一種增程式電動汽車冷卻系統(tǒng)設(shè)計

袁立德，王達成，黃寅，宋和平

( 1.吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315300;2.寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司長興分公司，浙江寧波 315300)

0 引言

隨著2020年10月《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖(2.0版)》的發(fā)布，進一步明確了中國未來新能源戰(zhàn)略的布局，設(shè)立了產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展里程碑，路線圖中指出預計到2035年節(jié)能汽車與新能源汽車年銷售量占比達到50%，汽車產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)電動化轉(zhuǎn)型。11月上海經(jīng)濟和信息化委員會等六部委聯(lián)合印發(fā)了《上海市燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展實施計劃》，到2023年上海燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展實現(xiàn)“百站、千億、萬輛”的總體目標。

大眾集團公布新五年規(guī)劃，730億歐元投向未來技術(shù)，大約110億歐元用于開發(fā)現(xiàn)有車型的混合動力汽車。隨著增程式電動車越來越受到青睞[1-2]，各大整車廠紛紛投入資金開發(fā)增程汽車項目，包括用以匹配增程系統(tǒng)的增程發(fā)動機和變速器，目前市場上的典型代表就是理想ONE車型。

隨著新能源汽車的研究越來越受到國內(nèi)外的重視[3-6],對新能源汽車方面的研究與設(shè)計就顯得尤其重要。

由于用戶的使用習慣，增程汽車上的控制邏輯和功能輸出模式會有不同，這就給熱管理性能方面的開發(fā)帶來了挑戰(zhàn)。本文作者針對吉利某款增程項目，詳細介紹了熱管理空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計思路，系統(tǒng)匹配CAE分析和優(yōu)化。

1 整車設(shè)計需求

該項目為一款正在開發(fā)的多用途汽車(Multi-Purpose Vehicles，MPV)車型，整車質(zhì)量為2 014 kg，是兩擋速比的變速器。整車配置的動力驅(qū)動形式為兩種：一種為混動配置，即發(fā)動機驅(qū)動車輪；另一種為增程配置，即發(fā)動機只作為增程器發(fā)電，由驅(qū)動電機驅(qū)動車輪。

為了滿足兩種動力配置的要求，變速器有兩種配置，即混動配置和增程配置。變速器混動配置的發(fā)電機持續(xù)功率為16 kW，驅(qū)動電機持續(xù)功率為25 kW；變速器增程配置的發(fā)電機持續(xù)功率為27 kW，驅(qū)動電機持續(xù)功率為35 kW。其中變速器的發(fā)電機和驅(qū)動電機采用機油冷卻，然后通過冷卻液和機油的熱交換器將熱量帶出到整車冷卻系統(tǒng)，再通過機艙內(nèi)的空氣與冷卻系統(tǒng)進行熱交換。

整車熱管理的工況需要結(jié)合客戶需求與車輛動力性能：混動配置下滿足低速爬坡、高速爬坡工況以及最高車速145 km/h的要求；增程配置下需要滿足低速爬坡和最高車速130 km/h的要求。兩種配置的環(huán)境溫度都為38～40 ℃。

2 熱管理系統(tǒng)設(shè)計思路

在現(xiàn)有平臺架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合整車的熱管理工況需求，熱管理小組進行了充分的分析。雖然系統(tǒng)回路和零件的性能匹配在吉利屬于首發(fā)，但是仍然需要充分考慮平臺的可拓展性和前端冷卻模塊框架安裝工藝的一致性?；谝陨显颍瑳Q定使用領(lǐng)克平臺的安裝位置和安裝工藝。由于發(fā)動機為借用領(lǐng)克平臺的GEP3低功率版，所以中冷器完全借用，安裝位置也相同，而冷凝器和電池散熱器借用吉利其他車型；發(fā)動機散熱器、電機回路低溫散熱器、風扇根據(jù)布置回路圖和性能匹配進行重新開發(fā)設(shè)計，其中第一版的系統(tǒng)回路圖如圖1所示。

