混合動力履帶車輛電機加熱低溫預熱系統設計

王瑞，王義春，馮朝卿，2，張西龍

(1.北京理工大學 機械與車輛學院，北京100081;2.內蒙古工業大學 能源與動力工程學院，內蒙古 呼和浩特010051)

0 引言

大功率履帶車輛為了實現全地域機動的戰略需求，設計時需保證能夠在嚴寒地區冬季正常使用。一般情況下，車輛在嚴寒地區冬季使用時需要采用輔助加溫措施來實現車輛的冷啟動［1-2］。在溫度極低的情況下，車輛的潤滑油粘度增加，潤滑效果變差，此時啟動會給發動機帶來極大的危害，使動力總成嚴重磨損，它極大地影響了車輛使用性能的發揮［3-5］。

根據使用環境和車輛本身結構的不同，輔助加溫措施也不盡相同，對于常規動力的大功率履帶車輛來說，燃油式加溫鍋是應用最為普遍的一種輔助加溫措施。該方法利用車輛攜帶的燃油燃燒產生熱量，加熱冷卻液后利用循環水泵將熱量帶到發動機及傳動部件，使其溫度升高。當加溫鍋將發動機及傳動裝置加熱至合適溫度，以保證發動機能順利啟動，此時加溫鍋停止工作。

對于混合動力履帶車輛來說，加裝傳統的加溫鍋進行預熱也可以滿足冬季高寒地區冷啟動要求，但加溫鍋的安裝增加了車輛動力系統的復雜性，使原本擁擠的動力艙雪上加霜。本文設計了一種利用混合動力傳動系統中的永磁同步驅動電機堵轉生熱(即電機轉子抱死，輸入電機的電能全部轉化為熱能)進行加熱的低溫預熱系統，該系統可以在不添加任何裝置的前提下，利用原有部件實現輔助加溫，以滿足車輛冷啟動需求。電加熱技術徹底消除傳統的燃油加溫鍋及相關的供油管路、進排氣管路等，在不增加任何部件的情況下，實現低溫電加熱預熱，電加熱具有系統簡單、加熱快、控制方便、資源共享、控制方便、節省了空間和資源等優點。

1 預熱系統設計

為了利用電機實現低溫加熱的功能，需要對履帶車輛冷卻系統的回路進行優化設計，增加部分管路及控制閥，使其能夠在正常行駛時冷卻與低溫啟動時加熱兩種模式之間相互切換。帶有低溫電機加熱預熱系統的冷卻系統回路如圖1 所示。

圖1 中將冷卻系統中的電機冷卻回路進行一定的改進，增加預熱回路。通過閥1 和閥3 的通斷控制來實現電機加熱預熱與車輛冷卻兩種工作模式之間的切換。正常行駛時，冷卻系統工作，閥1 和閥3接通電機散熱器回路，熱量通過散熱器散到空氣中。當需要對車輛進行低溫預熱時，閥1 和閥3 同時關閉電機散熱器通路，將低溫電加熱回路接通，電機和控制器產生的熱量，通過冷卻液的循環帶到發動機、機油換熱器中，對其進行加熱。電機加熱預熱循環中的生熱源就是電機和電機控制器。

圖1 低溫電機加熱預熱系統冷卻回路Fig.1 Cooling loop of motor heating preheating system

2 預熱過程中傳熱模型

動力艙中各部件與動力艙及環境的換熱主要有兩種方式:一種是對流換熱，一種是輻射換熱［6］。

對于對流換熱，換熱量公式為

式中:Qc為換熱量;h 為對流換熱系數(W/(m2·K));A 為換熱面積(m2);Ta為空氣溫度(K);Tc為動力艙表面溫度(K).

對于輻射傳熱，其換熱量公式為

式中:σ 為玻爾茲曼常數;ε 為動力艙發射率，即鋼鐵的發射率;Tg為地面溫度(K).

