塊的迎風(fēng)面積：S≈3.45m2（其中：中冷器占27%，發(fā)動機(jī)水散熱器占31.6%，發(fā)電機(jī)水散熱器占16.5%，驅(qū)動電機(jī)水散熱器占24.9%）。

按上述各散熱器迎風(fēng)面積占比進(jìn)行風(fēng)量分配有：

通過中冷器的風(fēng)量：

通過發(fā)電機(jī)水散熱器的風(fēng)量：

通過驅(qū)動電機(jī)水散熱器的風(fēng)量：

將上述風(fēng)量分別代入計算式：

得中冷器進(jìn)出風(fēng)溫差：

發(fā)動機(jī)水散熱器進(jìn)出風(fēng)溫差：

發(fā)電機(jī)水散熱器進(jìn)出風(fēng)溫差：

驅(qū)動電機(jī)水散熱器進(jìn)出風(fēng)溫差：

4 散熱面積校核計算

已知各散熱器所需提供的散熱量，所需的散熱面積可由式：

計算中冷器所需散熱面積：

發(fā)動機(jī)水散熱器所需散熱面積：

發(fā)電機(jī)水散熱器所需散熱面積：

綜合上述計算過程可知：各散熱器設(shè)計散熱面積均大于散熱所需的散熱面積，所選風(fēng)扇的風(fēng)量滿足散熱器的散熱需求。

針對該集成化散熱器總成，通過控制器對電子風(fēng)扇進(jìn)行控制，具體控制策略如表2所示。

以上4個散熱器的控制策略，以溫度先到為準(zhǔn)。4個散熱器集成化安裝并共用一個電子風(fēng)扇，簡化了控制系統(tǒng)策略。

5 結(jié)束語

對于增程式混合動力車輛，車內(nèi)空間緊湊時，可集成化設(shè)計安裝發(fā)動機(jī)中冷器、發(fā)動機(jī)水散熱器、發(fā)電機(jī)水散熱器、驅(qū)動電機(jī)水散熱器，并匹配共用同一個電子風(fēng)扇，簡化了散熱控制程序；采用先控制器再電機(jī)的串聯(lián)冷卻水路，避免并聯(lián)時因水阻不均導(dǎo)致流量不均的現(xiàn)象，滿足車輛各部件在最大熱負(fù)荷下的冷卻散熱要求，使車輛能夠正常行駛及工作。

表2 集成化散熱器總成控制策略表