純電動自卸車?yán)鋮s系統(tǒng)參數(shù)匹配及仿真設(shè)計研究

摘要：新能源重卡設(shè)計對能耗的要求越來越高，冷卻系統(tǒng)作為動力系統(tǒng)附件設(shè)計重要組成部分，直接影響整車動力性及能耗。以某純電動自卸車為研究對象，為了保證驅(qū)動電機和電機控制器在各種工況下溫度都能維持在正常的工作范圍內(nèi)，對整車?yán)鋮s系統(tǒng)匹配設(shè)計方案進(jìn)行了研究，該方案包括電子水泵、電子風(fēng)扇和散熱器等部件的理論分析計算。通過仿真軟件搭建冷卻系統(tǒng)模型，對冷卻系統(tǒng)流量和散熱器進(jìn)出水溫度進(jìn)行仿真分析，理論計算結(jié)果與仿真結(jié)果表明冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計合理，設(shè)計方案滿足動力系統(tǒng)散熱要求。

關(guān)鍵詞：純電動自卸車；散熱器；電子水泵；電子風(fēng)扇；冷卻系統(tǒng)；仿真設(shè)計

中圖分類號：U4694" 收稿日期：2024-11-29

DOI：1019999/jcnki1004-0226202502003

1 前言

在“雙碳”政策驅(qū)動下，新能源重卡增長迅速。新能源自卸車已成為新能源重卡的第二大細(xì)分市場，應(yīng)用規(guī)模不斷擴(kuò)大。

在政策的持續(xù)推動下，砂石骨料、市政工程建設(shè)領(lǐng)域批量應(yīng)用新能源重卡運輸已是大勢所趨。新能源自卸車憑借“零排放”和低噪音的雙重優(yōu)勢，為推進(jìn)綠色城市建設(shè)和交通運輸結(jié)構(gòu)升級作出了巨大貢獻(xiàn)，純電動自卸車技術(shù)路線處于絕對的主體地位，占比超過90%以上。

本文結(jié)合某純電動自卸車在設(shè)計開發(fā)階段的實際需求，通過冷卻系統(tǒng)的匹配計算，對冷卻系統(tǒng)的核心部件進(jìn)行選型研究，通過仿真分析進(jìn)行校核分析，通過整車路試進(jìn)行驗證。

2 冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計

冷卻系統(tǒng)是新能源自卸車動力系統(tǒng)附件設(shè)計的重要組成部分，對工作中的驅(qū)動電機及電機控制器進(jìn)行適度的降溫，保證其工作在適宜的溫度范圍內(nèi)。冷卻系統(tǒng)的性能直接影響驅(qū)動電機和電機控制器的動力性、能耗和使用壽命。

新能源汽車?yán)鋮s系統(tǒng)主要有液冷和風(fēng)冷兩種類型，目前在新能源自卸車上廣泛采用的是水冷方式。水冷方式的冷卻系統(tǒng)主要由散熱器、電子風(fēng)扇、電子水泵、驅(qū)動電機和電機控制器等組成［1］。在進(jìn)行冷卻系統(tǒng)參數(shù)匹配設(shè)計時，需要對這些核心部件進(jìn)行匹配和選型，從而達(dá)到動力系統(tǒng)的散熱需求。

目前，全球氣候變暖趨勢明顯，臭氧層變薄，溫室效應(yīng)加劇，導(dǎo)致冰川融化。加之城市熱島效應(yīng)和全球二氧化碳含量的上升，這些因素使得大氣層溫度升高。因此，整車最大使用環(huán)境溫度取45 ℃。

由于新能源自卸車空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器普遍布置在冷卻系統(tǒng)散熱器后側(cè)，且與冷卻系統(tǒng)共用電子風(fēng)扇。因此，冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計需考慮空調(diào)冷凝器的散熱量［2］。

21 冷卻系統(tǒng)冷卻部件散熱量

如表1所示，根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，驅(qū)動電機散熱功率Qm=808 kW，電機控制器散熱功率Qc=45 kW。由于空調(diào)冷凝器與散熱器疊加在一塊，所以散熱器也要考慮冷凝器的散熱功率，空調(diào)冷凝器的散熱功率Qa=7 kW。因此冷卻系統(tǒng)的散熱量為驅(qū)動電機、電機控制器和空調(diào)冷凝器之和，Qs=Qm+Qc+Qa=1958 kW。