對于車輛低溫預熱過程來說，動力艙內熱源部件通過動力艙表面與環境之間的換熱情況決定了預熱過程中的能量損失。為了準確地描述動力艙表面與環境熱量傳遞，本文利用計算流體力學(CFD)數值模擬的方法對其進行建模并計算車輛怠速時動力艙表面的溫度場分布，并進行試驗測試，驗證仿真模型。

對于整車模型中只取動力艙作為為研究對象，簡化后的動力艙內熱源部件主要包括發動機、傳動箱和散熱器，按照各部件的尺寸和相對位置建立幾何模型。由于動力艙內其他管路連接部件尺寸相對較小，故在建立模型時將其省略。建立的幾何模型如圖2 所示。

圖2 動力艙幾何模型Fig.2 Geometric model of engine compartment

選取動力艙及部分車外大氣環境作為計算區域并劃分網格，將計算網格導入FLUENT 仿真軟件后設置邊界條件:空氣入口設定為速度入口;出口設定為自由流動;流域下邊界為地面，設置為固壁，而上邊界為大氣環境。動力艙體在內外兩側均有傳熱介質，設定為couple，發射率取0.8;動力艙與載員艙之間的壁面由于不與外界環境相通，且在載員艙一側表面有保溫層，因此在計算中按絕熱處理。發動機、傳動箱及散熱器表面設定為壁面熱源，其表面既有對流換熱又有輻射換熱，溫度邊界條件根據發動機出水溫度及傳動箱油冷器出水溫度設定，分別為發動機壁面373 K、傳動箱壁面365 K、散熱器壁面353 K.

3 試驗驗證

為了溫度測量方便，本試驗測試選取怠速工況進行測量，即車速為0 km/h 的工況下進行動力艙外表面溫度測試。試驗測試時采用無接觸紅外測溫儀進行溫度測量，量程-22 ～110 ℃，分辨率0.1 ℃，精度±1%. 動力艙表面溫度測點分布如圖3 所示。選取車輛怠速工況，車速為0 m/s，測試時間2014-03-20，環境溫度為7 ℃，風速0.5 m/s. 測試時車輛先怠速1 h 以上，溫度趨于穩定后開始測量。每個測點都測量3 次后取平均值。

圖3 動力艙表面測點分布圖Fig.3 Distribution of temperature test points on the surface of engine compartment

為了驗證動力艙外表面與環境的換熱情況，在車輛運行時測量車輛動力艙外表面溫度及環境溫度。將車速、環境溫度和熱源溫度作為仿真計算邊界條件，利用上述計算模型進行仿真計算，動力艙表面溫度分布仿真結果如圖4 所示。

圖4 動力艙表面溫度分布仿真結果Fig.4 Temperature distribution on the surface of engine compartment

將各測點的溫度實驗值和對應的仿真值列入表1 進行對比，以驗證仿真模型及其誤差。

表1 動力艙表面溫度試驗與仿真結果對比Tab.1 Test and simulation results of surface temperature of engine compartment

由表1 可以看出，各測點的實驗測試值均高于仿真值，這是由于在仿真模型建立過程中簡化了冷卻水管路和發動機排氣管等一些熱源部件，這使得仿真時動力艙內熱源部件減少，放熱量降低，導致溫度計算結果比試驗測試結果低。從表1 中試驗值和仿真值的誤差可以看出，大多數測點誤差均在10%以內，表明仿真模型基本能夠準確地描述發動機艙內的換熱情況。但是個別測點誤差較大(測點2、測點4、測點7)，結合測點位置，分析其誤差較大的原因如下:測點2 位于動力艙右側的履帶上方，由于其距離發動機等熱源部件較遠，因此溫度仿真結果較低，但車輛實際動力艙布置中發動機排氣管位于該處履帶和上甲板之間，造成該處實際溫度明顯高于計算值;測點4 位于動力艙側面，此處外側有履帶及負重輪，導致此處空氣流通性差，此處與環境對流換熱以自然對流為主，而仿真計算時將履帶及負重輪簡化，在環境風速為0.5 m/s 時，使得仿真計算時該處的對流換熱率遠大于實際測試時的值，造成此處溫度仿真值偏小。測點7 位于動力艙底部，發動機和傳動箱都通過安裝座與動力艙連接固定，熱源部件的熱量通過安裝座以導熱的方式傳遞到動力艙表面，增加了熱源與動力艙底面之間的換熱，因此底面溫度測試值高于仿真值。

4 預熱過程的溫升

利用該模型對預熱過程中動力艙與外界的換熱量進行計算，在車輛靜止時，環境溫度不變、動力艙內熱源部件溫度隨著預熱的進行逐漸升高，由于動力系統中需要預熱的部件材料均為鋼鐵，導熱率較高，故假設預熱過程中各熱源部件表面溫度均勻，計算熱源部件通過動力艙與外界的換熱情況。當環境溫度為-46 ℃時，動力艙與外界環境換熱功率隨熱源部件與環境溫差變化的計算結果如圖5 所示。

圖5 換熱功率隨熱源部件與環境溫差變化Fig.5 Relationship between heat transfer power and temperature difference of heat source and environment

將圖5 中的計算值進行擬合，由于動力艙體與環境的換熱主要是由對流換熱和輻射換熱組成，因此采用4 次多項式擬合，擬合為(3)式，擬合決定系數R2=0.999 7.

