混合動力汽車熱管理開發(fā)研究

摘要：針對某款搭載串并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)的汽車，開展熱管理開發(fā)及相關(guān)研究。文章首先結(jié)合混動總成系統(tǒng)熱管理參數(shù)需求，設(shè)計開發(fā)了一臺熱管理系統(tǒng)方案；其次依據(jù)熱管理關(guān)鍵工況，提取和分析得到了各散熱單元的進風(fēng)量；然后對該方案下的熱管理性能進行仿真分析，發(fā)現(xiàn)該方案存在高溫散熱單元和油冷器進風(fēng)量不足、布局不佳等缺陷，導(dǎo)致高溫散熱單元和油冷器溫度分別高于目標(biāo)值1.5 °C和3.8 °C；最后結(jié)合風(fēng)扇和散熱單元布局優(yōu)化等措施，使得高溫散熱單元和油冷器進風(fēng)量分別提升了9.37%和8.4%，高溫散熱單元和油冷器溫度分別降低了4 °C和4.1 °C，達成開發(fā)目標(biāo)。

21世紀(jì)以來，人類面臨劇烈的氣候變化。由于全球二氧化碳排放和溫室氣體猛增，導(dǎo)致生命系統(tǒng)受到威脅，為此世界各國以全球協(xié)約的方式減排溫室氣體，我國也提出了2030年碳達峰和2060年碳中和的目標(biāo)。在這樣的大背景下，我國政府和汽車行業(yè)相繼提出了《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》和《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》，大力開發(fā)和推出更低能耗的混合動力汽車。

常見的混合動力汽車構(gòu)型通常包括發(fā)動機、發(fā)電機、驅(qū)動電機、動力電池、電機控制器、直流轉(zhuǎn)化器（Direct Current to Direct Current, DCDC）和電動空調(diào)等。這些關(guān)鍵零部件的發(fā)熱類型和需求差異較大，既有燃料燃燒化學(xué)產(chǎn)熱，又有電磁發(fā)熱，以及功率電子電流發(fā)熱等。為此混合動力汽車的熱管理系統(tǒng)需要進行多系統(tǒng)和多維度的開發(fā)及研究。

胡天妹等[1]對傳統(tǒng)燃油車和混合動力汽車的熱管理系統(tǒng)進行對比，分析出混合動力汽車熱管理關(guān)鍵技術(shù)及策略，并對整車熱管理性能優(yōu)化提出優(yōu)化建議。周翔等[2]從滿足混合動力各個硬件的熱管理需求出發(fā)，研究和分析了熱管理控制所需的硬件系統(tǒng)。盧山等[3]結(jié)合V字型模式，對混合動力整車熱管理控制策略進行了開發(fā)，研究了算法設(shè)計、模型開發(fā)和測試等環(huán)節(jié)及內(nèi)容。

易舒等[4]和李壘等[5]分別對混合動力汽車的電機總成和動力電池等分別開展熱管理分析和建模，研究發(fā)現(xiàn)了影響降溫和熱管理的關(guān)鍵因素，并提出了改善方法。

董橋橋等[6-7]基于一維仿真AMEsim平臺，結(jié)合US06工況，對混合動力總成熱管理系統(tǒng)進行分析和優(yōu)化，確定各動力部件所需最佳溫度范圍。

為進一步研究和提高混合動力熱管理系統(tǒng)性能，本文首先針對某混合動力汽車，設(shè)計和開發(fā)了一套熱管理系統(tǒng)；其次結(jié)合三維進氣流量模擬，提取得到了關(guān)鍵工況下各散熱單元的進風(fēng)量，并基于一維分析平臺GT SUITE搭建了熱管理仿真模型；然后開展了混合動力系統(tǒng)熱管理系統(tǒng)性能研究；最后結(jié)合風(fēng)扇性能和散熱單元布局優(yōu)化，達成熱管理性能目標(biāo)。

1 混合動力汽車及熱管理系統(tǒng)

某串并聯(lián)式混合動力汽車構(gòu)型及關(guān)鍵零部件如圖1所示，包含有發(fā)動機、發(fā)動機電控單元（Engine Control Unit, ECU）、發(fā)電機、發(fā)電機控制器（Generator Control Unit, GCU）、驅(qū)動電機、驅(qū)動電機控制器（Motor Control Unit, MCU）、動力電池、電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）、混動控制器（Hybrid Control Unit, HCU）及直流電源轉(zhuǎn)化器等。

圖2 混合動力熱管理系統(tǒng)原理

其中整車、發(fā)動機、發(fā)電機和驅(qū)動電機性能及基本參數(shù)如表1所示。發(fā)動機的本體水溫目標(biāo)為115 ℃，發(fā)動機增壓器及進氣中冷水溫目標(biāo)為70 ℃，電機控制器及直流電源轉(zhuǎn)換器DCDC水溫目標(biāo)為70 ℃，發(fā)電機和驅(qū)動電機油溫目標(biāo)為90 ℃。結(jié)合這些系統(tǒng)所需溫度目標(biāo)，本文設(shè)計的熱管理系統(tǒng)原理如圖2所示，其中油冷器同時為發(fā)電機和驅(qū)動電機本體進行冷卻；中冷換熱器為發(fā)動機增壓器及進氣進行冷卻；低溫散熱單元為電機控制器及直流電源轉(zhuǎn)換器冷卻；高溫散熱單元為發(fā)動機本體進行冷卻。