圖1 第一版系統(tǒng)回路圖

下面針對各個回路進行詳細說明：發(fā)動機冷卻回路與傳統(tǒng)車相同；電機回路主要用于冷卻變速器內(nèi)部的發(fā)電機和驅(qū)動電機，同時與功率分配單元(Power Electrical Unit，PEU)、液氣分離器串聯(lián)在一起；暖風回路并聯(lián)了高壓車載加熱器熱敏電阻(Positive Temperature Coefficient，PTC)，用于發(fā)動機不工作時給乘員艙和電池包加熱，同時有電子水泵；空調(diào)回路包括與傳統(tǒng)車相同的蒸發(fā)器、電池冷卻器(Chiller)、壓縮機、冷凝器、膨脹閥等。電池回路中，車載充電模塊(On Board Charging，OBC )和直流轉(zhuǎn)換器(Direct Current，DC-DC)集成在一起，并且與電池包并聯(lián)，同時并聯(lián)一個低溫散熱器，用于在低溫條件下給電池包冷卻，減少空調(diào)制冷劑冷卻電池包帶來的額外能量損失，提高整車的續(xù)航里程。

在圖1的基礎(chǔ)上，前端冷卻模塊的布置結(jié)構(gòu)如圖2所示，把16 mm厚的主散熱器分成發(fā)動機散熱器和電機散熱器，雖然曾經(jīng)試著只使用中冷器上部的電機散熱器，但是無論如何也不能滿足性能要求，因此串聯(lián)上了中冷器前端的電機散熱器。文中進行了CAE計算，分別計算混動配置和增程配置下的水溫，并判斷是否滿足限值要求，增程配置下的計算結(jié)果如圖3所示，從圖3中可以看到，不滿足目標的限值要求，已經(jīng)用外框作標記。

圖2 前端冷卻模塊布置

圖3 增程配置下的計算結(jié)果

3 熱管理系統(tǒng)設(shè)計方案優(yōu)化

因為仿真分析不滿足設(shè)計目標，所以需要對系統(tǒng)進行優(yōu)化。經(jīng)過研究與分析，決定采用增加主散熱器的厚度來增加換熱性能，同時把風扇功率提升。

經(jīng)過CAE計算，最后確定選用21 mm厚的散熱器，風扇功率由450 W的有刷風扇增加到600 W的無刷風扇，混動配置和增程配置下的結(jié)果，如圖4和圖5所示。

圖4 混動配置下的計算結(jié)果

圖5 增程配置下的計算結(jié)果

因為混動配置下發(fā)動機直接驅(qū)動整車，發(fā)動機需求的換熱量較大，所以這種情況下發(fā)動機散熱器的高度就比較大，主散熱器采用230 mm芯體高度，主散熱器下面的電機散熱選用110 mm芯體高度，同時額外串聯(lián)中冷器前面的電機散熱器。而增程配置下發(fā)動機、發(fā)電機和驅(qū)動電機同時工作，屬于熱管理系統(tǒng)最苛刻的工況，計算后主散熱器芯體高度160 mm，電機散熱器芯體高度180 mm，再額外串聯(lián)中冷器前端的電機散熱器。

需要補充說明的是，混動配置下的整車能夠?qū)崿F(xiàn)高速爬坡，但是增程配置下整車的動力性受到發(fā)電機和驅(qū)動電機的性能限制，不能進行高速爬坡工況，同時最高車速也比混動配置下要小，即最高車速130 km/h，混動配置下最高車速145 km/h。

在完成性能優(yōu)化后，經(jīng)過評估和借鑒以往混動車型經(jīng)驗，進行如下兩項系統(tǒng)回路上優(yōu)化：

(1)電池回路中取消三通閥。根據(jù)其他車型項目經(jīng)驗，在環(huán)境溫度30～40 ℃時，電子風扇會頻繁開啟，此時增加該三通閥作用不大。

(2)電機回路中增加三通閥。保證變速器油溫低時，能夠快速暖機，提高效率，油溫高時再對變速器進行冷卻。

經(jīng)過優(yōu)化后的系統(tǒng)回路如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后系統(tǒng)回路圖

4 結(jié)論

文中介紹了一款增程電動車項目的熱管理系統(tǒng)的設(shè)計和CAE計算匹配。由于布置空間限制，OBC和DCDC布置在了電池回路中。另外在增程發(fā)動機的選擇上，如果未來有合適的機會能夠選用單獨為增程電動車開發(fā)的自然吸氣發(fā)動機，那么熱管理的布置會更緊湊，成本更低。

如果有機會使用水冷中冷器和水冷冷凝器也能使熱管理系統(tǒng)進一步優(yōu)化，提高效率，起到節(jié)能的作用。隨著項目的進行，后續(xù)將持續(xù)對此系統(tǒng)進行優(yōu)化。