串联式冷却系统在纯电动汽车的设计
2019-07-09李龙强李龙飞
李龙强 李龙飞
摘 要：一个良好的冷却系统系统，需要考虑其空间布置、需冷却电器的冷却顺序、冷却系统各部件的散热能力及功耗等多种因素。通過对冷却系统布置，可以减小了冷却系统对散热器散热能力的要求，而理论计算分析能够对系统各部件做性能校核比较直观，二者结合能够较好的反映冷却系统性能情况。
关键词：串联式冷却系统；冷却系统布置；冷却系统散热能力理论数据计算校核方法
1 引言
纯电动汽车以电机作为直接动力源，在行驶过程中，纯电动汽车的驱动电机、控制器、 电压变换模块（即CDU模块）等都会产生大量的热量，串联式冷却系统是纯电动汽车中一种常见的布置方法。本文以纯电动汽车为例，详细讲述了串联式冷却系统在纯电动汽车中布置方式及其优缺点，以及对串联式冷却系统散热能力理论数据计算校核方法也进行了简单地阐述。
2 纯电动汽车串联式冷却系统的概述
冷却系统由散热器、电子风扇、膨胀水箱、水温传感器、水泵、需要冷却的电器件（电机水套、电机控制器水套等）、各个管路和冷却液等组成。其功能是对动力系统进行强制冷却，保证各部件能始终处于最适宜的温度状态下工作，以获得较高的动力性、经济性及可靠性。根据统计，电动机冷却系统一般要带走的热量，约占动力系统工作所能产生热量的95%。因此，要保证动力系统能正常工作，必须使它的受热零部件得到合适冷却。一般动力总成的电器件最佳工作环境温度在（35±5）℃之间。纯电动汽车中的冷却系统一般为串联式或并联式，冷却介质为防冻液。
如图1所述，冷却液由水泵从水箱抽出，经过电机（散热壳体一）、电机控制器（散热壳体二）、充电机（散热壳体三）等的壳体，最后再回到水箱，整个冷却系统最终靠风扇吹水箱外表面来降温。因纯电动汽车的驱动电机、控制器、充电机等都会产生大量的热量，而散热器散热能力有限，所以冷却系统个部件的布置及选型极为重要。
3 纯电动汽车需要冷却的电器件的特点
纯电动汽车需要冷却的电器件一般允许冷却液的最高温度为（60～80）℃；
纯电动汽车需要冷却的电器件的发热量一般各不相同；
纯电动汽车需要冷却的电器件的对冷却液的环境温度要求一般各不相同。
4 串联式冷却系统在纯电动汽车中的布置
串联式冷却系统在纯电动汽车中，冷却液在需要冷却的电器件中循环，温度呈阶梯性升温。如冷却液在需要的冷却的电器件中流向顺序布置不当，则很容易因冷却液升温过高，而导致需要冷却的电器件对冷却液的环境温度要求相对较低的无法冷却（见图2）。故冷却液流向按照需要冷却的电器件对冷却液的环境温度要求，按由低到高顺序排布（见图3）。这样布置的优点在于冷却液的温度可以略微大于个别需要冷却的电器件对冷却液的环境温度要求，从而减小了冷却系统对散热器散热能力的要求。
由于一般动力总成的电器件最佳工作环境温度在（35±5）℃之间，而冷却系统受空间环境限制，很难使动力总成保持在最佳工作环境温度，故在优先考虑需要冷却的电器件的对冷却液的环境温度要求条件后，如需要冷却的电器件的对冷却液的环境温度要求相同，则冷却液流向按需要冷却的电器件的发热量，按由低到高顺序排布。这样布置，可使尽可能多的需要冷却的电器件在接近最适宜的温度状态下工作（见图4）。反之则会使更多需要冷却的电器件处于较差的温度状态下工作（见图5）。
5 串联式冷却系统在纯电动汽车中的理论计算校核
4.1 冷却系统散热能力校核
冷却系统散热能力校核包括散热器能力校核、风扇参数计算校核、水泵流量的校核等，以下仅对散热器能力校核、风扇参数计算校核、水泵流量的校核这三点校核做理论计算介绍。
4.2 散热器散热能力校核
（1）散热器散热能力校核点应在最大发热功率工况，冷却系中所有发热件的最大发热功率之和为P水。
（2）散热器需要最大散热功率为Pmax，参考汽车工程手册，Pmax应比P水大10%～25%，即：