22 水泵選型

為了使驅(qū)動電機和電機控制器能夠保持在正常溫度范圍內(nèi)工作，需要通過電子水泵循環(huán)冷卻液將驅(qū)動電機和電機控制器所產(chǎn)生的熱量帶至散熱器進(jìn)行散熱［3］。因此，需要對電子水泵進(jìn)行匹配要求。為了克服散熱器、驅(qū)動電機、電機控制器和管路等水道的阻力，電子水泵運行必須能夠產(chǎn)生足夠的揚程。

純電動自卸車?yán)鋮s系統(tǒng)管路一般為串聯(lián)形式，驅(qū)動電機和電機控制器對入口冷卻液的流量要求為35～45 L/min，大揚程的電子水泵其功率和成本會相應(yīng)升高，因此冷卻系統(tǒng)流量35 L/min即可。

根據(jù)冷卻系統(tǒng)各部件的水阻數(shù)據(jù)，在流量為35 L/min時，驅(qū)動電機的水阻為46 kPa，電機控制器的水阻為80 kPa，散熱器的水阻為4 kPa，布置管路的水阻為20 kPa，冷卻系統(tǒng)在30 L/min的水阻為150 kPa。

根據(jù)冷卻系統(tǒng)冷卻液流量和水阻要求，初選02036224001電子水泵，其流量揚程性能曲線如圖1所示。

據(jù)圖1可以得到，02036224001電子水泵在水阻為150 kPa時的流量為2 100 L/h（35 L/min），滿足冷卻系統(tǒng)流量需求。

23 電子風(fēng)扇選型

為確保水泵和冷卻液發(fā)揮冷卻作用，還需要對電子風(fēng)扇進(jìn)行合理匹配，保證流經(jīng)散熱器的空氣流量，使得冷卻液在流經(jīng)散熱器時所攜帶的熱量容易散發(fā)，且溫度下降快速，電子風(fēng)扇應(yīng)滿足冷卻系統(tǒng)的風(fēng)量需求［4］。

24 冷卻系統(tǒng)風(fēng)量估算

冷卻空氣風(fēng)量根據(jù)冷卻系統(tǒng)散熱量確定，為簡化問題，此處散熱器的散熱量取近似冷卻系統(tǒng)散熱量，則冷卻系統(tǒng)最小風(fēng)量：

26 電子風(fēng)扇選型

散熱器后配置三個電子風(fēng)扇，以靜壓450 kPa時，單個電子風(fēng)扇的風(fēng)量≥1 817 m3/h作為主要選型依據(jù)。

根據(jù)風(fēng)量及質(zhì)量要求，初選斯佩爾無刷電子風(fēng)扇VA113-BBL506PN-94A，其風(fēng)量曲線如圖2所示。

27 散熱器選型

散熱器通過空氣傳熱的原理把冷卻液的部分熱量帶走，從而使驅(qū)動電機和電機控制器內(nèi)部冷卻液的溫度適度降低，最終實現(xiàn)驅(qū)動電機和電機控制器的降溫［5］。在滿足整車布置空間的前提下，應(yīng)盡可能增加散熱器的散熱面積，并減小散熱器芯部厚度，使之有利于提高電子風(fēng)扇的風(fēng)量和車輛的通氣性。

5 結(jié)語

依據(jù)整車技術(shù)要求對純電動自卸車的散熱器、電子水泵和電子風(fēng)扇等部件進(jìn)行了匹配設(shè)計，利用軟件對整車性能進(jìn)行了仿真。整車在可靠性試驗過程中驅(qū)動電機及電機控制器運轉(zhuǎn)正常，水溫合適，沒有出現(xiàn)高溫現(xiàn)象。路試應(yīng)用證明，冷卻系統(tǒng)匹配設(shè)計方案滿足驅(qū)動電機和電機控制器冷卻要求。

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[7]QC/T 773 汽車散熱器電子風(fēng)扇技術(shù)條件[S].

作者簡介：

王文，男，1990年生，工程師，研究方向為新能源商用車。