串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)在純電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)

李龍強(qiáng)　李龍飛

摘 要：一個(gè)良好的冷卻系統(tǒng)系統(tǒng)，需要考慮其空間布置、需冷卻電器的冷卻順序、冷卻系統(tǒng)各部件的散熱能力及功耗等多種因素。通過(guò)對(duì)冷卻系統(tǒng)布置，可以減小了冷卻系統(tǒng)對(duì)散熱器散熱能力的要求，而理論計(jì)算分析能夠?qū)ο到y(tǒng)各部件做性能校核比較直觀，二者結(jié)合能夠較好的反映冷卻系統(tǒng)性能情況。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)布置；冷卻系統(tǒng)散熱能力理論數(shù)據(jù)計(jì)算校核方法

1 引言

純電動(dòng)汽車以電機(jī)作為直接動(dòng)力源，在行駛過(guò)程中，純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器、 電壓變換模塊（即CDU模塊）等都會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)是純電動(dòng)汽車中一種常見(jiàn)的布置方法。本文以純電動(dòng)汽車為例，詳細(xì)講述了串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)在純電動(dòng)汽車中布置方式及其優(yōu)缺點(diǎn)，以及對(duì)串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)散熱能力理論數(shù)據(jù)計(jì)算校核方法也進(jìn)行了簡(jiǎn)單地闡述。

2 純電動(dòng)汽車串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)的概述

冷卻系統(tǒng)由散熱器、電子風(fēng)扇、膨脹水箱、水溫傳感器、水泵、需要冷卻的電器件（電機(jī)水套、電機(jī)控制器水套等）、各個(gè)管路和冷卻液等組成。其功能是對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，保證各部件能始終處于最適宜的溫度狀態(tài)下工作，以獲得較高的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)一般要帶走的熱量，約占動(dòng)力系統(tǒng)工作所能產(chǎn)生熱量的95%。因此，要保證動(dòng)力系統(tǒng)能正常工作，必須使它的受熱零部件得到合適冷卻。一般動(dòng)力總成的電器件最佳工作環(huán)境溫度在（35±5）℃之間。純電動(dòng)汽車中的冷卻系統(tǒng)一般為串聯(lián)式或并聯(lián)式，冷卻介質(zhì)為防凍液。

如圖1所述，冷卻液由水泵從水箱抽出，經(jīng)過(guò)電機(jī)（散熱殼體一）、電機(jī)控制器（散熱殼體二）、充電機(jī)（散熱殼體三）等的殼體，最后再回到水箱，整個(gè)冷卻系統(tǒng)最終靠風(fēng)扇吹水箱外表面來(lái)降溫。因純電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器、充電機(jī)等都會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，而散熱器散熱能力有限，所以冷卻系統(tǒng)個(gè)部件的布置及選型極為重要。

3 純電動(dòng)汽車需要冷卻的電器件的特點(diǎn)

純電動(dòng)汽車需要冷卻的電器件一般允許冷卻液的最高溫度為（60～80）℃；

純電動(dòng)汽車需要冷卻的電器件的發(fā)熱量一般各不相同；

純電動(dòng)汽車需要冷卻的電器件的對(duì)冷卻液的環(huán)境溫度要求一般各不相同。

4 串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)在純電動(dòng)汽車中的布置

串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)在純電動(dòng)汽車中，冷卻液在需要冷卻的電器件中循環(huán)，溫度呈階梯性升溫。如冷卻液在需要的冷卻的電器件中流向順序布置不當(dāng)，則很容易因冷卻液升溫過(guò)高，而導(dǎo)致需要冷卻的電器件對(duì)冷卻液的環(huán)境溫度要求相對(duì)較低的無(wú)法冷卻（見(jiàn)圖2）。故冷卻液流向按照需要冷卻的電器件對(duì)冷卻液的環(huán)境溫度要求，按由低到高順序排布（見(jiàn)圖3）。這樣布置的優(yōu)點(diǎn)在于冷卻液的溫度可以略微大于個(gè)別需要冷卻的電器件對(duì)冷卻液的環(huán)境溫度要求，從而減小了冷卻系統(tǒng)對(duì)散熱器散熱能力的要求。

