純電動(dòng)推土機(jī)熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬光前，侯文軍，安魯寧，李東浪

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272073）

隨著柴油機(jī)排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，工程機(jī)械純電動(dòng)化已成為行業(yè)未來的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。純電動(dòng)工程機(jī)械的核心部件是電機(jī)電控系統(tǒng)及動(dòng)力電池系統(tǒng)，這兩個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量直接影響電動(dòng)設(shè)備的動(dòng)力性、可靠性等性能參數(shù)。系統(tǒng)溫度是決定電機(jī)電控系統(tǒng)及動(dòng)力電池系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的關(guān)鍵因素，動(dòng)力電池溫度過低會(huì)影響電池放電功率和安全性，溫度過高會(huì)嚴(yán)重影響動(dòng)力電池壽命和穩(wěn)定性[1]。采用熱管理系統(tǒng)控制動(dòng)力電池溫度處于最佳溫度范圍，不僅有利于提高電池的續(xù)航能力，還有利于提高動(dòng)力電池的使用壽命[2]。電機(jī)電控系統(tǒng)溫度過高會(huì)造成控制器熱擊穿、電子元件損壞、電機(jī)輸出限制等故障。一個(gè)好的熱管理系統(tǒng)是多個(gè)系統(tǒng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng)[3]，包含電機(jī)電控及動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)、整機(jī)液壓系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)。此外，商品化的純電動(dòng)工程機(jī)械還要配置駕乘環(huán)境熱管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前已有成熟的商業(yè)化解決方案，本文不做論述。

1 純電動(dòng)推土機(jī)熱管理系統(tǒng)介紹

純電動(dòng)推土機(jī)以傳統(tǒng)柴油動(dòng)力推土機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，保留推土機(jī)原有各項(xiàng)功能，將動(dòng)力源與動(dòng)力傳動(dòng)裝置進(jìn)行替換：動(dòng)力電池組替換柴油機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器替換變矩器變速箱等部件，液壓泵由分動(dòng)箱驅(qū)動(dòng)變?yōu)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)。本文涉及產(chǎn)品電機(jī)電控、動(dòng)力電池系統(tǒng)的配置明細(xì)為：驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器2 組，液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)（下文簡(jiǎn)稱液壓電機(jī)）及控制器1 組，動(dòng)力電池1 組。動(dòng)力源及動(dòng)力傳動(dòng)裝置的變更必然引起整機(jī)熱管理系統(tǒng)的適應(yīng)性變化，同時(shí)新增電氣元件的適合工作溫度范圍也大不相同，詳見表1。因此，應(yīng)統(tǒng)籌考慮純電動(dòng)推土機(jī)各子系統(tǒng)溫度要求設(shè)計(jì)整機(jī)熱管理系統(tǒng)。

表1 純電動(dòng)推土機(jī)各子系統(tǒng)部件工作溫度范圍

為保證熱交換效率，電機(jī)電控及動(dòng)力電池均采用配比為50%純水+50%乙二醇的長(zhǎng)效防凍液作為冷卻介質(zhì)，并采用強(qiáng)制冷卻模式。冷卻介質(zhì)與被冷卻元件實(shí)現(xiàn)熱交換后最終經(jīng)風(fēng)冷冷卻器實(shí)現(xiàn)向外界環(huán)境散熱。液壓油也通過風(fēng)冷冷卻器向環(huán)境散熱。綜合考慮各元件溫度需求，將電機(jī)電控風(fēng)冷單元及液壓油風(fēng)冷單元集成為復(fù)合散熱器，采用電子風(fēng)扇進(jìn)行冷卻。由于動(dòng)力電池溫度范圍要求嚴(yán)格，傳統(tǒng)風(fēng)冷方案已無法滿足需求，因此采用商業(yè)化程度較高的BTMS 進(jìn)行冷卻。根據(jù)溫度要求，本文將電機(jī)電控及液壓油熱管理系統(tǒng)定義為高溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)，將動(dòng)力電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)定義為低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)。

2 高溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 高溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)布置

系統(tǒng)采用水冷單元與油冷單元集成，水冷各分支并聯(lián)，控制器與電機(jī)串聯(lián)的總體布置方案，總體布置如圖1 所示。相比電機(jī)而言，控制器需求溫度較低，串聯(lián)時(shí)將控制器布置在前側(cè)，冷卻液先經(jīng)過控制器再進(jìn)入電機(jī)進(jìn)行冷卻。設(shè)計(jì)時(shí)要通過調(diào)節(jié)管路長(zhǎng)度、增加節(jié)流裝置等手段調(diào)控水冷各分支的流阻，避免出現(xiàn)因流量差異導(dǎo)致的換熱不均衡現(xiàn)象。

