某混合動力車型熱管理系統(tǒng)開發(fā)與研究

李壘　胡斌斌　田勝　劉樂　姬萬山

摘 要：混合動力車輛熱管理系統(tǒng)是確保車輛電機、電池、控制器、發(fā)動機處于最佳工作溫區(qū)系統(tǒng)，并在極限工況下處于許用工作溫區(qū)的系統(tǒng)。文章以某在研混合動力車型為研究對象，通過對電機、電池、控制器和發(fā)動機的散熱需求進行分析，設(shè)計了覆蓋三溫區(qū)的熱管理系統(tǒng)循環(huán)回路。文章基于一維仿真軟件Flowmaster和CFD軟件STAR-CCM+對系統(tǒng)在設(shè)計工況的性能進行了仿真分析，確保各單元在設(shè)計工況運作時散熱良好。文章對充電時熱管理系統(tǒng)對電池降溫需求的響應(yīng)速率進行了分析，以防止充電過程中熱累積引起熱失控的發(fā)生，并提出了影響響應(yīng)速率的關(guān)鍵因素和改善方法。關(guān)鍵詞：混合動力;熱管理;仿真分析;響應(yīng)時間;熱失控中圖分類號：U469.7 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）08-71-05

Abstract： Hybrid vehicle thermal management system is to ensure that the vehicle motor， battery， controller， engine in the best working temperature zone system， the limit condition in the allowable working temperature regions system. In this paper， a hybrid vehicle model is taken as the research object. Through the analysis of the heat dissipation demand of the motor， battery， controller and engine， the thermal management system circulate loop covering the three temperature zones is designed. Based on the one-dimension simulation software Flowmaster and CFD software STAR-CCM+， this paper carried out simulation analysis on the performance of the system in the design condition， to ensure that the heat dissipation of each unit is good in the design condition. This paper analyzes the response rate of the thermal management system to the battery cooling demand during charging， in order to prevent thermal runaway caused by heat accumulation during charging， and puts forward the key factors affecting the response rate an improvement methods.Keywords：?Hybrid power; Thermal management; Simulation analysis; Response time; Thermal runawayCLC NO.： U469.7 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）08-71-05

前言

混合動力車輛熱管理系統(tǒng)功能是確保車輛驅(qū)動電機、電池、控制器、發(fā)動機等處于最佳工作溫區(qū)，并在極限工況下處于許用工作溫區(qū)的系統(tǒng)。相關(guān)方面國內(nèi)外已有大量的研究，相關(guān)研究表明，電池的溫度對電池的性能有著重要影響[1]。動力電池由過充、短路等因素發(fā)生熱失控時會產(chǎn)熱大量熱量，如果這些熱量得不到均勻釋放將會對整個動力電池系統(tǒng)的均衡性和電池的整體性能產(chǎn)生影響[2]。李文元、Ohshima等對電池?zé)崾Э匾策M行了大量研究工作，指出電池的冷卻裝置需要能夠吸收掉熱失控過程中產(chǎn)生的熱量，并且維持整個電池系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性[3-4]。Ahmed等對驅(qū)動電機不同轉(zhuǎn)矩下發(fā)熱和溫升的關(guān)系進行了相關(guān)研究[5]，指出轉(zhuǎn)矩與發(fā)熱量和溫升速率正相關(guān)。

熱管理系統(tǒng)對各元器件的散熱需求的響應(yīng)速率是決定元器件安全工作的重要因素。電池在熱失控發(fā)生前熱管理系統(tǒng)的及時響應(yīng)，可提升整車的安全性。

本文對各元器件的產(chǎn)熱機理及整車工況對熱管理系統(tǒng)性能需求進行了分析，結(jié)合一維仿真軟件Flowmaster和CFD軟件STAR-CCM+對熱管理系統(tǒng)進行性能匹配與電池靜態(tài)充電模式時電池進液溫度降溫響應(yīng)進行了分析計算。

1 熱管理系統(tǒng)的性能需求

熱管理系統(tǒng)性能滿足電機、電池、控制器、發(fā)動機等處于爬坡工況下散熱需求，本文結(jié)合爬坡工況進行系統(tǒng)匹配分析計算，結(jié)合充電工況進行電池冷卻響應(yīng)速率分析計算。設(shè)計工況定義如表1所示。

1.1 發(fā)動機散熱需求分析

以爬坡工況下單獨由發(fā)動機輸出動力計算發(fā)動機扭矩需求，通過發(fā)動機散熱需求MAP查得發(fā)動機散熱量需求。

空調(diào)制冷系統(tǒng)采用電驅(qū)動制冷壓縮機，發(fā)動機不對壓縮機做工，發(fā)動機扭矩與車速、傳動比、車輪半徑、扭矩傳輸效率、風(fēng)阻系數(shù)、車輛迎風(fēng)面積、整車滿載重量、滾動阻力系數(shù)、坡道角度等參數(shù)相關(guān)。代入相關(guān)參數(shù)至公式1計算得出發(fā)動機扭矩，再根據(jù)發(fā)動機散熱需求MAP[6]，解析獲得發(fā)動機散熱需求為23.23kW。

