48 V微混發動機電動智能冷卻系統

李丕茂，耿宗起，葛乃良，左蘭

(1.內燃機可靠性國家重點試驗室, 山東濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司發動機研究院，山東濰坊 261061)

0 引言

48 V微混技術是一種較理想的降油耗技術方案，在P0結構的48 V系統中，皮帶驅動起動/發電一體機(belt-driven starter generator, BSG)得到應用，取代了12 V的發電機[1-5]。由于電壓提高，整車電路系統允許使用更多的電器負載。

冷卻系統關系到發動機和整車系統能否正常工作，其功耗直接影響發動機和整車油耗。目前發動機電控冷卻系統的研究均基于傳統12 V系統，且大部分都是針對發動機暖機過程進行研究。

機械式水泵和發動機曲軸具有耦合關系，為了滿足大負荷時的冷卻需求，往往存在較大的匹配余量，冷卻系統功耗較大。文獻[6]綜合評述了車用發動機冷卻系統的研究進展，指出采用電控冷卻部件實現精確冷卻和分流式冷卻的有效整合是降低發動機油耗的有效手段。郭新民等[7]搭建了由電控節溫器、電控風扇、電控導風板和單片機組成的智能冷卻系統，試驗數據顯示智能冷卻系統的熱車時間比原冷卻系統縮短90%，百km油耗節省12.1%。韓松等[8]搭建了由電動水泵、電動風扇、電子節溫器和電加熱器組成的發動機全工況智能冷卻系統，試驗證明了該系統可以縮短暖機時間，降低暖機過程燃油消耗。盛德號等[9]采用單片機聯合控制電水泵和電風扇，對發動機冷起動和暖機過程進行研究，發現電水泵和電風扇的應用有助于縮短暖機時間，節約暖機過程燃油。曾宇航等[10]對電控冷卻系統進行仿真和優化研究，得出使冷卻系統功耗最小的方案。鄧義斌等[11]研究了電控冷卻系統的控制方法，指出采用變論域模糊控制的效果較優。

本研究在整合大功率電動水泵、電動風扇和電子節溫器的基礎上，開發了基于48 V電壓系統的水溫閉環控制策略，在一定程度上提高了冷卻液溫度，試驗研究了電動智能冷卻系統的節油機理和其在NEDC循環下的節油潛力。

1 試驗裝置和試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗以某2.5 L柴油機為本體機，按照P0的結構方案進行改造，在48 V電路中增加電動水泵和電動陣列風扇作為系統用電器。由于取消了12 V發電機，系統中增加了直流電壓轉換模塊(DC/DC)為原有12 V電路用電器供電，改造后的電路拓撲圖如圖1所示。

圖1 發動機電路拓撲圖

圖2 智能冷卻系統拓撲圖

試驗的智能冷卻系統由48 V電動水泵、48 V電動風扇和電子節溫器(電加熱石蠟式)組成，其拓撲結構如圖2所示。

1.2 試驗方案

試驗首先測試機械水泵和電動水泵在穩態工況下的能耗情況，評估在NEDC循環下2種水泵的能耗，通過電動智能冷卻系統將冷卻液溫度分別控制在80、100 ℃，測試風扇在2種溫度下的NEDC循環能耗。最后測試發動機穩態油耗受溫度的影響和冷卻液溫度為80、100 ℃時的NEDC循環油耗。

2 試驗結果與分析

2.1 機械水泵和電驅動水泵的穩態功耗分析

機械傳動式水泵一般由發動機曲軸經齒輪或皮帶傳動直接或間接驅動，水泵功率一般通過發動機最大熱負荷工況點(如額定功率點和最大扭矩工況點)來確定，由最大熱負荷點計算出機械水泵的工作轉速，進而確定水泵轉速和發動機轉速之間的速比，因此機械式水泵的功率只與發動機轉速相關，與發動機負荷無關。發動機負荷較低時，發動機散熱量較小，但機械水泵仍然以滿負荷時的轉速工作，冷卻水流量遠遠大于散熱需求，造成了能耗的浪費。如果采用電驅動冷卻水泵，就可以按照發動機負荷實時調節水泵工作轉速，節約能耗。

對機械水泵，曲軸機械能通過皮帶或者齒輪直接傳給水泵，能量路徑單一，傳遞效率高。對電動水泵，曲軸的機械能先傳給BSG電機發電，電能再經過儲存和釋放傳遞給水泵驅動電機，能量路徑復雜，傳遞效率低。機械水泵和電動水泵能量路徑對比如圖3所示。

圖3 機械水泵和電動水泵能量路徑對比

由于發電效率η2和電動效率η3一般處于80%～90%，因此，機械水泵的效率ηm大于電動水泵效率ηe，電動水泵必須降低能耗才能比機械式水泵更加節能。

圖4 機械水泵和電動水泵功率比較

通過機械水泵試驗臺直接測量機械式水泵在不同轉速下的功耗；通過測量電動水泵的供電電壓和工作電流，得到各轉速下電動水泵的功率，機械水泵和電動水泵在不同轉速下的功耗如圖4所示，可以看出，相同轉速下，電動水泵的功耗遠大于機械水泵。

