基于PHEV汽车电机冷却系统热管理策略优化

针对某插电式混合动力汽车 ( PHEV) 设计了一套热管理系统，来保证其动力系统、电池系统、空调系 统在各工况下安全可靠地运行． 通过虚拟仿真分析技术，对动力系统中的电机冷却系统在典型工况进行仿真分析，评估了电机冷却系统设计的可行性． 另外，考虑到热管理系统的能耗，对电机冷却系统中电动水泵及其控制策略进行优化． 计算结果显示，优化后春秋季、夏季环境的城市循环工况，电动水泵能耗分别降低了 54% 和 85% ，能耗降低明显．

近年来，环境和能源问题在中国经济的快速发 展中的挑战越来越大，汽车产业作为拥有广泛上下 游供应链的产业，在国民经济中占有很大的比例． 在政 策 层 面，排放和燃油消耗法规也愈 加 严 格［1-2］，在这一背景下，开发节能环保的汽车是一 个趋势． 同时，中央政府及各地方政府颁布了一系 列政策法规来推动新能源汽车的开发和市场化 进程．

在众多新能源汽车中，插电式混合动力汽车由于其兼具节能和充电优势，在市场上颇受欢迎． 然而，由于插电式混合动力汽车存在两种以上的动力源和多种工作模式，且它们之间又存在复杂的耦合模式，其开发难度及成本也相对较大．

为了实现整车在不同动力模式及工况下的工作，需要对发动机、发电机动力系统及其附件进行 精确控制，这便是整车控制工作的目的所在［3］． 整车热管理控制是插电式混合动力汽车整车控制功 能中很重要的模块，使动力系统的零部件工作在合 理的温度范围，同时尽可能降低热管理系统的能 耗． 对整车热管理系统的设计、系统中零部件选 型，以及电子水泵、电子风扇、电动压缩机、膨胀 阀、电磁阀等的控制逻辑设定标定，是整车热管理的重要工作内容．

卢山、卢桂萍［4］等基于 V 字型开发模式，对 某插电式混合动力汽车整车热管理控制策略进行开 发研究，经过算法设计、模型开发、单元测试、功 能验证和实车验证整个开发过程，保证各零部件的 工作温度在合理范围内，符合其控制软件的功能需 求． 李峰［5］对某插电式混合动力汽车设计了一套 利用发动机热量给电池预热、电机热量给发动机预 热的方案，研究了基于发动机水温、电机水温、电 池 SOC 不同而采用不同预热模式的控制策略，从而提高了整车的能源利用效率．

然而，对于热管理系统内执行部件的能耗研究 较少． 电子水泵、电动压缩机、电子风扇等这些驱 动热管理系统工作的重要部件，本身需要消耗一定 的电池电量． 对这些部件，设计合理的控制逻辑， 在满足系统合理工作水温的前提下，降低其本身能 耗也甚为重要．

1 插电式混合动力汽车热管理系统设计

本文针对某插电式混合动力汽车设计了一套整 车电机冷却热管理系统，来保证动力系统、电池系 统、空调系统在各模式/工况下的安全可靠运行．

该款插电式混合动力汽车的整车热管理系统原 理如图 1 所示，该系统共有 4 个冷却回路． 分别是 发动机冷却及空调采暖系统回路; 动力电池升温/ 降温系统回路; 空调制冷系统回路; 电机冷却系统 回路．

发动机冷却及空调采暖系统回路与传统燃油车相比，在暖风支路增加了一个电子水泵和单向阀、 水加热PTC、以及一个三通阀，保证车辆在纯电动 模式下的乘员舱采暖需求． 同时，在暖风支路并联 了一个板式换热器，与动力电池升温/降温系统回 路进行耦合换热，从而保证动力电池的升温需求．

动力电池升温/降温系统回路，是一个包含了板式换热器、Chiller ( 动力电池冷却器) 、动力电池水冷板、电子水泵的回路系统． 通过板式换热器与发动机冷却及空调采暖系统回路耦合换热，保证动力电池的升温需求． 通过 Chiller 与空调制冷系 统回路耦合换热，保证动力电池的降温需求．

空调制冷系统回路是一个包含两个并联制冷支路的系统． 其中，一个支路为热力膨胀阀和蒸发器，提供乘员舱的降温需求; 另一个支路为电子膨胀阀和 Chiller 保证动力电池的降温需求． 由于要同时保证乘员舱与动力电池的降温需求，空调制冷回路的压缩机及冷凝器也提高了要求． 均通过电磁截止阀控制两个支路的联通和断开．