圖1 高溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)結(jié)構(gòu)布置

復(fù)合散熱器集成多個(gè)電子風(fēng)扇及控制器，在水冷單元及油冷單元出口處安裝溫度傳感器，控制器分析水溫及油溫后按照既定控制策略向風(fēng)扇發(fā)送指令，調(diào)控風(fēng)扇轉(zhuǎn)速或控制多個(gè)風(fēng)扇的開閉，使防凍液和液壓油處于設(shè)定的溫度范圍，同時(shí)還可以取得可觀的節(jié)能效果。

2.2 水冷系統(tǒng)計(jì)算

設(shè)計(jì)使用最高環(huán)境溫度為45℃。根據(jù)管路及各電子元件流阻值確定電子水泵流量為45L/min。則系統(tǒng)總散熱功率Qw表達(dá)式為

式中Qw——系統(tǒng)總散熱功率；

Qw1——驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱功率，取4kW；

Qw2——電機(jī)控制器散熱功率，取3.5kW；

Qw3——液壓電機(jī)散熱功率，取3.6kW；

n——安全系數(shù)，取1.1。

帶入各項(xiàng)數(shù)值得系統(tǒng)總散熱功率為24.3kW。

計(jì)算時(shí)設(shè)定水冷單元入口溫度為65℃，計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)溫度降Δtw，確定水冷單元出口溫度。

式中Qw——系統(tǒng)總散熱功率，取24.3kW；

Vw——冷卻液循環(huán)流量，取45L/min；

Γw——冷卻液密度，近似取1 000kg/m3；

Cw——冷卻液比熱，近似取4.187kJ/kg℃。

帶入數(shù)值計(jì)算得系統(tǒng)溫度降為7.74℃，滿足控制器入口溫度要求。用式（2)計(jì)算校驗(yàn)水冷各分支溫升，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 油冷系統(tǒng)計(jì)算

設(shè)計(jì)使用最高環(huán)境溫度為45℃，系統(tǒng)理論散熱功率12kW，取安全系數(shù)1.1，計(jì)算輸入確定為13.2kW。計(jì)算時(shí)設(shè)定油冷單元入口溫度為80℃，計(jì)算確定液壓油溫度降Δt0，確定油冷單元出口溫度。

式中Q0——系統(tǒng)總散熱功率，取13.2kW；

V0——液壓油循環(huán)流量，取17L/min；

Γ0——液壓油密度，近似取875kg/m3；

C0——液壓油比熱，近似取2.094kJ/kg℃。

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得系統(tǒng)溫降約為25.4℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 低溫?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

文中純電動(dòng)推土機(jī)采用8 組電池作為動(dòng)力源，電池組自帶加熱功能，選用單冷型BTMS 即可，無需選用具有加熱功能的冷暖型BTMS。目前商業(yè)化BTMS 根據(jù)其制冷量不同分為5kW 及8kW 兩種規(guī)格，具體設(shè)計(jì)過程中可根據(jù)電池組的熱負(fù)荷特性選用相應(yīng)規(guī)格的產(chǎn)品。

為保證各電池組冷卻液流量均勻，且溫度精確控制在適合范圍內(nèi)，電池組冷卻管路采用2 組電池串聯(lián)，各電池冷卻支路并聯(lián)的布置形式，如圖2 所示。

圖2 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)管路布置

設(shè)計(jì)過程中，要綜合考慮高度差等因素，通過控制各分支管路長(zhǎng)度、內(nèi)徑、走向等，保證各分支流阻及流量均衡。此外，要在合適的位置增加膨脹水箱，保證電池及BTMS 的冷卻液一次性加注率及運(yùn)行過程除氣效果，必要時(shí)可使用2 個(gè)膨脹水箱。其布置示例如圖3 所示。

圖3 電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)管路布置示例

此外，BTMS 控制邏輯也是保證熱管理系統(tǒng)精準(zhǔn)運(yùn)行的關(guān)鍵。BTMS 檢測(cè)實(shí)際水溫，與設(shè)定的目標(biāo)水溫比對(duì)，確定工作模式后向執(zhí)行單元發(fā)送指令，典型的工作模式如下。

1）關(guān)機(jī)模式 除BTMS 控制器外，其余部件均停止工作。

2）自循環(huán)模式 BTMS 控制器控制水泵循環(huán)，其余部件停止工作。

3）制冷模式 根據(jù)采集溫度控制BTMS 風(fēng)扇、壓縮機(jī)的開閉。

4 結(jié)語

該熱管理系統(tǒng)已完全可以滿足純電動(dòng)推土機(jī)的工作要求，文中涉及的設(shè)計(jì)方法、布置方案對(duì)其它純電動(dòng)工程機(jī)械熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。后續(xù)還應(yīng)在控制邏輯細(xì)化等方面開展研究工作，使純電動(dòng)工程機(jī)械熱管理系統(tǒng)運(yùn)行更精準(zhǔn)、更節(jié)能。