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引言

随着新能源汽车的研究越来越受到国内外的重视,对新能源汽车方面的研究与设计就显得尤其重要。

由于用户的使用习惯,增程汽车上的控制逻辑和功能输出模式会有不同,这就给热管理性能方面的开发带来了挑战。本文作者针对吉利某款增程项目,详细介绍了热管理空调系统的设计思路,系统匹配CAE分析和优化。

1整车设计需求

该项目为一款正在开发的多用途汽车(Multi-Pur-poseVehicles,MPV)车型,整车质量为kg,是两挡速比的变速器。整车配置的动力驱动形式为两种:一种为混动配置,即发动机驱动车轮;另一种为增程配置,即发动机只作为增程器发电,由驱动电机驱动车轮。

为了满足两种动力配置的要求,变速器有两种配置,即混动配置和增程配置。变速器混动配置的发电机持续功率为16kW,驱动电机持续功率为25kW;变速器增程配置的发电机持续功率为27kW,驱动电机持续功率为35kW。其中变速器的发电机和驱动电机采用机油冷却,然后通过冷却液和机油的热交换器将热量带出到整车冷却系统,再通过机舱内的空气与冷却系统进行热交换。

整车热管理的工况需要结合客户需求与车辆动力性能:混动配置下满足低速爬坡、高速爬坡工况以及最高车速km/h的要求;增程配置下需要满足低速爬坡和最高车速km/h的要求。两种配置的环境温度都为38~40℃。

2热管理系统设计思路

在现有平台架构的基础上,结合整车的热管理工况需求,热管理小组进行了充分的分析。虽然系统回路和零件的性能匹配在吉利属于首发,但是仍然需要充分考虑平台的可拓展性和前端冷却模块框架安装工艺的一致性。

基于以上原因,决定使用领克平台的安装位置和安装工艺。由于发动机为借用领克平台的GEP3低功率版,所以中冷器完全借用,安装位置也相同,而冷凝器和电池散热器借用吉利其他车型;发动机散热器、电机回路低温散热器、风扇根据布置回路图和性能匹配进行重新开发设计,其中第一版的系统回路图如图1所示。

下面针对各个回路进行详细说明:发动机冷却回路与传统车相同;电机回路主要用于冷却变速器内部的发电机和驱动电机,同时与功率分配单元(PowerElectricalUnit,PEU)、液气分离器串联在一起;暖风回路并联了高压车载加热器热敏电阻(PositiveTemperatureCoefficient,PTC),用于发动机不工作时给乘员舱和电池包加热,同时有电子水泵;空调回路包括与传统车相同的蒸发器、电池冷却器(Chiller)、压缩机、冷凝器、膨胀阀等。

电池回路中,车载充电模块(OnBoardChar-ging,OBC)和直流转换器(DirectCurrent,DC-DC)集成在一起,并且与电池包并联,同时并联一个低温散热器,用于在低温条件下给电池包冷却,减少空调制冷剂冷却电池包带来的额外能量损失,提高整车的续航里程。

在图1的基础上,前端冷却模块的布置结构如图2所示,把16mm厚的主散热器分成发动机散热器和电机散热器,虽然曾经试着只使用中冷器上部的电机散热器,但是无论如何也不能满足性能要求,因此串联上了中冷器前端的电机散热器。文中进行了CAE计算,分别计算混动配置和增程配置下的水温,并判断是否满足限值要求,增程配置下的计算结果如图3所示,从图3中可以看到,不满足目标的限值要求,已经用外框作标记。

3热管理系统设计方案优化

因为仿真分析不满足设计目标,所以需要对系统进行优化。经过研究与分析,决定采用增加主散热器的厚度来增加换热性能,同时把风扇功率提升。

经过CAE计算,最后确定选用21mm厚的散热器,风扇功率由W的有刷风扇增加到W的无刷风扇,混动配置和增程配置下的结果,如图4和图5所示。

因为混动配置下发动机直接驱动整车,发动机需求的换热量较大,所以这种情况下发动机散热器的高度就比较大,主散热器采用mm芯体高度,主散热器下面的电机散热选用mm芯体高度,同时额外串联中冷器前面的电机散热器。而增程配置下发动机、发电机和驱动电机同时工作,属于热管理系统最苛刻的工况,计算后主散热器芯体高度mm,电机散热器芯体高度mm,再额外串联中冷器前端的电机散热器。

需要补充说明的是,混动配置下的整车能够实现高速爬坡,但是增程配置下整车的动力性受到发电机和驱动电机的性能限制,不能进行高速爬坡工况,同时最高车速也比混动配置下要小,即最高车速km/h,混动配置下最高车速km/h。

在完成性能优化后,经过评估和借鉴以往混动车型经验,进行如下两项系统回路上优化:

(1)电池回路中取消三通阀。根据其他车型项目经验,在环境温度30~40℃时,电子风扇会频繁开启,此时增加该三通阀作用不大。

(2)电机回路中增加三通阀。保证变速器油温低时,能够快速暖机,提高效率,油温高时再对变速器进行冷却。

经过优化后的系统回路如图6所示。

4结论

文中介绍了一款增程电动车项目的热管理系统的设计和CAE计算匹配。由于布置空间限制,OBC和DCDC布置在了电池回路中。另外在增程发动机的选择上,如果未来有合适的机会能够选用单独为增程电动车开发的自然吸气发动机,那么热管理的布置会更紧凑,成本更低。

如果有机会使用水冷中冷器和水冷冷凝器也能使热管理系统进一步优化,提高效率,起到节能的作用。随着项目的进行,后续将持续对此系统进行优化。