电机冷却系统回路是一个单独的冷却回路，包括了低温散热器、电子水泵、充电机、电机控制器、电机等． 电子水泵驱动回路冷却液流动，将各发热件的热量通过低温散热器与环境空气换热带走．

整个热管理系统的前端模块 ( 散热器、冷凝 器、中冷器、低温散热器、电子风扇) 通过分层布置在汽车前保险杆格栅之后． 通过正常行驶及风扇驱动环境空气强制对流换热，将热管理系统各回路的热量带走，使热管理系统内各部件在许用或需求温度范围内工作．

2 电机冷却系统匹配分析

电机冷却系统是一个单独的冷却回路，且低温散热器布置在前端模块的最前面． 在前端模块密封较好的前提下，低温散热器的进风温度与环境温度大致相当． 电机冷却系统的换热基本不受其他 3 个 换热系统的影响，所以，可以单独评估电机冷却系统的设计是否满足整车需求．

根据企业内部标准以及整车热平衡试验经验， 60 km /h 爬坡 ( 9% 坡度) 工况下，整车负荷较大， 对应的电机、电机控制器散热量也会比较大; 同时 这一工况下，车速不太高，低温散热器进风量不会 太大，对于电机冷却系统挑战较大． 另外，蠕行工 况 ( 设定蠕行车速 6 km /h) 下，虽然整车负荷不 大，但是低温散热器进风主要靠风扇驱动，进风来 自贴近地面空气或部分热回流空气，进风温度较 高; 同时，单靠风扇驱动进风，进风量相对较小， 电机冷却系统也可能存在风险． 综合以上，选定低 速蠕行工况和 60 km /h 爬坡 ( 9% 坡度) 工况，评 估电机冷却系统设计可行性．

本文采用三维 CFD 仿真分析与一维系统仿真 分析相结合的方法，计算电机冷却系统在纯电动模 式、典型工况下系统的温度和流量，评估系统设计 的可行性．

通过机舱三维 CFD 仿真分析，计算低速蠕行 工况和 60 km /h 爬坡 ( 9% 坡度) 工况下，低温散 热器的进风量和进风温度，作为电机冷却系统一维 仿真分析的边界输入． 机舱三维 CFD 仿真分析模型，如图 2 所示．

风洞入口边界定义为速度入口，入口风速等同 于车速; 前端模块换热器 ( 低温散热器、冷凝器、 中冷器、散热器) 定义为多孔介质; 风扇采用多 重坐标系法 ( multiple reference frame，MＲF) 来模 拟． 设定风扇转速为 2 200 r/min，换热器参数如 表 1 所示．

三维 CFD 仿真分析可直观得到低温换热器流 场信息． 由图 3 可知，低速蠕行工况下，低温散热 器进风面，除左上小部分区域外，大部分区域速度 分布均匀，有利于低温散热器换热． 温度分布也较 为均匀，说明前端模块密封较好，有效控制机舱热 气流回流到散热器进风面，有利于低温散热器 换热．

由图 4 可知: 60 km /h 爬坡工况 ( 9% 坡度) 下，低温散热器进风面速度分布、温度分布也较为 均匀，有利于低温散热器换热．

统计低温散热机舱三维 CFD 仿真分析计算结 果如表 2 所示，作为电机冷却系统一维仿真分析的 边界输入．

按照电动机、电机控制器效率 MAP 图，估算 低速蠕行工况和 60 km /h 爬坡 ( 9% 坡度) 工况下 各自的散热量，作为边界输入． 计算得到电机冷却 系统各部件进、出水温度如表 3 所示，进水水温满 足目标要求． 说明系统设计可行．

3 电子控制策略优化3. 1 电子水泵能耗分析

基于上述电机冷却系统一维仿真分析模型，计 算纯电动模式、城市循环工况下电机冷却系统的内 部水温分布． 其中，电子水泵的控制策略设定为充 电机、电机控制器、电动机任何一个进水水温大于 40 ℃时，电子水泵开启以定转速 ( 6 500 r/min) 工作． 城市循环 ( 30 次) 工况如图 5 所示，30 次 循环总时间 3 960 s，行驶里程 19. 83 km.

计算春秋季 ( 环境温度 20 ℃) 、夏季( 环境温 度 45 ℃) 两种不同环境下，电机冷却系统各部件的 进水温度以及电子水泵的总功耗，见图 6 和图 7.

