一種電動商用車熱管理系統的設計研究

宋峰偉 蘇楠 范浩

摘 要：一種純電動重型商用車熱管理系統，采用電控三通閥方案控制PTC加熱循環系統和電機冷卻循環系統回路的開啟及關閉，將驅動電機冷卻循環系統作為輔助采暖裝置。采用此方案后，可有效降低PTC的開啟時間，從而降低整車在特定工況下的能耗，有效延長車輛在特定工況下的續航里程。

關鍵詞：純電動;PTC;電機;熱管理系統

中圖分類號：U469.7? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）17-66-03

Design and Research of the Utility Model Relates to An Electric Commercial

Vehicle Thermal Management System

Song Fengwei， Su Nan， Fan Hao

（ Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Research Institute， Shaanxi Xian 710119 ）

Abstract： The utility model relates to a pure electric heavy commercial vehicle thermal management system， which adopts the electrically controlled three-way valve scheme to control the opening and closing of the PTC heating cycle system and the motor cooling cycle system loop， and USES the drive motor cooling cycle system as an auxiliary heating device. After adopting this scheme， the opening time of PTC can be effectively reduced， so as to reduce the energy consumption of the vehicle under specific working conditions and effectively extend the mileage of the vehicle under specific working conditions.

Keywords： Pure electric; PTC; Motor; Thermal management system

CLC NO.： U469.7? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-66-03

引言

汽車純電動化已經是全球汽車產業的一種主流發展方向，但續航里程焦慮的問題一直未得到有效改善，純電動汽車主流熱管理系統采用PTC水加熱器對乘員艙及電池包進行加熱，從而達到與傳統燃油車輛類似的熱管理效果，但PTC能耗相對較大，長期開啟對純電動汽車續航里程會產生嚴重的影響，尤其是北方城市冬季開啟暖風后，車輛續航里程往往只有夏季的一半多，部分司機為了達到長續航的目標，甚至不開暖風，導致新能源汽車在冬季的舒適性嚴重下降。

1 電動商用車熱管理系統現狀

目前新能源商用車熱管理系統主要有兩種方案：1、將電機控制器、驅動電機、PTC、暖風芯體串聯在一起，開啟暖風后，整個循環系統中的冷卻液由PTC和電機水套共同進行加熱，由于此種循環系統較為龐大，電機高功率運行時可以輔助PTC給冷卻液進行加熱，但在冷車啟動或電機低功率運行工況時，電機散熱量較小，主要依靠PTC加熱冷卻液，會導致整車熱管理系統能耗嚴重增高;2、PTC加熱系統和電機冷卻系統完全獨立，此種循環系統相對于第一種系統的優勢在于，暖風循環系統冷卻液容量較小，開啟暖風后PTC只需要加熱獨立出的暖風系統的冷卻液，但電機冷卻液無法參與暖風系統循環，無法有效利用電機高功率工況時產生的熱量，耗能比前一種略低，但整套熱管理系統開啟暖風后綜合能耗依然很高。

根據目前商用車驅動電機及電機控制器現狀，電機的最佳工作溫度在60～120度之間，最高允許溫度不超過140度，電機控制器的最佳工作溫度在40～60度之間，最高允許溫度不超過80度，溫度過高會嚴重影響整套系統硬件的使用壽命和運行效率，圖1所示為現有純電車型驅動電機和控制器溫度采集數據。

2 一種新型的熱管理系統研究

2.1 方案概述

如圖2所示，將電機控制器冷卻循環系統獨立出來;如圖3所示，將驅動電機、PTC、暖風芯體納入一整套熱管理系統，將電機的正常工作溫度提升至80～100度，基于冷卻液溫度傳感器實時采集的冷卻液溫度信息，由整車控制器分別控制PTC、電動水泵的開啟和關閉、控制電控三通閥的開啟方向（即冷卻液的流向），從而最大限度的采用電機冷卻液給駕駛室采暖，有效降低PTC的使用頻率，達到降低整車能耗的目的。

