插电式混动汽车热管理构型和性能试验研究

2021年11月21日
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由于全球气候变暖和能源短缺,越来越多的研究集中在插电式混合动力汽车等新能源汽车上。插电式混合动力汽车具有多个动力源,并且更大程度地向电气化方向转变。

动力电池、电机、充电机、功率电子都需要热管理,导致对热管理系统的组件、回路的复杂程度和控制策略都会增加新的要求。插电式混合动力汽车的热管理系统,主要有4个温度控制区间的回路:一是高温部件,如发动机、发动机机油、变速箱等,工作温度在95℃以上;二是中温部件,如电机、中冷器等,工作温度在65℃左右;三是中低温部件,如功率电子等,工作温度在50℃左右;四是动力电池,其工作温度在40℃以内。

文章以一款混合动力汽车为研究对象,分析了插电式混合动力汽车热管理系统的构型,并通过试验分析混动模式下不同工况热管理系统的性能,以期为插电式混合动力汽车热管理系统的设计开发提供借鉴。

1热管理系统构型分析
文章研究对象为一款插电式混合动力汽车,其混动构型为P2并联式结构,由1.4T增压发动机、电机、6速变速箱和高压动力电池组成。需要通过热管理技术实现对不同工作温度区间的零部件及系统的有效冷却,以及乘员舱的空调降温和采暖的温度控制。

1.1冷却系统

这款插电式混合动力汽车设计了4个独立的冷却回路,如图1所示。

插电式混动汽车热管理构型和性能试验研究

高温回路由散热器3、发动机冷却、变速箱油冷器和乘员舱采暖的暖风芯体组成。在低温冷启动时,发动机快速暖机,电加热器(PTC)可做辅助加热,为乘员舱提供暖风,保证乘员的舒适性。暖机之后,PTC关闭,利用发动机余热对变速箱油进行加热,提高变速箱效率,并为乘员舱提供暖风,降低能耗。高温环境中,散热器3配合风扇对发动机和变速箱进行有效冷却。

中温回路由散热器2、水冷中冷器、电机冷却、增压器蜗壳冷却组成。其中水冷中冷器集成在进气歧管中,这种布置结构紧凑,冷却效果比传统的风冷中冷器好。

中低温回路包含低温散热器1、充电机和功率电子冷却。动力电池冷却回路通过电池冷却器(chiller)以空调回路中的冷媒对电池包冷却液进行冷却,保证电池包在高温环境中的温度可控制在40℃以内。

1.2空调系统

由图1可以看出,空调系统中冷凝器布置在低温散热器1后,冷媒通过冷凝器冷凝后,分成2个并联回路,一个回路通过蒸发器为乘员舱进行降温,另一个回路通过chiller换热器对电池包冷却液进行冷却,这2个回路通过电磁阀和膨胀阀来控制回路通断和冷媒的流量。

2试验方法

2.1试验设备

热管理试验在环境模拟试验室完成,设备包括底盘测功机、冷却风机、转毂、阳光模拟系统、功率分析仪、温度等传感器。

2.2试验工况

为了考察本款车型在高温环境中,混动模式下热管理系统是否能有效地满足整车冷却和空调的需求,以及动力电池电量(SOC)的不同对热管理系统的表现的影响,设计了以下高温工况,如表1所示。其中低SOC是指SOC≤20%;高SOC是指SOC≥80%。

插电式混动汽车热管理构型和性能试验研究

3结果分析

3.1冷却系统性能

通过对表1中不同的试验工况进行测试,获得了混合动力汽车高温、中温、低温和电池循环回路冷却性能试验结果,如图2~图5所示。

插电式混动汽车热管理构型和性能试验研究

插电式混动汽车热管理构型和性能试验研究插电式混动汽车热管理构型和性能试验研究

在车速为40km/h,爬坡度为10%的稳态工况下,动力电池高、低SOC状态对发动机回路、电机和功率电子水温影响比较小,而对动力电池回路水温有比较明显的影响。由图2~图3可知,发动机回路水温迅速上升至发动机大循环开启,达到热平衡温度为103℃,电机回路热平衡水温为65℃,功率电子回路热平衡水温为55℃。动力电池为低SOC工况时,发动机大部分电流提供给电动压缩机,给电池包充电的电流小,同时电池放电电流也小,电池包的发热量比高SOC时小,因此低SOC工况电池包回路冷却介入时间比高SOC工况晚,但是达到平衡的温度是一致的。

由图4~图5可知,在NEDC(新标欧洲循环工况)下,开始的城市循环阶段的功率需求比较低,发动机、电机、功率电子的发热量小,因此各个回路的冷却液水温上升缓慢,市郊高速工况发动机的功率需求高,水温上升较快。在NEDC循环结束时,不同动力电池电量(SOC)状态的工况,发动机最高温度基本一致,可达到95℃,电机回路水温低于60℃,功率电子水温低于55℃。而动力电池高、低SOC状态对动力电池回路水温有比较明显的影响,与稳态工况时的影响趋势一致,低SOC工况电池包回路冷却介入时间比高SOC工况晚。

3.2空调系统性能

根据表1的试验工况进行测试,通过分析空调出风口温度和乘员舱头部温度的试验数据,评估研究对象的空调系统性能,如图6~图7所示。

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由图6、图7可知,在高温环境不同工况下乘员舱空调出风口温度控制在10℃左右,乘员舱头部平均温度控制在26~27℃左右;稳态爬坡工况(工况一和二)的车速比NEDC循环的平均车速高,冷凝器进风量大,空调出风口温度低于NEDC循环工况的出风口温度,空调性能更好。动力电池低SOC时,动力电池换热器chiller分配冷媒的流量少,乘员舱制冷回路分配的冷媒流量多,因此动力电池低SOC工况比高SOC工况的空调制冷效果好。

4结论

1)该款插电式混合动力汽车的热管理系统结构复杂,由不同温度控制区间的四大冷却回路和乘员舱空调降温回路组成;

2)高温极限工况和循环工况下,各冷却回路可精准控制冷却液温度,保证了不同工作温度零部件的正常工作;
3)高温环境不同工况下,乘员舱空调出风口温度控制在10℃左右,乘员舱温度控制在26~27℃左右,满足乘客空调热舒适性要求;
4)电池包不同电量(SOC)下,车辆动力部件的工作模式不同,发热量有差别,导致热管理系统工作状态不同。

说明:文章来源中国汽车技术研究中心有限公司

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