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(jìn)風(fēng)量；然后對該方案下的熱管理性能進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(dá)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(jī)、發(fā)電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)、動力電池、電機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)行分析和優(yōu)化，確定各動力部件所需最佳溫度范圍。

為進(jìn)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(jìn)氣流量模擬，提取得到了關(guān)鍵工況下各散熱單元的進(jìn)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(dá)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(jī)、發(fā)動機(jī)電控單元（Engine Control Unit, ECU）、發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)控制器（Generator Control Unit, GCU）、驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動電機(jī)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(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)性能及基本參數(shù)如表1所示。發(fā)動機(jī)的本體水溫目標(biāo)為115 ℃，發(fā)動機(jī)增壓器及進(jìn)氣中冷水溫目標(biāo)為70 ℃，電機(jī)控制器及直流電源轉(zhuǎn)換器DCDC水溫目標(biāo)為70 ℃，發(fā)電機(jī)和驅(qū)動電機(jī)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(jī)和驅(qū)動電機(jī)本體進(jìn)行冷卻；中冷換熱器為發(fā)動機(jī)增壓器及進(jìn)氣進(jìn)行冷卻；低溫散熱單元為電機(jī)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(jī)本體進(jìn)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(jìn)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(jìn)風(fēng)量最??；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(yùn)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(jī)艙前端進(jìn)風(fēng)流場圖；并提取得到各散熱單元進(jìn)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(jìn)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(yùn)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(jī)系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、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(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(jìn)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(dá)成了開發(fā)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[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(jì)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(jī)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(jī)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(jī)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.