由于一般動(dòng)力總成的電器件最佳工作環(huán)境溫度在（35±5）℃之間，而冷卻系統(tǒng)受空間環(huán)境限制，很難使動(dòng)力總成保持在最佳工作環(huán)境溫度，故在優(yōu)先考慮需要冷卻的電器件的對(duì)冷卻液的環(huán)境溫度要求條件后，如需要冷卻的電器件的對(duì)冷卻液的環(huán)境溫度要求相同，則冷卻液流向按需要冷卻的電器件的發(fā)熱量，按由低到高順序排布。這樣布置，可使盡可能多的需要冷卻的電器件在接近最適宜的溫度狀態(tài)下工作（見(jiàn)圖4）。反之則會(huì)使更多需要冷卻的電器件處于較差的溫度狀態(tài)下工作（見(jiàn)圖5）。

5 串聯(lián)式冷卻系統(tǒng)在純電動(dòng)汽車中的理論計(jì)算校核

4.1 冷卻系統(tǒng)散熱能力校核

冷卻系統(tǒng)散熱能力校核包括散熱器能力校核、風(fēng)扇參數(shù)計(jì)算校核、水泵流量的校核等，以下僅對(duì)散熱器能力校核、風(fēng)扇參數(shù)計(jì)算校核、水泵流量的校核這三點(diǎn)校核做理論計(jì)算介紹。

4.2 散熱器散熱能力校核

（1）散熱器散熱能力校核點(diǎn)應(yīng)在最大發(fā)熱功率工況，冷卻系中所有發(fā)熱件的最大發(fā)熱功率之和為P水。

（2）散熱器需要最大散熱功率為Pmax，參考汽車工程手冊(cè)，Pmax應(yīng)比P水大10%～25%，即：

Pmax=（1.1～1.25）P水

式中，輕型車和轎車取下限，中型以上的車輛和工程車取上限。

（3）散熱器散熱系數(shù)為k；

式中：

P測(cè)—實(shí)驗(yàn)測(cè)試中散熱器的散熱功率，kJ/h；

△t測(cè)—實(shí)驗(yàn)測(cè)試中液氣平均溫差，℃；

S—散熱器的散熱面積，m2；

根據(jù)散熱器試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算散熱系數(shù)k，kJ/（m2h℃）。

（4）散熱器需要的散熱面積為S0；

式中：

Δt—整車正常工作環(huán)境下的液氣平均溫差，℃；

Δt = twcp-tacp

式中：

twcp—冷卻液極限溫度（這里指冷卻系統(tǒng)涉及的部件正常工作時(shí)，所允許的冷卻液的最高溫度），℃；

tacp—熱平衡時(shí)空氣溫度，通過(guò)公式計(jì)算；

tacp = ta1+Δta

式中：

ta1—極限風(fēng)溫，汽車極限風(fēng)溫一般為40℃，ta1=40℃；

Δta—散熱器進(jìn)出空氣溫差，按公式計(jì)算；

Δ

式中：

Cpa—空氣定壓比熱，Cpa=1.0048kJ/kg℃；

Ff—散熱器芯子正面面積Ff；

γaVa—質(zhì)量風(fēng)速，kg/m2s；

其中空氣密度為γa=1.29kg/m3，Va為風(fēng)扇與散熱器裝配時(shí)所能達(dá)到的風(fēng)速。

（5）綜合上述，由散熱器的散熱面積S與散熱器需要的散熱面積S0做對(duì)比，判斷散熱器性能是否滿足整車動(dòng)力系統(tǒng)散熱需求。

4.3 風(fēng)扇性能參數(shù)計(jì)算校核

（1）風(fēng)扇外徑的校核

依據(jù)《汽車設(shè)計(jì)手冊(cè)》，風(fēng)扇掃過(guò)的環(huán)形面積占散熱器芯子正面面積的百分比應(yīng)大于45%。

