插電式混動汽車熱管理構型和性能試驗研究

王遠 張建凱 牟連嵩

（中國汽車技術研究中心有限公司）

由于全球氣候變暖和能源短缺，越來越多的研究集中在插電式混合動力汽車等新能源汽車上[1-2]。插電式混合動力汽車具有多個動力源，并且更大程度地向電氣化方向轉變[3]。動力電池、電機、充電機、功率電子都需要熱管理，導致對熱管理系統的組件、回路的復雜程度和控制策略都會增加新的要求[4-5]。插電式混合動力汽車的熱管理系統，主要有4 個溫度控制區間的回路：一是高溫部件，如發動機、發動機機油、變速箱等，工作溫度在95℃以上；二是中溫部件，如電機、中冷器等，工作溫度在65℃左右；三是中低溫部件，如功率電子等，工作溫度在50℃左右；四是動力電池，其工作溫度在40℃以內[3]。文章以一款混合動力汽車為研究對象，分析了插電式混合動力汽車熱管理系統的構型，并通過試驗分析混動模式下不同工況熱管理系統的性能，以期為插電式混合動力汽車熱管理系統的設計開發提供借鑒。

1 熱管理系統構型分析

文章研究對象為一款插電式混合動力汽車，其混動構型為P2 并聯式結構，由1.4 T 增壓發動機、電機、6速變速箱和高壓動力電池組成。需要通過熱管理技術實現對不同工作溫度區間的零部件及系統的有效冷卻，以及乘員艙的空調降溫和采暖的溫度控制。

1.1 冷卻系統

這款插電式混合動力汽車設計了4 個獨立的冷卻回路，如圖1 所示。

圖1 某插電式混合動力汽車熱管理系統布置圖

高溫回路由散熱器3、發動機冷卻、變速箱油冷器和乘員艙采暖的暖風芯體組成。在低溫冷啟動時，發動機快速暖機，電加熱器（PTC）可做輔助加熱，為乘員艙提供暖風，保證乘員的舒適性。暖機之后，PTC 關閉，利用發動機余熱對變速箱油進行加熱，提高變速箱效率，并為乘員艙提供暖風，降低能耗。高溫環境中，散熱器3配合風扇對發動機和變速箱進行有效冷卻。

中溫回路由散熱器2、水冷中冷器、電機冷卻、增壓器蝸殼冷卻組成。其中水冷中冷器集成在進氣歧管中，這種布置結構緊湊，冷卻效果比傳統的風冷中冷器好[6]。

中低溫回路包含低溫散熱器1、充電機和功率電子冷卻。動力電池冷卻回路通過電池冷卻器（chiller）以空調回路中的冷媒對電池包冷卻液進行冷卻，保證電池包在高溫環境中的溫度可控制在40℃以內。

1.2 空調系統

由圖1 可以看出，空調系統中冷凝器布置在低溫散熱器1 后，冷媒通過冷凝器冷凝后，分成2 個并聯回路，一個回路通過蒸發器為乘員艙進行降溫，另一個回路通過chiller 換熱器對電池包冷卻液進行冷卻，這2 個回路通過電磁閥和膨脹閥來控制回路通斷和冷媒的流量。

2 試驗方法

2.1 試驗設備

熱管理試驗在環境模擬試驗室完成，設備包括底盤測功機、冷卻風機、轉轂、陽光模擬系統、功率分析儀、溫度等傳感器。

2.2 試驗工況

為了考察本款車型在高溫環境中，混動模式下熱管理系統是否能有效地滿足整車冷卻和空調的需求，以及動力電池電量（SOC）的不同對熱管理系統的表現的影響，設計了以下高溫工況，如表1 所示。其中低SOC 是指 SOC≤20%；高 SOC 是指 SOC≥80%。

表1 熱管理試驗工況

3 結果分析

3.1 冷卻系統性能

通過對表1 中不同的試驗工況進行測試，獲得了混合動力汽車高溫、中溫、低溫和電池循環回路冷卻性能試驗結果，如圖2～圖5 所示。

圖2 工況一各冷卻回路冷卻性能

圖3 工況二各冷卻回路冷卻性能

圖4 工況三各冷卻回路冷卻性能

圖5 工況四各冷卻回路冷卻性能

在車速為40 km/h，爬坡度為10%的穩態工況下，動力電池高、低SOC 狀態對發動機回路、電機和功率電子水溫影響比較小，而對動力電池回路水溫有比較明顯的影響。由圖2～圖3 可知，發動機回路水溫迅速上升至發動機大循環開啟，達到熱平衡溫度為103℃，電機回路熱平衡水溫為65℃，功率電子回路熱平衡水溫為55℃。動力電池為低SOC 工況時，發動機大部分電流提供給電動壓縮機，給電池包充電的電流小，同時電池放電電流也小，電池包的發熱量比高SOC 時小，因此低SOC 工況電池包回路冷卻介入時間比高SOC 工況晚，但是達到平衡的溫度是一致的。

由圖4～圖5 可知，在NEDC（新標歐洲循環工況）下，開始的城市循環階段的功率需求比較低，發動機、電機、功率電子的發熱量小，因此各個回路的冷卻液水溫上升緩慢，市郊高速工況發動機的功率需求高，水溫上升較快。在NEDC 循環結束時，不同動力電池電量（SOC）狀態的工況，發動機最高溫度基本一致，可達到95℃，電機回路水溫低于60℃，功率電子水溫低于55℃。而動力電池高、低SOC 狀態對動力電池回路水溫有比較明顯的影響，與穩態工況時的影響趨勢一致，低SOC 工況電池包回路冷卻介入時間比高SOC 工況晚。

3.2 空調系統性能

根據表1 的試驗工況進行測試，通過分析空調出風口溫度和乘員艙頭部溫度的試驗數據，評估研究對象的空調系統性能，如圖6～圖7 所示。

圖6 工況一、二、三和四乘員艙空調出風口溫度

圖7 工況一、二、三和四乘員艙頭部溫度

由圖6、圖7 可知，在高溫環境不同工況下乘員艙空調出風口溫度控制在10℃左右，乘員艙頭部平均溫度控制在26～27℃左右；穩態爬坡工況（工況一和二）的車速比NEDC 循環的平均車速高，冷凝器進風量大，空調出風口溫度低于NEDC 循環工況的出風口溫度，空調性能更好。動力電池低SOC 時，動力電池換熱器chiller 分配冷媒的流量少，乘員艙制冷回路分配的冷媒流量多，因此動力電池低SOC 工況比高SOC 工況的空調制冷效果好。

4 結論

1）該款插電式混合動力汽車的熱管理系統結構復雜，由不同溫度控制區間的四大冷卻回路和乘員艙空調降溫回路組成；2）高溫極限工況和循環工況下，各冷卻回路可精準控制冷卻液溫度，保證了不同工作溫度零部件的正常工作；3）高溫環境不同工況下，乘員艙空調出風口溫度控制在10℃左右，乘員艙溫度控制在26～27℃左右，滿足乘客空調熱舒適性要求；4）電池包不同電量（SOC）下，車輛動力部件的工作模式不同，發熱量有差別，導致熱管理系統工作狀態不同。