純電動推土機熱管理系統設計

萬光前，侯文軍，安魯寧，李東浪

（山推工程機械股份有限公司，山東 濟寧 272073）

隨著柴油機排放法規的日趨嚴格，工程機械純電動化已成為行業未來的一個發展趨勢。純電動工程機械的核心部件是電機電控系統及動力電池系統，這兩個系統的運行質量直接影響電動設備的動力性、可靠性等性能參數。系統溫度是決定電機電控系統及動力電池系統運行質量的關鍵因素，動力電池溫度過低會影響電池放電功率和安全性，溫度過高會嚴重影響動力電池壽命和穩定性[1]。采用熱管理系統控制動力電池溫度處于最佳溫度范圍，不僅有利于提高電池的續航能力，還有利于提高動力電池的使用壽命[2]。電機電控系統溫度過高會造成控制器熱擊穿、電子元件損壞、電機輸出限制等故障。一個好的熱管理系統是多個系統耦合的復雜系統[3]，包含電機電控及動力電池熱管理系統、整機液壓系統熱管理系統。此外，商品化的純電動工程機械還要配置駕乘環境熱管理系統，該系統目前已有成熟的商業化解決方案，本文不做論述。

1 純電動推土機熱管理系統介紹

純電動推土機以傳統柴油動力推土機為基礎設計，保留推土機原有各項功能，將動力源與動力傳動裝置進行替換：動力電池組替換柴油機，驅動電機及控制器替換變矩器變速箱等部件，液壓泵由分動箱驅動變為電機驅動。本文涉及產品電機電控、動力電池系統的配置明細為：驅動電機及控制器2 組，液壓泵驅動電機（下文簡稱液壓電機）及控制器1 組，動力電池1 組。動力源及動力傳動裝置的變更必然引起整機熱管理系統的適應性變化，同時新增電氣元件的適合工作溫度范圍也大不相同，詳見表1。因此，應統籌考慮純電動推土機各子系統溫度要求設計整機熱管理系統。

表1 純電動推土機各子系統部件工作溫度范圍

為保證熱交換效率，電機電控及動力電池均采用配比為50%純水+50%乙二醇的長效防凍液作為冷卻介質，并采用強制冷卻模式。冷卻介質與被冷卻元件實現熱交換后最終經風冷冷卻器實現向外界環境散熱。液壓油也通過風冷冷卻器向環境散熱。綜合考慮各元件溫度需求，將電機電控風冷單元及液壓油風冷單元集成為復合散熱器，采用電子風扇進行冷卻。由于動力電池溫度范圍要求嚴格，傳統風冷方案已無法滿足需求，因此采用商業化程度較高的BTMS 進行冷卻。根據溫度要求，本文將電機電控及液壓油熱管理系統定義為高溫熱管理系統，將動力電池熱管理系統定義為低溫熱管理系統。

2 高溫熱管理系統設計

2.1 高溫熱管理系統結構布置

系統采用水冷單元與油冷單元集成，水冷各分支并聯，控制器與電機串聯的總體布置方案，總體布置如圖1 所示。相比電機而言，控制器需求溫度較低，串聯時將控制器布置在前側，冷卻液先經過控制器再進入電機進行冷卻。設計時要通過調節管路長度、增加節流裝置等手段調控水冷各分支的流阻，避免出現因流量差異導致的換熱不均衡現象。

圖1 高溫熱管理系統結構布置

復合散熱器集成多個電子風扇及控制器，在水冷單元及油冷單元出口處安裝溫度傳感器，控制器分析水溫及油溫后按照既定控制策略向風扇發送指令，調控風扇轉速或控制多個風扇的開閉，使防凍液和液壓油處于設定的溫度范圍，同時還可以取得可觀的節能效果。

2.2 水冷系統計算

設計使用最高環境溫度為45℃。根據管路及各電子元件流阻值確定電子水泵流量為45L/min。則系統總散熱功率Qw表達式為

式中Qw——系統總散熱功率；

Qw1——驅動電機散熱功率，取4kW；

Qw2——電機控制器散熱功率，取3.5kW；

Qw3——液壓電機散熱功率，取3.6kW；

n——安全系數，取1.1。

帶入各項數值得系統總散熱功率為24.3kW。

計算時設定水冷單元入口溫度為65℃，計算整個系統溫度降Δtw，確定水冷單元出口溫度。

式中Qw——系統總散熱功率，取24.3kW；

Vw——冷卻液循環流量，取45L/min；

Γw——冷卻液密度，近似取1 000kg/m3；

Cw——冷卻液比熱，近似取4.187kJ/kg℃。

帶入數值計算得系統溫度降為7.74℃，滿足控制器入口溫度要求。用式（2)計算校驗水冷各分支溫升，滿足設計要求。

2.3 油冷系統計算

設計使用最高環境溫度為45℃，系統理論散熱功率12kW，取安全系數1.1，計算輸入確定為13.2kW。計算時設定油冷單元入口溫度為80℃，計算確定液壓油溫度降Δt0，確定油冷單元出口溫度。

式中Q0——系統總散熱功率，取13.2kW；

V0——液壓油循環流量，取17L/min；

Γ0——液壓油密度，近似取875kg/m3；

C0——液壓油比熱，近似取2.094kJ/kg℃。

帶入數據計算得系統溫降約為25.4℃，滿足設計要求。

3 低溫熱管理系統設計

文中純電動推土機采用8 組電池作為動力源，電池組自帶加熱功能，選用單冷型BTMS 即可，無需選用具有加熱功能的冷暖型BTMS。目前商業化BTMS 根據其制冷量不同分為5kW 及8kW 兩種規格，具體設計過程中可根據電池組的熱負荷特性選用相應規格的產品。

為保證各電池組冷卻液流量均勻，且溫度精確控制在適合范圍內，電池組冷卻管路采用2 組電池串聯，各電池冷卻支路并聯的布置形式，如圖2 所示。

圖2 電池熱管理系統管路布置

設計過程中，要綜合考慮高度差等因素，通過控制各分支管路長度、內徑、走向等，保證各分支流阻及流量均衡。此外，要在合適的位置增加膨脹水箱，保證電池及BTMS 的冷卻液一次性加注率及運行過程除氣效果，必要時可使用2 個膨脹水箱。其布置示例如圖3 所示。

圖3 電池熱管理系統管路布置示例

此外，BTMS 控制邏輯也是保證熱管理系統精準運行的關鍵。BTMS 檢測實際水溫，與設定的目標水溫比對，確定工作模式后向執行單元發送指令，典型的工作模式如下。

1）關機模式 除BTMS 控制器外，其余部件均停止工作。

2）自循環模式 BTMS 控制器控制水泵循環，其余部件停止工作。

3）制冷模式 根據采集溫度控制BTMS 風扇、壓縮機的開閉。

4 結語

該熱管理系統已完全可以滿足純電動推土機的工作要求，文中涉及的設計方法、布置方案對其它純電動工程機械熱管理系統設計具有一定的借鑒意義。后續還應在控制邏輯細化等方面開展研究工作，使純電動工程機械熱管理系統運行更精準、更節能。