表1 整車和系統(tǒng)零部件基本參數(shù)

根據(jù)圖2混合動力熱管系統(tǒng)原理，初步布置各散熱單元相對位置如圖3所示，從進風(fēng)端到風(fēng)扇端，中間依次是中冷換熱器、低溫散熱器、高溫散熱器和油冷器。

圖3 散熱單元布局

2 仿真工況及模型和數(shù)據(jù)提取

結(jié)合最為惡劣的環(huán)境和整車使用工況，本文設(shè)定的整車關(guān)鍵工況如表2所示。工況1為原地駐車充電工況，此時各散熱單元進風(fēng)量最小；工況2為中等車速下串聯(lián)爬坡工況；工況3為高速行駛工況。

表2 整車關(guān)鍵工況

在如表2所示工況下，通過運用三維仿真軟件STAR CCM+，經(jīng)過對整車幾何前處理、網(wǎng)格劃分、仿真參數(shù)設(shè)置、計算分析、后處理等，得到如圖4所示的整車機艙前端進風(fēng)流場圖；并提取得到各散熱單元進風(fēng)量結(jié)果如表3所示。

圖4 三維仿真模型

表3 散熱單元進風(fēng)量 單位：m3/s

圖5 熱管理仿真模型

根據(jù)圖2所示混合動力熱管理架構(gòu)，通過運用一維冷卻性能仿真平臺GT SUITE，搭建的混動車型熱管理仿真模型包含發(fā)動機系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、驅(qū)動電機系統(tǒng)、發(fā)電機、排氣系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)等，如圖5所示。

3 熱管理仿真及優(yōu)化

結(jié)合熱管理仿真模型和工況參數(shù)，仿真計算得到的各散熱單元溫度結(jié)果如表4所示，其中在工況2下高溫散熱單元和油冷器溫度分別超過目標(biāo)溫度1.5 ℃和3.8 ℃，未達成開發(fā)目標(biāo)。

表4 各散熱單元仿真溫度匯總 單位：℃

因此，本文提出加大進風(fēng)量和優(yōu)化散熱單元布局兩大優(yōu)化措施，即將原400 W風(fēng)扇提升至600 W風(fēng)扇，優(yōu)化風(fēng)扇后的進風(fēng)量如表5所示，在工況2下，高溫散熱單元和油冷器的進風(fēng)量相比原方案分別提升了9.37%和8.4%。優(yōu)化散熱單元后的布局如圖6所示。

表5 優(yōu)化后散熱單元進風(fēng)量 單位：m3/s

圖6 散熱單元優(yōu)化布局

熱管理系統(tǒng)優(yōu)化后的仿真結(jié)果如表6所示，在整車關(guān)鍵三種工況下，各散熱單元的溫度都達成了目標(biāo)，如工況2下高溫散熱單元溫度從116.5 ℃降低至112.5 ℃，降低了4 ℃；油冷器從93.8 ℃降低至89.7 ℃，降低了4.1 ℃。

表6 優(yōu)化后各散熱單元仿真溫度匯總 單位：℃

4 結(jié)論

針對一款串并聯(lián)混動汽車構(gòu)型，開發(fā)了一套混合動力熱管理系統(tǒng)，開展了仿真建模和性能優(yōu)化研究：

（1）采用三維和一維相結(jié)合的方式，提取和分析了各系統(tǒng)散熱單元在不同工況下的進風(fēng)量，并搭建了熱管理仿真模型；

（2）結(jié)合風(fēng)扇性能和散熱單元布局優(yōu)化，使得高溫散熱單元和油冷器溫度的降幅分別為4 ℃和4.1 ℃。

通過上述仿真建模和優(yōu)化測試，有效降低各散熱單元的溫度，最終達成了開發(fā)目標(biāo)。

參考文獻

[1] 胡天妹,曹宇,黃祖朋,等.插電式混合動力汽車熱管理系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟和信息化,2020,10(10): 84-86.

[2] 周翔,劉洋.混合動力電動汽車整車熱管理控制器硬件需求研究[J].汽車博覽,2020(32):165.

[3] 盧山,盧桂萍,李馨.基于V模式開發(fā)插電式混合動力汽車整車熱管理控制策略研究[J].計算機測量與控制,2018,26(4):88-91.

[4] 易舒,劉慧軍,徐作文,等.某PHEV汽車電機冷卻系統(tǒng)熱管理策略優(yōu)化[J].車輛與動力技術(shù),2020(2):25-30, 35.

[5] 李壘,胡斌斌,田勝,等.某混合動力車型熱管理系統(tǒng)開發(fā)與研究[J].汽車實用技術(shù),2020,45(8):71-75.

[6] 董橋橋,黃瑞,陳芬放,等.基于AMEsim混合動力總成熱管理系統(tǒng)仿真研究[J].現(xiàn)代機械,2019(2):16-21.

[7] 董橋橋.混合動力總成熱管理系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[D].杭州:浙江大學(xué),2019.