某电动车暖风系统冷却液回路除气性能研究

2021-03-05鲍建名陈鹏程段胜利

汽车电器 2021年2期

陈俊，鲍建名，陈鹏程，段胜利

（潍柴动力股份有限公司，上海 201100）

1 研究背景

2019年初W集团试制了一台纯电动轻卡样车，其乘员舱的空调暖风系统采用了主流的高电压水暖加热器（WPTC）的技术路线，即增加高电压水暖加热器、膨胀水箱、水泵、暖水管路与原车暖风芯体形成封闭水循环系统［1］，通过WPTC加热冷却液，冷却液流经暖风芯体与乘员舱进行换热来保证整车的采暖、除霜性能。

但在对车辆进行调试时，发现WPTC工作一段时间会自行停机，同时，每当暖风系统运行时膨胀水箱的冷却液即呈现白色“泡沫”状。对故障车辆进行排查，发现封闭的冷却回路中无污染，水泵工作状态正常，管路接头处密封正常、无泄漏现象，重负荷冷却液HEC-Ⅱ-25℃正常（绿色），WPTC在装车前台架测试的性能也正常。根据文献［2］对冷却循环系统在使用中不可避免地会存在一定量的气体，进而导致传热和内部流动问题，需要尽量减少初次加注后冷却系统内的残余空气量，加快冷却系统内的除气速率的研究；文献［3］关于冷却系统管路内容易出现气体与冷却水之间相互阻塞，导致管路内压力增大，造成系统水温上升过快或过高的分析结论。本文根据故障现象，从冷却液内流道参数、膨胀水箱的布置、除气管路、冷却液加注过程、控制逻辑等方面对问题进行分析，并通过增加水阀、优化冷却液回路除气性能的方案解决了故障，最终在台架试验、整车采暖试验中证明了方案的有效性。

2 问题介绍

在故障车辆的暖风芯体进、出水管管壁布置了温度传感器，接着在外环境温度为0℃时，将暖风系统调整至外循环、最大功率采暖、吹脚、最大风量模式，采集暖风芯体的进、出水温度，最后将数据绘制成如图1所示的散点图。

图1 故障车暖风进、出水温度

数据表明，400s前暖风芯体的进、出水温度差在15℃左右，可说明采暖系统工作较正常，且乘员舱内鼓风机、芯体的性能没有问题。但在1100s时，暖风芯体的进水温度达到了101℃，在1300s后WPTC停止加热工作；并且前600s内暖风进、出水温度波动不大，但600 ～1200s 之间进、出水温度呈现剧烈的上下波动。同时，试验过程中观察到膨胀水箱中液面上层出现白色“泡沫”状物质，将除气管更换为透明胶管后，发现如图2所示的“泡沫”状混合物。

图2 除气管中 “泡沫” 混合物

3 暖风系统简介及原因分析

3.1 暖风系统简介

图3为此电动车暖风系统冷却液侧框图，其工作原理为WPTC加热水泵输送来冷却液，冷却液被WPTC的发热体加热后在水泵的作用下进入暖风芯体，暖风芯体与乘员舱内冷空气进行热交换进而提升乘员舱内的温度。

图4为此电动车暖风系统在整车中的总布置示意图，可以看出此车型乘员舱较高，发动机舱位于乘员舱下方等特点。由于车型结构的原因，暖风芯体布置在乘员舱的前方，WPTC、水泵、暖风管路等零部件布置在乘员舱下方，膨胀水箱布置在乘员舱的后端。

以膨胀水箱为起点，沿顺时针方向各零部件至后一零部件间管路长度、内径详见表1。

冷却液回路中主要零部件性能参数见表2。

图3 暖风系统冷却液侧框图

图4 暖风系统总布置示意图

表1 各零件间管路长度及内径

表2 主要部件性能参数

3.2 原因分析

1）冷却液内流道分析

根据流体力学原理，流动路径上管径的突变、凸起的遮挡结构都会改变流体在流道中的压力，剧烈的结构突变更会产生涡流，如果冷却液流道中大量存在这种不合理的设计，就使得冷却液在运行时无法填充这些区域，并产生使得流动的冷却液变成“泡沫”状的风险。