1.2 驅(qū)動電機及控制器散熱需求分析

驅(qū)動電機散熱途徑為機艙空氣對流傳熱、輻射傳熱和本體散熱通道至冷卻液的傳熱。由于極限工況機艙溫度較高、發(fā)動機本體溫度較高、變速器本體溫度也較高，極限工況下機艙空氣、發(fā)動機本體、變速器本體、均向電機傳到熱量。驅(qū)動電機需冷卻液帶走散熱量應(yīng)包含本體的電磁損耗、內(nèi)部摩擦產(chǎn)生的熱量和來自機艙空氣、發(fā)動機本體、變速器本體傳到的熱量。

在轉(zhuǎn)速一定情況下，驅(qū)動電機扭矩越大發(fā)熱量越高，對于混合動力汽車驅(qū)動電機來說，在冷卻條件一定的情況下，在峰值轉(zhuǎn)矩至少連續(xù)工作30s[7];為避免局部過熱影響壽命，電機內(nèi)部溫度場均勻性要求冷卻液流過電機水道后溫差需低于10K[8]。

本車型所采用驅(qū)動電機額定轉(zhuǎn)矩持續(xù)輸出發(fā)熱量3.65kW，峰值輸出7.30kW。在峰值扭矩工況冷卻液流量不低于12L/min，額定轉(zhuǎn)矩持續(xù)輸出工況冷卻液流量不低于6L/min可滿足電機內(nèi)部溫度場均勻性需求。

控制器散熱需求與電機同步，電機額定轉(zhuǎn)矩持續(xù)輸出時，控制器散熱量2.4kW，電機峰值扭矩輸出時控制器散熱量3kW。

1.3 電池及充電機散熱需求分析

所采用電池組為鋰離子電池，電池工作過程中熱量的來源主要是其內(nèi)部發(fā)生的反應(yīng)熱、副反應(yīng)熱、極化熱和焦耳熱[9]，不同溫度和充放電倍率下產(chǎn)熱功率不同。電池散熱需求隨充放電情況變化，同時在充電模式下充電機產(chǎn)生散熱需求。電池及充電機散熱需求詳見表3。

2 熱管理系統(tǒng)匹配分析

電池、電機、發(fā)動機等關(guān)鍵單元采用液冷冷卻，根據(jù)零部件散熱需求溫度組合各單元，結(jié)合各單元布置位置分配各單元至不同循環(huán)回路，系統(tǒng)根據(jù)溫區(qū)不同分為高溫區(qū)發(fā)動機循環(huán)回路、低溫區(qū)電機循環(huán)回路、電池冷卻循環(huán)回路。

電池冷卻循環(huán)回路中冷源為空調(diào)制冷循環(huán)回路，一維仿真軟件Flowmaster中搭建熱管理系統(tǒng)模型如圖2所示。

圖中元件1、2、3、4、5及相關(guān)管路構(gòu)成低溫區(qū)電機循環(huán)回路，元件7、8、9、10、11、12、13及相關(guān)管路構(gòu)成空調(diào)制冷循環(huán)回路，元件16、17、18、1、10構(gòu)成電池冷卻循環(huán)回路，空調(diào)制冷循環(huán)通過電池冷卻換熱器與電池循環(huán)回路進行熱交換，共同構(gòu)成電池冷卻循環(huán)回路。所開發(fā)混動車型基于成熟車型開發(fā)，故系統(tǒng)模型中發(fā)動機循環(huán)回路簡化。

各元器件水力性能參數(shù)見圖3、散熱器性能MAP見圖4，分別參數(shù)形式輸入Flowmaster系統(tǒng)模型中對應(yīng)單元，其中管路走向復(fù)雜，其水力特性由軟件STAR-CCM+計算后導(dǎo)入一維軟件。

低溫散熱器、冷凝器、中冷器、散熱器的進風(fēng)量通過軟件STAR-CCM+基于前機艙流場計算各模塊進風(fēng)量。在計算中前端模塊各元器件設(shè)定為多孔介質(zhì)，流體介質(zhì)為50%相對濕度空氣，相關(guān)參數(shù)如表4所示。從計算結(jié)果提取前端模塊風(fēng)速分布如圖5所示，前端模塊各單元進風(fēng)量如表5所示。

空調(diào)系統(tǒng)同時滿足乘員艙降溫與電池冷卻需求?？照{(diào)系統(tǒng)的管路、膨脹閥、壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器等相關(guān)參數(shù)輸入Flowmaster系統(tǒng)模型中對應(yīng)單元，其中冷凝器、蒸發(fā)器性能參數(shù)通過ACSOP工具計算形狀因子，空調(diào)制冷循環(huán)壓焓圖如圖6所示。

綜合各參數(shù)，通過一維分析軟件Flowmaster進行仿真分析，提取出在工況一條件下，電池進液、充電機進液、電機控制器進液、電機進液、的溫度和流量等參數(shù)，如表6所示。