2.2 NEDC循環下機械和電動水泵功耗分析

電動水泵的應用使水泵轉速和發動機轉速解除耦合關系，可以根據發動機實際的散熱需求實時調節控制水泵轉速。本試驗中對電動水泵的轉速進行了全工況優化標定，在保證發動機不出現局部過熱的前提下，盡量降低電動水泵的工作轉速，從而降低水泵功耗。優化后的電動水泵在滿負荷工況點保持和機械水泵相同的轉速，在中低負荷不同程度地降低了水泵工作轉速，負荷越低，水泵轉速降低的幅度越大。

測試結果表明，NEDC循環下原機械水泵的平均轉速為2051 r/min，優化后的電動水泵平均轉速為1016 r/min。經過計算，NEDC循環機械水泵平均功率為0.334 kW，優化后的電動水泵平均功率為0.142 kW。

驅動電動水泵的電能需要發動機做功產生，NEDC循環中，所用BSG電機的平均發電效率約85%，電池存儲和釋放電能的平均綜合效率約81%，因此水泵消耗的平均功率修正計算為0.206 kW。綜上，在NEDC循環中，優化后電動水泵的功耗相對于機械水泵降低約38%。

2.3 電動風扇能耗評估

圖5 風扇散熱器結構示意圖

圖5為試驗用的風扇和散熱器結構示意圖，使用2臺48 V電動風扇，其中靠近進水口一側(高溫側)的風扇命名為風扇2，靠近出水口一側(低溫側)的風扇命名為風扇1。

試驗室測試了發動機固定工況下2臺風扇的冷卻規律，在無迎風的條件下，組合調節2個電動風扇的轉速使發動機冷卻液溫度固定在85 ℃，得到如圖6的一組功耗曲線，圖中的功耗為對應轉速下風扇1和風扇2的功耗和。

圖6 2臺風扇功耗曲線

從圖6可以看出，固定工況下，為達到相同的散熱效果，優先使用散熱器高溫側的風扇2時風扇的總能耗更低。

在試驗室環境下測量了電動風扇在NEDC循環下的功耗，發動機冷卻液溫度維持80 ℃時風扇平均功耗為0.108 kW，發動機溫度維持100 ℃時風扇平均功耗為0.043 kW，隨著冷卻液溫度的上升，風扇的平均功耗降低約60%，這是因為隨著冷卻液溫度的提高，發動機總散熱量降低，需要的風扇轉速降低，所以風扇功耗降低[12]。

圖7 1500 r/min水溫對油耗影響曲線

2.4 水溫對發動機穩態油耗的影響

穩態試驗選取了發動機常用轉速1500 r/min時的低中高3個負荷工況，測試油耗隨水溫升高的變化情況，結果如圖7所示。從圖7可以看出，在1500 r/min低負荷下，隨水溫的升高油耗下降趨勢明顯，降幅達到1.6%；中間負荷時仍可見下降趨勢，降幅為0.6%；高負荷時油耗隨水溫的變化趨勢不明顯。

2.5 智能冷卻系統的控制水溫精度和節油能力

保持電池荷電狀態(state of charge，SOC)守恒，在NEDC循環下對水溫控制效果和油耗進行測試，NEDC循環試驗中使用了自主開發的水溫閉環控制策略。

圖8 NEDC循環發動機出水溫度的變化

圖8為NEDC循環中發動機出水溫度的變化情況。實測水溫的控制偏差為-3.6～5.1 ℃，即使出水溫度提高到100 ℃，該電動智能冷卻系統仍能精確控制水溫，使通過提高發動機出水溫度來降低油耗具備了可行性。

使用水溫閉環控制策略分別控制發動機水溫維持在80 ℃和100 ℃，用油耗儀測量發動機循環總油耗。試驗結果顯示：與水溫為80 ℃、采用機械水泵、普通節溫器、電動風扇工況下相比，水溫為100 ℃、采用電動水泵、電子節溫器、電動風扇情況下的NEDC循環油耗降低了3.34%。

3 結論

1)考慮到發電機、電池充放電及電動機的效率，相同轉速下，機械水泵的功耗低于電動水泵的功耗。但由于電動水泵解除了與發動機曲軸的機械耦合，在保證發動機不出現局部過熱的前提下，允許采用更低的轉速，經過優化標定，NEDC循環中，電動水泵功耗可以比機械水泵降低38%。

2)對于含2個風扇的陣列風扇組合，在達到相同冷卻能力的前提下，優先采用靠近散熱器入水口側的風扇可以使風扇功耗更低。由于冷卻液溫度的提高，發動機總散熱量降低，風扇轉速和功耗降低。NEDC循環下，發動機冷卻液溫度從80 ℃提升到100 ℃，風扇的平均功耗降低60%。

3)采用電動水泵、電子節溫器和電動風扇的智能冷卻系統可以在目標水溫為100 ℃的情況下精準控制水溫。水泵和風扇的功耗降低，水溫從80 ℃提升到100 ℃帶來的散熱量減小及摩擦降低等可以使NEDC循環油耗降低3.34%。