整套熱管理系統在原車基礎上，只需要增加電控三通閥和冷卻液溫度傳感器即可，根據冷卻液溫度傳感器采集的實時溫度信息，由整車控制器實時控制PTC、電動水泵、電控三通閥的開啟和關閉，控制邏輯簡單，對原車的硬件、控制模塊改動較小，具有易于實現，能效優異的特點。

2.2 方案原理介紹

本套系統由兩部分獨立的循環系統構成，其中，圖3所示系統的主要功能是冷卻驅動電機、通過PTC或驅動電機加熱的冷卻液給駕駛室提供暖風，根據不同工況，由VCU控制電控三通閥V1/V2/V3的開啟方向，冷卻液通過循環1至循環4，分別流經不同循環系統;圖2所示系統的主要功能是冷卻驅動電機控制器，冷卻液流經循環5/循環6，達到單獨對電機控制器進行冷卻的目的。

2.3 方案具體實施方式

圖3所示系統有以下幾種工況：

工況1：未開啟暖風，溫度傳感器T的溫度低于預設最高溫度值，此時電動三通閥V1開啟1/2口，電動三通閥V2/V3關閉，電動水泵1/2均關閉，PTC關閉，冷卻液流經循環1/2，以此快速達到電機的正常工作溫度。

工況2：未開啟暖風，溫度傳感器T的溫度超過預設最高溫度值，此時電動三通閥V1開啟1/2口，電動三通閥V2/V3均關閉，電動水泵1工作，電動水泵2關閉，PTC關閉，冷卻液流經循環1/2;當溫度傳感器T的實時溫度值低于預設的最低溫度值時，再次進入工況1模式。

工況3：開啟暖風，溫度傳感器T的實時溫度低于預設中值，此時電動三通閥V1開啟1/2口，電控三通閥V2/V3均開啟1/2/3口，電動水泵1關閉，電動水泵2工作，PTC開啟，冷卻液分別流經循環1/2和循環3/4，此時由PTC作為暖風的唯一熱量來源;當溫度傳感器T的實時溫度超過預設中值時，進入工況4模式;

工況4：開啟暖風，溫度傳感器T的實時溫度超過預設中值，此時電動三通閥V1/V2均開啟1/3口，電動三通閥V3開啟1/2/3口，電動水泵1工作，電動水泵2關閉，PTC關閉，冷卻液流經循環1/4，此時由電機冷卻液作為暖風的唯一熱量來源;當溫度傳感器T的實時溫度低于預設中值時，再次進入工況3模式，當溫度傳感器的實時溫度高于預設最高值，進入工況5模式。

工況5：開啟暖風，溫度傳感器T的實時溫度超過預設最高值，此時電動三通閥V1/V3均開啟1/2/3口，電動三通閥V2開啟1/3口，電動水泵1工作，電動水泵2關閉，PTC關閉，冷卻液流經循環1/2/4，此時由電機冷卻液作為暖風的唯一熱量來源;當溫度傳感器T的實時溫度低于預設中值時，再次進入工況4模式。

圖2所示系統的工作情況如下：

驅動電機控制器從原有的冷卻系統中獨立出來，根據控制器自帶的溫度傳感器采集的溫度信息，由整車控制器控制電動水泵的開啟和關閉，達到給驅動電機控制器冷卻的目的。

3 應用效果分析

臺架測試電機和控制器實時溫度數據如圖4所示，電機的常用工作溫度在70到90℃之間，冷卻系統溫度足夠達到給駕駛室采暖的目的。

4 結論

本文主要內容是針對現有純電動商用車熱管理系統的不足之處，作出一些針對性的改善，根據實驗數據，可得出以下結論：

本文描述的這種類型的熱管理系統，在車輛正常運行工況下，可以使電機的常用工作溫度提升至70到90℃之間，冷卻液流經暖風芯體后，基本滿足駕駛室的采暖需求。

參考文獻

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