某深度混合动力汽车冷却系统的设计开发

2012-09-18张博榕余才光贺文江

汽车科技 2012年4期

张博榕，余才光，贺文江

（吉利汽车研究院有限公司，杭州 311228）

近年来，节油、低排放等成为汽车消费的重要指标，混合动力汽车适应这种节能与环保的要求，正日益成为汽车发展的前沿方向。

不同于传统汽车对发动机或者自动变速器进行冷却，混合动力汽车还需要对电机控制器、动力电池等新增零部件进行冷却。由于同时装有发动机和电动机两种动力装置，在不同的运行工况下，两种动力装置运行的状态不同，对冷却的需求也不同。各个关键零部件对工作温度的要求不同，表1列出了各热源的目标工作温度。

按照表1所示，各大热源的目标控制温度相差较大，不能共用冷却系统，相比传统车而言，需要增加三套冷却系统，此外由于动力电池的冷却采用风冷，具有不同冷却原理。本文中将对发动机、电机控制器、动力合成箱等冷却进行较为详细讨论，动力电池的冷却只做部分介绍。

1 深度混合动力汽车系统分析

1.1 车辆运行工况以及相应的冷却系统分析

混合动力汽车采用发动机和电动机双动力源的结构方案［1］，典型工况包括正向行驶时，纯电动、发动机驱动、混合驱动、制动等动力模式；逆向行驶除电量不足时采用混合动力，一般为电动模式；滑行时，动能回收，具有为电池充电的动力模式；冷却系统工况分析如下。

（1）纯电动模式。在冷启动、怠速以及小负荷工况下，混合动力汽车以纯电动动力运行，发动机不参与驱动，不需要冷却；电机运行输出动能，控制器运行，需要进行冷却；动力合成箱传动输出能量，需要冷却。

（2）混合动力模式。中等负荷时，开始转变为混合动力驱动，发动机启动，耗散热能开始产生，冷却系统需要开始参与运行；电机持续运行输出能量，控制器部分需要冷却；动力合成箱传动输出能量，需要冷却。大负荷以及加速运行时，发动机与电机都有动力输出，动力合成箱传动输出能量，各部分都需要冷却。电量不足时，发动机输出动力，需要冷却；电机开始充电，电机控制器运行，需要冷却；动力合成箱传动输出能量，需要冷却。

（3）制动、滑行模式。制动、滑行时回收能量，发动机不输出动力，并将动能尽快转化为电能，不需要冷却；但是如果发动机不断油，则需要冷却。此时电机变为发电机，能量回收至电池，电机控制器需要冷却；动力合成箱传动输出能量，需要冷却。