式中:Td為熱源部件與環境溫差(℃);Qe為動力艙與外界環境換熱功率(W).

為了研究采用低溫電機加熱預熱系統的履帶車輛預熱過程中動力艙內溫升情況及熱量損失，利用MATLAB 對低溫預熱過程中動力艙內溫升進行計算，其計算流程如圖6 所示。計算時，將車輛動力艙在預熱過程中被加熱的各部件質量、比熱容等參數輸入，冷卻液的質量和各種潤滑油的質量均按照動力系統設計需求量計算。在計算動力艙與與環境換熱情況時，需將(3)式中動力艙與環境換熱功率Qe與熱源部件和環境溫差Td之間的關系輸入仿真模型進行計算。改變仿真計算程序中的環境溫度和加熱功率，可得到不同加熱功率下溫度達到預熱要求所需的時間以及整個預熱過程電池所耗費的總能量。

圖6 預熱系統仿真流程圖Fig.6 Simulation flowchart of preheating system

根據動力系統設計及發動機啟動需求，確定各部件預熱目標溫度見表2.

表2 動力系統預熱目標溫度Tab.2 Preheating target temperature of power system

由于整個低溫電加熱預熱系統都需要冷卻液的循環來加熱，故冷卻液的溫度需高于被加熱目標溫度，由于發動機機體和傳動箱機體都在向外散失熱量，因此其潤滑油加熱溫度要高于機體溫度。

環境溫度-46 ℃時，針對不同的加熱功率對車輛動力系統進行加熱，仿真計算結果如圖7 所示。

圖7 不同加熱功率下的溫升情況Fig.7 Temperature rise at different heating powers

由圖7 中的仿真結果可看出，隨著預熱系統加熱功率的增大，動力系統達到目標溫度的時間逐漸變短。動力系統的溫度隨加熱功率變化曲線接近線性變化，但是隨著動力系統溫度的升高其熱量損失速率也越來越快，使得曲線斜率沿時間軸有逐漸減小的趨勢。由于加熱功率越小，溫度升高的速度就越慢，使得溫度隨加熱功率變化曲線的斜率減小得更為明顯。

為了進一步分析不同環境溫度下低溫電加熱預熱系統的工作特性，對不同環境溫度下、不同加熱功率時的加熱過程進行仿真計算，其加熱時間變化情況結果如圖8 所示。

圖8 不同加熱功率下加熱時間隨環境溫度的變化Fig.8 Change of heating time with ambient temperature at different heating powers

由圖8 可知，電加熱預熱系統加熱時間隨環境溫度的變化呈近似線性關系，加熱時間隨著環境溫度的升高而減小。相同環境溫度下加熱時間隨著加熱功率的增加而減小。在環境溫度為227 K(即-46 ℃)時，此溫度為車輛工作環境溫度的極限情況，當加熱功率為80 kW 時，預熱所需時間為37 min;加熱功率為60 kW 時，需要51 min;而加熱功率40 kW 時，則需要78 min. 履帶車輛低溫啟動預熱過程通常要求在45 min 之內完成，通過計算可得出滿足預熱時間要求的最小電機加熱功率為70 kW. 不同加熱功率下總耗功情況見圖9.

圖9 總耗功量隨環境溫度的變化Fig.9 Change of total energy consumption with ambient temperature

由圖9 可知，不同加熱功率下預熱過程的總耗功量隨環境溫度的增加而減小。加熱功率越大，總耗功越少，但不同的加熱功率對總耗功的影響相對較小。在車輛工作環境溫度為227 K(即-46 ℃)的極限情況時，80 kW、60 kW 和40 kW 3 種電加熱功率下對應的總耗功量分別為180.0 MJ、182.0 MJ 和185.5 MJ.