由图 6 可知，春秋季环境下，城市循环工况电 机控制器进水水温在 17 ～19 ℃之间波动( 图 6( a) ) ， 电机进水水温在 40 ～ 45 ℃ 之间波动( 图 6( b) ) ，均 满足小于 65 ℃的水温目标． 夏季环境下，城市循环 工况电机控制器进水水温在 52. 5 ～ 55 ℃ 之间波动 ( 图 6( c) ) ，电机进水水温在 54 ～ 56. 5 ℃ 之间波动 ( 图 6( d) ) ，满足小于 65 ℃的水温目标．

由图 7 可知，春秋季环境下，城市循环工况， 电子水泵大部分时间不需要工作，其转速为零． 当 电机进水温度大于 40 ℃ 时，电子水泵工作，驱动 冷却液循环，通过低温散热器与环境空气换热，将 电机、电机控制器产生的热量带走，系统水温下 降，直至电机进水温度小于 40 ℃ 时，电子水泵又 停止工作 ( 转速为零) ( 图 7( a) ) ，电子水泵输出 功率较小( 图 7 ( b) ) ． 夏季环境下，城市循环工 况，电子水泵以定转速进行工作( 图 7( c) ) ，电子 水泵的输出功率基本恒定( 图 7( d) ) ．

春秋季、夏季两种季节环境下，整个城市循环 工况电子水泵总能 耗分别为: 12. 56 kJ 和 188. 84 kJ.

3. 2 电子水泵控制策略优化

将电子水泵控制逻辑改为占空比模式，充电 机、电机控制器、电动机进水温度在不同温度范围 内，对应电子水泵不同的占空比，即电子水泵不同 的转速． 参数如表 4 所示．

电子水泵控制策略优化后，城市循环工况下， 各部件进水温度见图 8( a) － ( d) ． 电子水泵的转 速和功率见图 9( a) － ( d) ．

由图 8 可知，春秋季环境下，城市循环工况电 机控制器进水水温在 18 ～ 18. 5 ℃ 之间波动( 图 8 ( a) ) ，电机进水水温稳定在 40 ℃ ( 图 8( b) ) ，均满足小于 65 ℃的水温目标． 夏季环境下，城市循环工 况电机控制器进水水温在 49 ～ 51 ℃ 之间波动( 图 8 ( c) ) ，电机进水水温在 54 ～ 56 ℃ 之间波动( 图 8 ( d) ) ，满足小于 65 ℃的水温目标．

由图 9( a) 、 ( b) 可知，春秋季环境，城市循 环工况下，电子水泵控制策略优化后，电子水泵转 速在 975 ～ 3 250 r/min 之间跳动． 相对于策略优化 前，电子水泵转速频繁启动、停止的情况，水泵运 行更为稳定，对水泵运行可靠性、噪音都能有所控 制． 同时、电子水泵输出功率较优化前有所减小， 整个城市循环工况电子水泵总能耗降低为 5. 78 kJ， 相较于策略优化前，降低了 54% ．

由图9( c) 、 ( d) 可知，夏季环境，城市循环工况 下，电子水泵控制策略优化后，电机冷却系统各部件初 始温度均为环境温度45 ℃，电子水泵以3 250 r/min 转 速工作，大约 200 s 后，电机进水温度稳定在 54 ～ 56 ℃之间波动，位于 40 ～ 60 ℃ 温度区间，电子水 泵持续以 3 250 r/min 转速工作，完成整个城市循环 工况． 相对于策略优化前 6 500 r/min 工作转速，电 子水泵工作转速大幅降低． 电子水泵的输出功率较 优化前也大幅减小． 相对应的整个城市循环工况， 电子水泵总能耗降低为 27. 58 kJ，相较于策略优化 前的 188. 84 kJ，降低了 85% ，能耗降低明显．

4 结 论

1) 针对某插电式混合动力汽车设计了一套整 车电机冷却热管理系统，来保证动力系统、电池系 统、空调系统等在各模式/工况下的安全可靠运行．

2) 基于三维 CFD 仿真分析与一维系统仿真分 析相结合的方法，计算了电机冷却系统在纯电动模 式，低速蠕行工况和 60 km /h 爬坡工况下系统的温 度和流量，评估系统设计可行．

3) 考虑到热管理系统的能耗，对电机冷却系 统中电子水泵及其控制策略进行优化． 计算了优化 前后，春秋季、夏季两种环境下，城市循环工况 ( 30 次) 电机冷却系统电子水泵总能耗． 计算结果 显示，优化后，春秋季、夏季环境，城市循环工况 下，电子水泵能耗分别降低 54% 和 85% ，能耗降低明显。