实际车辆运行时，路况具有复杂性，热量的传导存在时间累积，运行模式会频繁转化，如果采用热量来进行计算将会很不方便，按照需要散热的功率来计算分析，问题将会得到简化。

1.2 系统特点

通过分析整车运行工况可以得出冷却系统具有下面几个特点。

（1）混合动力汽车冷却系统应该具有分别满足发动机、电机控制器、动力合成箱等的冷却要求的冷却系统，这三个冷却系统具有独立的动力源（泵）和循环流。

（2）发动机、电机控制器、动力合成箱各一套独立的冷却系统，各系统按需调节冷却流量，相对共用冷却系统更节能。

（3）多套系统控制难度增加。同时因发动机、电机控制器、动力合成箱布置在整车机舱中，散热器集中在机舱前端布置，对机舱布置要求较高。

（4）电池系统因工作温度接近乘员舱温度，采用乘员舱抽风冷却，布置便利。

1.3 系统原理与组成

基于上述特点，可设计如图1所示的整车冷却系统原理图，将发动机、电机控制器、动力合成箱的散热器通过可靠的连接组合成一个部件，布置在传统车辆散热器的位置。

图1所示发动机部分由发动机、散热器、水泵、水壶、压力阀、进出水管等构成一个独立的循环流，介质是按照体积比50：50配成的水和乙二醇的溶液。

电机控制器部分由电机控制器、散热器、电子水泵、膨胀水壶、进出水管等构成一个独立的循环流，介质是按照体积比50∶50配成的水和乙二醇的溶液。

动力合成箱部分由动力合成箱、散热器、油泵、进出油管等构成一个独立的循环流，介质是ATF（DX-Ⅵ）冷却油。

动力电池的冷却采用鼓风机风冷的方式，布置在后行李舱中。

2 设计计算

2.1 发动机部分的计算

混合动力汽车动力模式的结构方案表明，它的发动机的运行只是在某些时候才需要散热，相比于传统车散热需求量应该是较小的，例如，对于某款1.8 L汽油发动机，当其使用在传统车上时散热需求是70 kW，而当其作为混合动力使用时，它的散热功率需求大约是51 kW。

2.1.1 冷却液总量的计算

发动机应用于混合动力时，散热器水室及管带中冷却液的体积应该能够完全满足极端工况下的热量交换需求以及水泵的最小循环水量，经过计算其体积大于3 L时能够满足要求，实际样件的水室容积在4 L，水壶的最小容积应达到900 ml。

2.1.2 水泵的设计计算

水泵是以发动机为动力源，运行情况取决于发动机的传动比，因此功耗是发动机的部分效能，此处计算的水泵的功耗大约是2 kW，流量范围可以调整，计算时取60 kW，其最低扬程应能够满足驱动最低要求，计算时取0.15 bar。

2.1.3 散热器的设计计算

管带式散热器管带结构如图2所示，散热的机理是当冷却液在循环的闭式管路中流动时，在外界的空气以及风扇的作用下，吹向散热器管片的冷却空气与需要冷却系统损耗的热量发生热交换［4］，这个过程主要是在管带壁和散热片上进行。

散热器的散热能力［2］通过散热系数来评价，受散热器管片结构、水管中水流速度、通过散热器的空气流速、管片的材质及制造质量的影响，其值可以通过试验获得，实际散热器样件的管带宽度为18 mm，管带间距15 mm。

迎风面积是散热器全部处于风扇的热交换区域的面积，试验获得的散热系数包含了散热表面积转化为迎风面积的比例因子，因此通过下式计算获得的值将是散热器实际散热迎风面积［2］:

式中：KR为散热系数，一般取 0.069～0.117 kJ/m2·s·℃；Δt为散热器中冷却液和冷却空气的平均温差。

式中：tw为冷却液的平均温度为冷却空气的平均温度为散热器的进水温度，取标定工况发动机的出水温度时82～95℃；ta1为散热器冷却空气的进口温度，取40℃；Δtw为散热器的进出口温差，也即冷却液在发动机中的允许温升，取6～12℃；Δta为散热器冷却空气的进出口温差，取10～30 ℃。

经过计算可知散热器极端工况下的迎风散热面积是0.003 2 m2。相比发动机应用于传统车时的散热面积缩小了0.001 2 m2，实际制作散热器时的几何面积则不应小于此面积值。

2.2 动力合成箱部分的计算

与传统发动机变速箱不同，混合动力汽车动力合成箱集成了电动机及变速传动机构。发动机模式动力输出时，动力经由发动机飞轮输入，在齿轮间变速传动，最后经由输出轴输出，传动的损失能量与输入能量按照传动级数降低，转化为热能，需要进行冷却。电动模式的动力输出时，电机电能转化为机械能经输出轴输出，同时释放部分热能，需要进行冷却；制动或者滑行时，机械能回收转变为电能存入动力电池，这个过程也存在热能损耗；需要进行冷却。

2.2.1 动力合成箱热量计算

对于动力合成箱需要散热的热量来源分析结果表明，直接计算需要冷却的热量，难度很大，但是另一方面所有的热量全部等效的传递给冷却油液，假设单位时间内冷却系统散热量Qh使得油液温度上升Δt。因此：

式中：qf为流量，试验中测得流量为即0.6 m2/h；Cf为油比热容，计算时取 2.1 kJ/（kg·K）；ρf为油密度，计算时取 0.865×108kg/m2；Δt为进出油口温差，试验中控制Δt为10℃。