圖10 中描述了不同加熱功率下加熱過程中能量總耗散量隨環境溫度的變化，由計算結果可知環境溫度越低，總損耗能量越多，這是由于較低的環境溫度使得車輛動力艙與外界的對流及輻射換熱速率增大;而且環境溫度越低，加熱到動力系統預熱目標溫度所需的時間就越長，散熱損失的能量也就越多。在車輛工作環境溫度為227 K(即-46 ℃)的極限情況下，80 kW、60 kW 和40 kW 3 種電加熱功率下整個預熱過程能量損失分別為6.1 MJ、8.3 MJ 和12.8 MJ.

圖10 能量總損失隨環境溫度的變化Fig.10 Change of total energy loss with ambient temperature

圖11 加熱效率隨環境溫度的變化Fig.11 Change of heating efficiency with ambient temperature

將不同加熱功率下加熱效率隨環境溫度的變化趨勢由圖11 表示，結合圖10 和圖11 可看出環境溫度越高，預熱系統的熱效率越高，熱量損失越小;加熱功率越大，相同環境溫度下的熱效率越高，在環境溫度為227 K(即-46 ℃)的情況下，低溫電機加熱預熱系統3 種不同加熱功率時的熱效率均在93%以上，當加熱功率為80 kW 時整個加熱系統熱效率能達到96.5%.

5 動力電池容量匹配

通過仿真計算可得到不同環境溫度下電加熱系統所需的總耗功量。整個低溫電加熱預熱系統的設計能否滿足要求還需考慮混合動力系統動力電池組能否提供所需的能量。為了進一步對該系統設計方案的可行性進行論證，需結合電池性能受溫度的影響分析電池電能輸出特性，進而得到所需動力電池總容量。動力電池組能否滿足低溫電機加熱預熱系統的要求主要取決于電池容量和放電速率。首先在低溫環境下的電池容量應該大于預熱系統所需要的總能量，其次是電池要在需求放電速率(即放電功率)下能夠放出足夠的能量。

車用動力電池主要使用的是鋰電池，但在低溫環境下鋰電池的充放電性能都有顯著衰減，清華大學的歐陽明高教授等對動力型磷酸鐵鋰電池的溫度特性進行研究［7］，結果表明環境溫度為-40 ℃時，磷酸鐵鋰電池以1/3 C 恒流放電，電池的容量僅為標稱值的30%. 北京理工大學的張承寧教授等對35 A·h 的錳酸鋰電池進行了低溫特性試驗測試［8］，環境溫度為-40 ℃時，電池以10 A 恒流放電，電池容量為標稱值的22.3%;而當放電電流增大到35 A后，電池容量僅為標稱值的0.07%.

本文所采用的混合動力系統電池額定電壓為800 V，由仿真計算可知最低加熱功率對應的放電電流，結合文獻［7 -8］中的試驗結果對電池容量進行初選，并與加熱所需的總能量對比，結果見表3 所示。

由表3 的計算結果可知，磷酸鐵鋰電池的低溫性能略好于錳酸鋰電池。初選磷酸鐵鋰電池為混合動力車輛動力電池，為了滿足低溫電加熱預熱系統所需功率及能量，需選取電池容量至少為292 A·h，才能保證動力系統預熱過程能夠在規定時間內完成，此時低溫電池放電率應達到21.5%，磷酸鐵鋰電池在-46 ℃時電池容量完全能達到該值。此外在電池放電過程中由于電池內阻的耗功，其自身會產生熱量來加熱電池組，隨著電池溫度的升高其放電率逐漸升高，這也有利于提高電池的性能。

通過以上的計算發現，雖然配有大容量的電池可以滿足低溫電加熱預熱系統的功率及能量需求，但是由于電池低溫特性差而引起的低溫放電率低造成電池配置過剩，不利于動力系統的輕量化設計。

6 結論

1)利用混合動力傳動系統中的驅動永磁同步電機堵轉生熱對動力系統進行低溫預熱。利用熱量傳遞模型進行數值計算，得到不同環境溫度下、不同加熱功率進行預熱所需的總能量;分析了能量損失情況及加熱效率。計算結果表明:滿足預熱時間要求的最低加熱功率為70 kW，所需加熱量為181 MJ.

2)結合動力電池的低溫特性，選取磷酸鐵鋰電池，按照動力系統設計參數對電池電壓的要求，通過加熱功率計算選擇電池的總容量，根據其低溫放電率進行校核，最終確定了電池容量至少為292 A·h.

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