從表6結(jié)果可以得出結(jié)論，熱管理系統(tǒng)匹配達到性能要求，并有稍許裕量。

3 電池充電工況降溫響應(yīng)時間校核

電池冷卻循環(huán)回路在充電工況電池散熱需求產(chǎn)生時，同步啟動水泵與壓縮機?？焖俪潆娺^程中的電池散熱需求較大，此時車輛迎面風(fēng)速為零，冷凝器進風(fēng)量小，制冷系統(tǒng)性能最低，故校核充電工況下的電池充電工況產(chǎn)生降溫需求后，系統(tǒng)完成降溫的時間是否滿足需求。

在充電工況，為防止電池?zé)崾Э匕l(fā)生，電池冷卻系統(tǒng)要求電池進液溫度在30s內(nèi)由38℃降至25℃。電池降溫速率主要影響因素為制冷系統(tǒng)從壓縮機啟動到產(chǎn)生制冷效果的制冷系統(tǒng)啟動時間、電池冷卻換熱器至電池的管路流程、冷卻液流速、管路沿程熱損失、換熱器容積、換熱器熱容量?？照{(diào)制冷系統(tǒng)從壓縮機啟動到開始產(chǎn)生制冷效果的時間，經(jīng)統(tǒng)計約5s。相關(guān)參數(shù)如下表所示：

在Flowmaster中建立模型進行仿真模擬，設(shè)定從60s處電池開始進入充電模式，電池、充電機開始產(chǎn)生熱量電池內(nèi)部溫度達到觸發(fā)電池降溫模式的閥值，水泵、制冷壓縮機開始工作，5s后制冷系統(tǒng)開始制冷。提取電池進液和充電機進液的溫度數(shù)據(jù)，溫度隨時間變化曲線如圖7所示。

從提取結(jié)果得出，電池觸發(fā)電池降溫模式后，14.0s后電池進液溫度降至25℃以下，符合電池冷卻系統(tǒng)要求響應(yīng)速度低于30s的要求。同時充電機進液溫度過沖至38.6℃，滿足充電機進液溫度低于50℃的要求。

4 試驗驗證

通過環(huán)境艙模擬爬坡工況、充電工況的環(huán)境溫度、光照強度、行駛阻力、迎面風(fēng)速，驗證車輛熱管理系統(tǒng)在設(shè)計工況的實際性能。

在爬坡工況，車輛各監(jiān)測點溫度達到平衡后，采集在電池進液、充電機進液、電機控制器進液、電機進液的溫度數(shù)據(jù)。在充電工況監(jiān)測采集電池進液、出液的溫度數(shù)據(jù)。

通過比對工況一條件下的各點仿真值和實測值，發(fā)現(xiàn)電機循環(huán)回路仿真值誤差較小，在允許范圍內(nèi)。電池冷卻循環(huán)回路仿真值偏差高達-52.7%，是因為電池循環(huán)回路管路為臨時改制，管路長度較長，冷卻液實際流量低于仿真工況。

充電模式電池進液溫度降溫時間20.1s，滿足性能目標低于30s要求，但高于仿真值14.0s。充電機進液溫度過沖至46.5℃，低于50℃的目標值，高于38.6℃的仿真值。

分析偏差較大原因為試驗車輛從電池冷卻換熱器至電池管路為臨時改制，管路長度為4.58m，較仿真條件中2.5m多了2.08m。管路增長且彎曲段增多，造成流阻增大，實際冷卻液流量低于仿真工況。

5 結(jié)束語

混合動力車輛熱管理系統(tǒng)相較傳動動力車輛熱管理系統(tǒng)增加了電池和電機的冷卻回路，需同時考慮發(fā)動機、電池、電機在設(shè)計工況的冷卻液流量需求、冷卻液進液溫度等散熱需求，根據(jù)溫區(qū)合理分配循環(huán)回路。

電池需防止熱失控的發(fā)生，電池管理端采取手段為超溫后限制充電功率，熱管理端需考慮電池冷卻降溫響應(yīng)速率，在電池充電系統(tǒng)保護動作前把電池進液溫度降低至需求值，避免電池超溫，多重手段預(yù)防電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生。

制冷系統(tǒng)中冷媒在儲液器后至電池冷卻換熱器段的管路中流速較大幅度高于冷卻液在電池循環(huán)管路中流速，減小電池冷卻換熱器至電池段管路長度有利于提高電池降溫響應(yīng)速率。電池冷卻換熱器本身熱容量及冷卻液容積對電池降溫響應(yīng)速率影響程度較大，應(yīng)采用緊湊型換熱器。電池布置在車身后部，為提高電池冷卻降溫響應(yīng)速率，電池冷卻換熱器至電池液管長度應(yīng)盡量短。電池液管附近若有排氣管路，輻射傳熱量較高，應(yīng)對冷卻后通往電池管路采取隔熱棉和鋁箔包裹等方法，減少外界高溫?zé)嵩吹牟焕蓴_。

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