Pmax=（1.1～1.25）P水
式中，轻型车和轿车取下限，中型以上的车辆和工程车取上限。
（3）散热器散热系数为k；
式中：
P测—实验测试中散热器的散热功率，kJ/h；
△t测—实验测试中液气平均温差，℃；
S—散热器的散热面积，m2；
根据散热器试验参数计算散热系数k，kJ/（m2h℃）。
（4）散热器需要的散热面积为S0；
式中：
Δt—整车正常工作环境下的液气平均温差，℃；
Δt = twcp-tacp
式中：
twcp—冷却液极限温度（这里指冷却系统涉及的部件正常工作时，所允许的冷却液的最高温度），℃；
tacp—热平衡时空气温度，通过公式计算；
tacp = ta1+Δta
式中：
ta1—极限风温，汽车极限风温一般为40℃，ta1=40℃；
Δta—散热器进出空气温差，按公式计算；
Δ
式中：
Cpa—空气定压比热，Cpa=1.0048kJ/kg℃；
Ff—散热器芯子正面面积Ff；
γaVa—质量风速，kg/m2s；
其中空气密度为γa=1.29kg/m3，Va为风扇与散热器装配时所能达到的风速。
（5）综合上述，由散热器的散热面积S与散热器需要的散热面积S0做对比，判断散热器性能是否满足整车动力系统散热需求。
4.3 风扇性能参数计算校核
（1）风扇外径的校核
依据《汽车设计手册》，风扇扫过的环形面积占散热器芯子正面面积的百分比应大于45%。
（2）风扇风量的校核
冷凝器需要的最大散热功率为P冷，散热器需要的最大散热功率为Pmax；
散热器与冷凝器同时工作最大散热功率为P总，即P总=P冷+Pmax；
按下式来校核风扇所需的风量V0；
式中：
γa—空气密度，kg/m3，γa=1.29kg/m3；
Cpa—空气定压比热，Cpa=1.0048kJ/kg℃；
Δt—整车正常工作环境下的液气平均温差，℃；
根据公式计算出不同工况下，风扇所需的风量V0与此时能达到实际风量做对比，判断风扇性能是否满足整车动力系统散热需求。
4.4 水泵流量的校核
为保证冷却水在整个冷却系统循环流动，将热量源源不断带出并散发掉，合适的水泵选择是必要的。
水泵的选择主要包括水泵的流量和扬程，冷却液在动力总成的进出水口的温差为Δt1；
Pmax=CwρQΔt1
式中：
Pmax—散热器需要最大散热功率，kJ/h；
ρ—水的密度；ρ =1.0×103kg/m3；
Cw—水的定压比热；Cw=1.2W·h/kg·℃；
Q—水泵流量；
Δt1—冷却液在动力总成的进出水口的温差；
经计算得出动力系统最大散热需求时，水泵所需流量V与实际水泵流量对比，判断水泵性能是否满足整车动力系统散热需求。
注：冷却系统散热能力理论数据计算校核方法（参考），因存在试验得出的系数较多，理论数据与实际数据仍存在差异，还需通过整车热平衡试验来进一步验证当前冷却系统是否满足整车的要求。
6 结语
在纯电动汽车冷却系统设计过程中，一个良好的冷却系统系统，需要考虑其空间布置、需冷却电器的冷却顺序、冷却系统各部件的散热能力及功耗等多种因素。通过对冷却系统布置，可以减小了冷却系统对散热器散热能力的要求，而理论计算分析能够对系统各部件做性能校核比较直观，二者结合能够较好的反映冷却系统性能情况。
在实际纯电动汽车冷却系统设计过程中，散热器的选取一般是保证满足动力系统工作的散热需求后，选取体积较小的，这样才能有利于空间布置；水泵和电子风扇的选取一般是保证滿足动力系统工作的散热需求后，选取功率较小的，这样才能有利于降低功耗；最终降低成本，增加电动汽车的使用性能。
参考文献：
[1]汽车工程手册编辑委员会编.汽车工程手册.设计篇.第一版.北京：人民交通出版社，2001.6.
[2]长春汽车研究所编.汽车设计手册.发动机.附件卷.1998.5.
