插電式混動汽車熱管理構(gòu)型和性能試驗研究

王遠 張建凱 牟連嵩

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司）

由于全球氣候變暖和能源短缺，越來越多的研究集中在插電式混合動力汽車等新能源汽車上[1-2]。插電式混合動力汽車具有多個動力源，并且更大程度地向電氣化方向轉(zhuǎn)變[3]。動力電池、電機、充電機、功率電子都需要熱管理，導(dǎo)致對熱管理系統(tǒng)的組件、回路的復(fù)雜程度和控制策略都會增加新的要求[4-5]。插電式混合動力汽車的熱管理系統(tǒng)，主要有4 個溫度控制區(qū)間的回路：一是高溫部件，如發(fā)動機、發(fā)動機機油、變速箱等，工作溫度在95℃以上；二是中溫部件，如電機、中冷器等，工作溫度在65℃左右；三是中低溫部件，如功率電子等，工作溫度在50℃左右；四是動力電池，其工作溫度在40℃以內(nèi)[3]。文章以一款混合動力汽車為研究對象，分析了插電式混合動力汽車熱管理系統(tǒng)的構(gòu)型，并通過試驗分析混動模式下不同工況熱管理系統(tǒng)的性能，以期為插電式混合動力汽車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)提供借鑒。

1 熱管理系統(tǒng)構(gòu)型分析

文章研究對象為一款插電式混合動力汽車，其混動構(gòu)型為P2 并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，由1.4 T 增壓發(fā)動機、電機、6速變速箱和高壓動力電池組成。需要通過熱管理技術(shù)實現(xiàn)對不同工作溫度區(qū)間的零部件及系統(tǒng)的有效冷卻，以及乘員艙的空調(diào)降溫和采暖的溫度控制。

1.1 冷卻系統(tǒng)

這款插電式混合動力汽車設(shè)計了4 個獨立的冷卻回路，如圖1 所示。

圖1 某插電式混合動力汽車熱管理系統(tǒng)布置圖

高溫回路由散熱器3、發(fā)動機冷卻、變速箱油冷器和乘員艙采暖的暖風芯體組成。在低溫冷啟動時，發(fā)動機快速暖機，電加熱器（PTC）可做輔助加熱，為乘員艙提供暖風，保證乘員的舒適性。暖機之后，PTC 關(guān)閉，利用發(fā)動機余熱對變速箱油進行加熱，提高變速箱效率，并為乘員艙提供暖風，降低能耗。高溫環(huán)境中，散熱器3配合風扇對發(fā)動機和變速箱進行有效冷卻。

中溫回路由散熱器2、水冷中冷器、電機冷卻、增壓器蝸殼冷卻組成。其中水冷中冷器集成在進氣歧管中，這種布置結(jié)構(gòu)緊湊，冷卻效果比傳統(tǒng)的風冷中冷器好[6]。

中低溫回路包含低溫散熱器1、充電機和功率電子冷卻。動力電池冷卻回路通過電池冷卻器（chiller）以空調(diào)回路中的冷媒對電池包冷卻液進行冷卻，保證電池包在高溫環(huán)境中的溫度可控制在40℃以內(nèi)。

1.2 空調(diào)系統(tǒng)

由圖1 可以看出，空調(diào)系統(tǒng)中冷凝器布置在低溫散熱器1 后，冷媒通過冷凝器冷凝后，分成2 個并聯(lián)回路，一個回路通過蒸發(fā)器為乘員艙進行降溫，另一個回路通過chiller 換熱器對電池包冷卻液進行冷卻，這2 個回路通過電磁閥和膨脹閥來控制回路通斷和冷媒的流量。

2 試驗方法

2.1 試驗設(shè)備

熱管理試驗在環(huán)境模擬試驗室完成，設(shè)備包括底盤測功機、冷卻風機、轉(zhuǎn)轂、陽光模擬系統(tǒng)、功率分析儀、溫度等傳感器。

2.2 試驗工況

為了考察本款車型在高溫環(huán)境中，混動模式下熱管理系統(tǒng)是否能有效地滿足整車冷卻和空調(diào)的需求，以及動力電池電量（SOC）的不同對熱管理系統(tǒng)的表現(xiàn)的影響，設(shè)計了以下高溫工況，如表1 所示。其中低SOC 是指 SOC≤20%；高 SOC 是指 SOC≥80%。

