电动城市客车冷却系统计算与测试

2018-06-21梁会仁张兴军王恩前刘朝岩

客车技术与研究 2018年3期

梁会仁，张兴军，王恩前，刘朝岩

(山东沂星电动汽车有限公司，山东临沂 276000)

随着电动汽车产业的快速发展，电动汽车驱动电机的功率和扭矩也越来越大，常规的风冷已无法满足其散热需求，研发水冷电机和与之配套的强制水冷系统已成为必然趋势[1]。目前，电动客车电机的效率一般在60%～70%，即1/3左右的能量以热能形式损失。因此电机及控制器通过冷却系统带走的热量是很大的。由于电动客车的冷却系统主要针对电器件，其受温度影响更加敏感，所以对冷却系统也提出了很高的要求[2-3]。

1 冷却系统组成

根据电机系统工作要求，其控制器的高温阀值为75 ℃，电机本身的高温阀值为130 ℃，要求电机系统进、出冷却液温度≤60 ℃，散热器进、出冷却液温度≤55 ℃。

该冷却系统为封闭式强制水冷系统，如图1所示。主要由散热器总成1(包括散热风扇)、电动水泵2、膨胀水箱3、冷却水管4等组成。为了降低成本、方便安装，电动机及其控制器采用一体式串联冷却方式。高温冷却液经散热器冷却后经水泵加压，依次流经电机控制器和驱动电机，最后又流回散热器，形成封闭循环水路。同时在散热器出水口安装水温传感器，实时检测冷却液温度。

2 冷却系统参数计算与测试

2.1 冷却系统需带走的热量

计算时以冷却系统需带走的热量QW为原始输入。QW与电机系统的功率及行驶工况有关：爬坡工况，根据汽车热平衡能力道路试验方法[4]，选用3/4额定转速状态下能爬上7%坡度的最高挡位，此时车辆功率为额定功率Pr=120 kW，热损耗率为11.4%，热损耗功率为120 kW×11.4%=13.7 kW；高速工况下的热损耗具体如下：最高车速Vmax=100 km/h，此时对应的转速n=3 200 r/min，功率Pm=180 kW，功率热损耗率13.3%，功率热损耗Pd=180×13.3%=24 kW>13.7 kW。再结合经验，所以本文以高速工况下的热损耗作为设计输入。另外，冷却系统需要带走的热量QW还受其他很多因素的影响。

电机系统热损耗的80%左右由冷却系统带走，且散热器使用一段时间后，会因为水垢或其他原因引起水管堵塞，使冷却能力下降10%左右；由于冷却液泄露及气阻等影响，也会使系统散热能力下降10%左右。所以，综合考虑高速工况下冷却系统需带走的热量QW：

QW=Pd×80%×(1+10%+10%)=24×80%×1.2=23.04 kW=19 814 kcal/h

2.2 冷却系统水循环流量

冷却水循环流量qW根据冷却系统应带走的热量QW确定，由热平衡方程[5]得：

式中：ρW为冷却水密度，取1 000 kg/m3；cp为冷却水定压比热容，取1 kcal/(kg·℃)；△tW为冷却水温差，在热平衡温度下，冷却水流经水箱的温差应等于冷却水流经电机系统的温升，为确保电机系统温度分布均匀性，该值一般为6～12 ℃，此次计算取10 ℃。

2.3 水泵流量

水泵的泵水量qp根据前述冷却水循环流量qW来确定：

式中：ηv为水泵的容积效率，取85%。

参考市场上成熟产品及该水泵的通用性和经济性，选择水泵的流量为40 L/min。

2.4 散热器正面面积

根据《汽车设计手册》，散热器正面面积[6]Ff0=(0.002 7～0.003 4)Pm，由于Pm=180 kW，系数取0.003 4，得到散热器理论正面面积Ff0=0.003 4×180=0.612 m2。

根据总布置设计的要求，散热器芯子宽W=820 mm，芯子高H=750 mm，散热器实际正面面积Ff=W×H=820×750=615 000 mm2=0.615 m2>0.612 m2，满足设计要求。

2.5 冷却空气体积流量

冷却空气的体积流量即散热风扇的供风量qa的计算与冷却系统水循环流量的计算相同。

式中：ρa为空气密度，一般取1.05～1.2 kg/m3；ca为空气定压比热容，取0.239 3 kcal/(kg·℃)；△ta为冷却空气进出散热器温升，一般取30～50 ℃。

选取风扇的实际风量qr=2 000 m3/h，即qr>qa，满足设计要求。

2.6 膨胀水箱容积

另外，散热器水容量V2=8 L，电机内水容量V3=4 L，控制器内水容量V4=3 L，则冷却水总容量V=V1+V2+V3+V4=7.4+8+4+3=22.4 L。

根据目前行业用膨胀水箱型式，其容积Vp主要有3种表征[7]：MIN线以下的最小容积Vmin，确定Vmin时，考虑到车辆运行过程中水箱晃动、液面波动等，工程上通常把液面倾斜30°作为极限情况，设计时采用三维数模模拟方法确定，将膨胀水箱倾斜30°，计算膨胀水箱出水口刚好有冷却液覆盖时冷却液的容积Vmin=1.3 L；MAX线与MIN线之间的容积Vm为车辆运行一定里程的损耗量，为保证客户无需经常添加冷却液，对于Pr=120 kW、Pm=180 kW的电机系统，根据我司经验取Vm=2 L；MAX线以上的容积计为Vmax，即膨胀容积，是冷却液随着温度的升高而膨胀变大的容积，该MAX线是正常运行时所加冷却液的最大位置，超出可能会使冷却液因膨胀而溢出，根据开式膨胀水箱容积计算方法：

Vmax=αΔtV=0.000 6×15×22.4=0.2 L

式中：α为水体积膨胀系数，一般取0.000 6 (1/℃)，△t为系统内最大水温变化值，取15 ℃。

同时，Vmax/V=0.2/22.4=0.9%，此膨胀容积值也满足《空调设计手册》中关于膨胀量按系统总水容积的0.5%～1.0%的估算规律。所以，膨胀水箱总容积Vp=Vmin+Vm+Vmax=1.3+2+0.2=3.5 L,根据行业及市场通用水箱大小，选取4 L的膨胀水箱。

2.7 冷却系统测试

基于以上计算，根据参考文献 [8-9]进行高速工况试验，要求如下：试验车速81±2 km/h，环境温度30 ℃，电池初始SOC为100%，试验结束时电池SOC为10%。试验过程中[10]，记录冷却系统水循环流量，通过仪表记录电机及控制器本体的温度，通过多点测温仪检测各测点的水温：散热水箱进出水温度，控制器进出口温度，电机进出口温度，水泵进出口温度。3次试验平均值的热平衡曲线如图2所示。

由测试数据得知，在试验30 min后水箱出水口温度、电机控制器(MCU)温度、电机(MOT)温度处于平衡，各测点温度无明显升降，MCU温度在54 ℃左右，MOT温度在100 ℃左右，满足其工作温度要求。由于散热器水阻及各原件水阻，系统稳定流量在33 L/min左右，与设计值基本一致，说明该冷却系统的设计满足整车需要。