查表1得知冷却液内流道中暖风硬管内径为φ14，与硬管相连的暖风胶管内径为φ15，暖风胶管通过扩口与φ17的水泵、WPTC连接；暖风芯体为下进上出的微通道平行流式结构，WPTC为7条并行水道的结构；三通管路的旁边支管通过“骑马焊”焊接在主管路上；水泵为电动车用的离心式泵。因此，冷却液内流道无异常。

2）膨胀水箱分析

根据传统车型的布置经验，膨胀水箱需要安装在冷却系统最高处且其下端至少高于散热器上水室［4］，同时需要校核膨胀水箱的膨胀容积、储备容积、必留容积［5］。此台纯电动车的膨胀水箱内腔体为变截面结构，MAX线以上高度69mm、容积为1811mL，MAX线距离MIN线73mm、容积为1500mL，MIN线距离壶底93mm、容积为2030mL。通过图5的侧视图发现膨胀水箱没有布置于暖风芯体的最高点之上，且MAX线仅高于暖风芯体最高点30mm，因此从理论上说其布置位置是需要优化的。

图5 采暖系统侧视图

但由于实车中膨胀水箱的布置位置无法再上移，因此需要对膨胀水箱冷却液的储备容积进行校核。根据表1得知所有管路内容积约为1150mL，根据表2得知暖风芯体、WPTC、水泵的内容积约为650mL，因此暖风系统的内容积约为1800mL。膨胀水箱在MAX与MIN间的截面积A约为205cm2，推出冷却液的储备容积为Vb=615mL，储备容积占总容积的34.2%，满足冷却系统总容积的11%～15%要求［5］。同时，膨胀水箱补水口距离水泵入口450mm，Max线到水泵入水口高度为616mm，不会因为冷却液的晃动导致空气进入系统。

3）除气管路分析

冷却系统中的除气管路需要布置在散热器上尽可能高的位置，并与副水箱形成连续上升的通路［3］。但由于车型结构限制，实车中除气管路只能先向下弯曲再连接至膨胀水箱，故系统最高点至除气三通处易积存空气。根据经验，对于将除气管路连接在主循环回路上的结构设计，需要将对应主循环管路沿水流方向进行上翘设计，并且在除气三通处留有专门的“除气室”进行气、液分离。但样车的除气三通直接焊接在主循环回路的直管段，这种结构会导致水平管段及系统下部的气泡无法顺畅地汇聚至除气三通处，并通过除气管排出。

4）冷却液加注分析

根据整车设计任务，暖风系统在设计时可满足手工加注，因此本文通过手工加注的方式对加注过程进行分析。在实际加注时，冷却液的流向如图6所示，当冷却液从膨胀水箱向下流淌时，至补水三通处会同时向两侧流动，至除气三通时，由于暖风芯体附近的空气与液体无法被替换出来只能被封堵在系统中，后续再加注的防冻液只能补充“膨胀水箱—三通（补水） —除气三通—膨胀水箱”之间的空余空间，当除气管路的液面与膨胀水箱MAX线平齐时便无法再往系统中加注冷却液。

图6 加注过程中实际的冷却液流向

水泵运行后，回路中的液体会和回路中残存的空气一起混合流动，虽然系统在运行时会通过除气管对残存的空气进行排除，但当系统中大量存在空气时，这些“泡沫”混合物中的气泡会不断地破灭、重组成大小不一的混合物，这些因素使得系统中冷却液的实际流量、通过除气管除气的效果都大打折扣，进而带来白色“泡沫”状物质始终存在的问题。

根据表1的参数，假设冷却液通过补水三通后往两侧的流速相同，那么WPTC至暖风芯体之间的管路、暖风芯体、暖风芯体至除气三通处可能都为空气，这部分空气对冷却液的继续加注产生阻力，导致系统加注不足。在此前提下，系统中残留的空气体积Vair约为1180mL，Vair大于膨胀水箱的储备容积Vb，可以发现膨胀水箱中储备容积无法满足此种加注方式。因此，本车型直接用手工加注会导致残存在暖风芯体、部分管路中的空气无法排出。