表1 熱管理試驗工況

3 結(jié)果分析

3.1 冷卻系統(tǒng)性能

通過對表1 中不同的試驗工況進行測試，獲得了混合動力汽車高溫、中溫、低溫和電池循環(huán)回路冷卻性能試驗結(jié)果，如圖2～圖5 所示。

圖2 工況一各冷卻回路冷卻性能

圖3 工況二各冷卻回路冷卻性能

圖4 工況三各冷卻回路冷卻性能

圖5 工況四各冷卻回路冷卻性能

在車速為40 km/h，爬坡度為10%的穩(wěn)態(tài)工況下，動力電池高、低SOC 狀態(tài)對發(fā)動機回路、電機和功率電子水溫影響比較小，而對動力電池回路水溫有比較明顯的影響。由圖2～圖3 可知，發(fā)動機回路水溫迅速上升至發(fā)動機大循環(huán)開啟，達到熱平衡溫度為103℃，電機回路熱平衡水溫為65℃，功率電子回路熱平衡水溫為55℃。動力電池為低SOC 工況時，發(fā)動機大部分電流提供給電動壓縮機，給電池包充電的電流小，同時電池放電電流也小，電池包的發(fā)熱量比高SOC 時小，因此低SOC 工況電池包回路冷卻介入時間比高SOC 工況晚，但是達到平衡的溫度是一致的。

由圖4～圖5 可知，在NEDC（新標歐洲循環(huán)工況）下，開始的城市循環(huán)階段的功率需求比較低，發(fā)動機、電機、功率電子的發(fā)熱量小，因此各個回路的冷卻液水溫上升緩慢，市郊高速工況發(fā)動機的功率需求高，水溫上升較快。在NEDC 循環(huán)結(jié)束時，不同動力電池電量（SOC）狀態(tài)的工況，發(fā)動機最高溫度基本一致，可達到95℃，電機回路水溫低于60℃，功率電子水溫低于55℃。而動力電池高、低SOC 狀態(tài)對動力電池回路水溫有比較明顯的影響，與穩(wěn)態(tài)工況時的影響趨勢一致，低SOC 工況電池包回路冷卻介入時間比高SOC 工況晚。

3.2 空調(diào)系統(tǒng)性能

根據(jù)表1 的試驗工況進行測試，通過分析空調(diào)出風口溫度和乘員艙頭部溫度的試驗數(shù)據(jù)，評估研究對象的空調(diào)系統(tǒng)性能，如圖6～圖7 所示。

圖6 工況一、二、三和四乘員艙空調(diào)出風口溫度

圖7 工況一、二、三和四乘員艙頭部溫度

由圖6、圖7 可知，在高溫環(huán)境不同工況下乘員艙空調(diào)出風口溫度控制在10℃左右，乘員艙頭部平均溫度控制在26～27℃左右；穩(wěn)態(tài)爬坡工況（工況一和二）的車速比NEDC 循環(huán)的平均車速高，冷凝器進風量大，空調(diào)出風口溫度低于NEDC 循環(huán)工況的出風口溫度，空調(diào)性能更好。動力電池低SOC 時，動力電池換熱器chiller 分配冷媒的流量少，乘員艙制冷回路分配的冷媒流量多，因此動力電池低SOC 工況比高SOC 工況的空調(diào)制冷效果好。

4 結(jié)論

1）該款插電式混合動力汽車的熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由不同溫度控制區(qū)間的四大冷卻回路和乘員艙空調(diào)降溫回路組成；2）高溫極限工況和循環(huán)工況下，各冷卻回路可精準控制冷卻液溫度，保證了不同工作溫度零部件的正常工作；3）高溫環(huán)境不同工況下，乘員艙空調(diào)出風口溫度控制在10℃左右，乘員艙溫度控制在26～27℃左右，滿足乘客空調(diào)熱舒適性要求；4）電池包不同電量（SOC）下，車輛動力部件的工作模式不同，發(fā)熱量有差別，導(dǎo)致熱管理系統(tǒng)工作狀態(tài)不同。