这样得到的动力合成箱中需要散热的热量是需要满足流量和温差要求的，具有一定的局限性，计算得到是单位时间内需要散热的热量，即散热功率是3.028 kW。

2.2.2 油泵

油泵是动力合成箱部分冷却系统的动力源，电源是动力电池，其电压300 V，流量0.6 m3/h。

系统介质ATF（DX-Ⅵ）同时是润滑油，冷却时温差10℃以上可满足散热要求，入口压力0.15 MPa，扬程 0.5 MPa。

油泵功耗可以按照公式Ph=U·I计算，按照流量为0.6 m3/h时的电流计算，功耗是0.3 kW。

2.2.3 散热器的设计计算

动力合成箱冷却系统的散热器是以铜管作为介质进行热传导的，热导动力是散热器内的油与外部冷却液的温差，热传导进行时热量先传到散热器管筒，再传到外部的冷却液。这种散热方式要求其散热器具有较大的热传导系数、表面积以及较小的厚度，对于实际零件厚度不变，在能够取得最佳的水浸冷却效果的情况下，其外径还必须小于电机控制器散热器水室截面。

关系式V=q·t表明液体的体积可以通过流量和时间获得，假定一定时间内流动液体的热量全部传导到管筒上，即 C1V1ρ1=C2V2ρ2，那么：

式中：C1为铜的比热容，0.39 kJ/kg℃；ρ1为铜的密度，8.96×102kg/m2；C2为油的比热容，2.1 kJ/（kg·K）；ρ2为油的密度，0.865×103kg/m2；q2为油的流量，计算时取10 L/min。

式（4）表明，以某一典型流量值在单位时间（取1分钟）内通过的体积值与铜管散热器的体积成一定的比例关系，计算得到铜管体积是0.005 2 m3，如果外径取φ16 mm，壁厚1 mm，铜管长度达到51 mm时，它的内径表面积达到0.002 2 m2，外径表面积达到0.002 6 m2。

事实上，铜的导热系数是401 w/m℃，在1分钟的时间内传导过1 mm的铜管时，如果长度超过51 mm，它即具有充分的散热能力。

2.3 电机控制器部分的计算

混合动力汽车增加的电机控制器是控制电动机的电机模式或者发电机的发电模式转换，即电能的输出与存储之间转换，存在瞬时极大电流，伴随产生热量，这一部分的热量对于电机控制器具有不良的影响，需要进行冷却。

2.3.1电机控制器的热量计算

混合动力汽车运行时动力模式的切换取决于路况。按照电学能量守恒原理，电能转化为机械能输出时产生较大的热量损耗Q，是输入电能的部分转化效能，相对于输入电能存在损耗因子φ，大约是0.15～0.25；当机械能转化为电能存入电池时也存在热量损耗，它是机械能的部分转化效能，相对于机械能存在损耗因子τ，大约是0.15～0.25；能量的转化都与路况表现出函数关系，冷却系统需要进行冷却的热量即：

散热器恶劣工况需要它具备能量储备，取储备系数ω为1.15～1.25，则此即为需要散热量：

按照上述关系式，以及车辆运行工况的功率要求，需要散热器的散热功率大于4.06 kW。

2.3.2 水壶储水量

这里可以通过热量平衡关系估算总的冷却液的体积［6］是：

式中：Δte为冷却液在发动机中循环时的允许温升，一般取6～12℃；γw为冷却液的密度，取近似值1 000 kg/m2；Cw为冷却液的比热容，可取 4.2 kJ/（kg·℃）。

计算得到该系统的热平衡循环水流量是160 ml，系统最小储水量由此可以确定。

2.3.3 电子水泵

电子水泵的电压采用12 V电压（电压范围8～12 V），流量21 L/min。水泵扬程应该达到0.6 bar。冷却剂是体积比50%水+50%乙二醇溶液，温度-40～128℃，功耗应该按照水泵功率来计算，大约是0.3 kW。

2.3.4 散热器面积

这部分的散热器的特点是其水室中夹带了动力合成箱的散热器，因此按照公式计算时，Qmax的值应该是电机控制器散热器需要耗散热量的功率和动力合成箱需要耗散热量的功率的总和。

计算所的散热器的面积大约是0.112 m2。