5）控制逻辑分析

暖风系统的控制逻辑为：在乘员舱鼓风机开启的前提下，用户按下空调控制面板上的PTC按键后水泵立即工作，同时水泵发出高电平信号至WPTC，WPTC在接收到水泵的高电平信号后根据冷暖风门旋钮发出的加热功率（CAN指令）延迟8s进行加热工作；当用户再次按下PTC按键后，WPTC立即停止加热工作，水泵延迟8s后停止工作。根据传统车在寒区试验积累的冷却液温升数据，设定WPTC在加热过程中出水控温上限为70℃，当水温到达65℃时降功率运行，当水温到达70℃时立即停止工作，当检测到WPTC出水水温恢复至55℃时继续进行加热工作。

此台电动车选用的WPTC内部有7条平行的直通式扁管，在扁管之间布置有6组用于加热的发热片，当冷却液从扁管内流过时，发热片会将自身的温度通过扁管传递给冷却液，进而使得冷却液的温度增加，在加热的过程中发热片自身的温度可达到140℃。通过上文可知WPTC的控温上限为70℃，但在图1中进水温度已经上升至101℃，经分析，当冷却液中混入过多的空气时，气、水混合物会形成气囊附着在WPTC扁管内壁进而影响发热片的正常工作，直到试验后期发热片会将与之接触的少部分冷却液直接气化，所以系统中过多的空气导致出水温度高于控温上限、暖风进水温度数据剧烈地波动。

6）冷却液流量分析

当水泵启动时，除气管中的冷却液会喷射至膨胀水箱内［5］，同时，相同体积的液体会从膨胀水箱下部进入系统中循环，这样不断地循环便完成了系统的除气过程。但除气管在除气的同时也会将系统热量带入膨胀水箱中，为分析除气性能并评估加热过程中热量的损失，需要对除气管中的冷却液流量进行分析。

根据表1及表2的参数建立了如图7所示的一维仿真计算模型，经计算流经水泵、WPTC及暖风芯体的流量为16.1L/min，通过除气管流向膨胀水箱中的冷却液流量为0.27L/min，即使在除气管温度与入水口相同的前提下，除气管路中的水流量、热量占比也为2%左右，符合设计经验（水泵选型的功率稍大）。

图7 一维计算模型示意图

小结：通过上文的分析，发现除气三通未接在系统最高点；系统加注时无法控制冷却液的流向，极易造成暖风芯体附近的空气被封堵在冷却液回路中；过多的空气使得系统运行后，冷却液会呈现“泡沫”状；气、水混合物与WPTC接触时少量的液体会被直接气化，加剧了系统中气泡不易排出的问题。故采暖系统无法持续工作的原因为：气泡干扰WPTC的正常加热，导致WPTC高温报警并停机。

4 优化方案及试验验证

4.1 除气性能优化

通过上文的研究，明确了在手工加注时需要对封闭回路中的冷却液的行经路径进行优化设计，进而实现冷却液从一侧进入并将空气缓慢从另一个方向挤出，从而避免产生滞留的空气对再添加的冷却液产生阻力［6］。如图8所示，对冷却回路进行优化设计，具体如下。

图8 优化后的冷却回路及加注时冷却液的流向

1）在补水三通和除气三通之间增加一个水阀。当系统加注时关闭水阀，以实现冷却液在重力的作用下从补水三通往水泵的顺时针流淌，经由暖风芯体的出水口后从除气管再返回膨胀水箱中。当系统加注完毕后，打开水阀以实现冷却液的正常运行。

2）将除气管路与暖风管路对接部分设计成中间凸起的“除气室”结构，以优化冷却液流动状态、静止状态下的气/液分离。

4.2 试验验证

为了验证上述方案的有效性，观察优化后冷却液回路在加注和运行时的工作状态，将除气管路、水泵出水管等胶管更换为透明管，搭建了如图9所示的试验台。发现当水阀未关闭时，运行水泵后除气管路、膨胀水箱中出现了图1所示的白色“泡沫”状混合物。但当水阀在关闭状态下进行冷却液的加注时，水泵运行后除气管路、膨胀水箱中的防冻液为本色。