（2）風(fēng)扇風(fēng)量的校核

冷凝器需要的最大散熱功率為P冷，散熱器需要的最大散熱功率為Pmax；

散熱器與冷凝器同時(shí)工作最大散熱功率為P總，即P總=P冷+Pmax；

按下式來(lái)校核風(fēng)扇所需的風(fēng)量V0；

式中：

γa—空氣密度，kg/m3，γa=1.29kg/m3；

Cpa—空氣定壓比熱，Cpa=1.0048kJ/kg℃；

Δt—整車正常工作環(huán)境下的液氣平均溫差，℃；

根據(jù)公式計(jì)算出不同工況下，風(fēng)扇所需的風(fēng)量V0與此時(shí)能達(dá)到實(shí)際風(fēng)量做對(duì)比，判斷風(fēng)扇性能是否滿足整車動(dòng)力系統(tǒng)散熱需求。

4.4 水泵流量的校核

為保證冷卻水在整個(gè)冷卻系統(tǒng)循環(huán)流動(dòng)，將熱量源源不斷帶出并散發(fā)掉，合適的水泵選擇是必要的。

水泵的選擇主要包括水泵的流量和揚(yáng)程，冷卻液在動(dòng)力總成的進(jìn)出水口的溫差為Δt1；

Pmax=CwρQΔt1

式中：

Pmax—散熱器需要最大散熱功率，kJ/h；

ρ—水的密度；ρ =1.0×103kg/m3；

Cw—水的定壓比熱；Cw=1.2W·h/kg·℃；

Q—水泵流量；

Δt1—冷卻液在動(dòng)力總成的進(jìn)出水口的溫差；

經(jīng)計(jì)算得出動(dòng)力系統(tǒng)最大散熱需求時(shí)，水泵所需流量V與實(shí)際水泵流量對(duì)比，判斷水泵性能是否滿足整車動(dòng)力系統(tǒng)散熱需求。

注：冷卻系統(tǒng)散熱能力理論數(shù)據(jù)計(jì)算校核方法（參考），因存在試驗(yàn)得出的系數(shù)較多，理論數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)仍存在差異，還需通過(guò)整車熱平衡試驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證當(dāng)前冷卻系統(tǒng)是否滿足整車的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

在純電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，一個(gè)良好的冷卻系統(tǒng)系統(tǒng)，需要考慮其空間布置、需冷卻電器的冷卻順序、冷卻系統(tǒng)各部件的散熱能力及功耗等多種因素。通過(guò)對(duì)冷卻系統(tǒng)布置，可以減小了冷卻系統(tǒng)對(duì)散熱器散熱能力的要求，而理論計(jì)算分析能夠?qū)ο到y(tǒng)各部件做性能校核比較直觀，二者結(jié)合能夠較好的反映冷卻系統(tǒng)性能情況。

在實(shí)際純電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，散熱器的選取一般是保證滿足動(dòng)力系統(tǒng)工作的散熱需求后，選取體積較小的，這樣才能有利于空間布置；水泵和電子風(fēng)扇的選取一般是保證滿足動(dòng)力系統(tǒng)工作的散熱需求后，選取功率較小的，這樣才能有利于降低功耗；最終降低成本，增加電動(dòng)汽車的使用性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]汽車工程手冊(cè)編輯委員會(huì)編.汽車工程手冊(cè).設(shè)計(jì)篇.第一版.北京：人民交通出版社，2001.6.

[2]長(zhǎng)春汽車研究所編.汽車設(shè)計(jì)手冊(cè).發(fā)動(dòng)機(jī).附件卷.1998.5.