純電動客車冷卻系統的能耗優化

高 翔，崔俊杰，汪桂金，黃培元

（1.中北大學能源動力工程學院，山西 太原 030051；2.中北大學機電工程學院，山西 太原 030051；3.上汽集團商用車分中心大客車分中心，上海 201108；4.上汽集團商用車分中心大客車分中心，上海 201108）

1 引言

環境污染、汽車尾氣排放等是傳統客車的主要缺點，因此純電動客車是未來新型客車的發展方向，并得到了政府和企業的積極的開發和推廣應用。如今，大多電動客車冷卻系統雖然能滿足基本的散熱以及工作要求，但仍然存在著不少的問題，比如環境適應性差、工作效率低、能源消耗大等。為使新能源客車冷卻系統的性能得到優化，許多文獻提出了針對其配件的能耗控制策略，并進行了仿真和試驗驗證。文獻[1]使用AMESim 建立了發動機冷卻系統，提出了對冷卻系統各零件參數進行匹配的研究方法，為發動機冷卻系統前期設計縮短了時間。文獻[2]對電動汽車的發熱原理與冷卻系統進行了詳細分析，以降低能耗為目標，開發出電動汽車最優冷卻溫度的控制策略。文獻[3]通過仿真設置極限工況，以散熱器芯體機構作為變量針對發動機冷卻系統的冷卻性能進行了詳細計算并分析出了最優散熱器參數范圍，為散熱器選項設計提供了理論參考。文獻[4]對某型發動機進行了冷卻系統的設計與研究，為發動機冷卻系統的匹配和分析提供了可行有效的方法。文獻[5]并搭建電控冷卻系統試驗臺架，并對發動機冷卻系統提出的幾種控制進行了試驗，驗證了合適的控制策略，大大提高了冷卻系統的性能。前人文獻中大多是針對系統部件結構優化以及多種控制方法應用。

在以往文獻的研究參考下，提出通過對電動客車冷卻系統的可控關鍵部件進行仿真計算、臺架試驗和實車轉股試驗，獲得電動客車冷卻系統的最優工作參數，為電動客車冷卻系統的性能提升提供了設計基礎。

2 電動客車冷卻系統分析

純電動客車的冷卻系統主要是針對驅動電機以及電機控制器等關鍵發熱部件進行冷卻。該系統主要包括散熱器、電子風扇、電子水泵，如圖1 所示。其中冷卻液帶走發熱源的熱量；電子水泵為冷卻液提供動力；散熱器在風扇的導流作用下將冷卻液中的熱量傳遞至空氣中。電子風扇和電子水泵都是采用獨立電控模式，通過控制器輸入風扇和水泵相應的PWM 信號來控制其輸出流量。風扇與水泵由電動客車24V 低壓系統供電。

圖1 電動客車冷卻系統Fig.1 Electric Bus Cooling System

根據以上分析可知，純電動客車熱源主要有驅動電機、電機控制器、動力電池等。因此主要發熱功率為：

式中：Pm—電機發熱功率；Pc—電機控制器發熱功率；Pb—電池發熱功率。

2.1 散熱器

客車中最常用的散熱器采用板翅式散熱片，散熱器內部流動為垂直流式，冷卻液進出口為左進右出式。散熱器的散熱性能主要考慮散熱器的散熱量[1]：

式中：A—散熱器面積；Ks—散熱器傳熱系數：表示當冷卻水和空氣之間的溫差為1℃時，每小時通過1 與空氣接觸散熱表面所散走的熱量；Δt—進出口冷卻液的溫差。冷卻系統熱平衡方程為[8]：

式中：q1—冷卻系統內循環的冷卻液流量；Cp1—冷卻液的比熱容；Δt1—冷卻液出入水口溫差；Δt2—冷卻空氣的出入溫差；q2—冷卻空氣的流量；Cp2—空氣比熱容。

根據理論計算以及實際應用情況，實際實驗參數選取，如表1 所示。

表1 散熱器結構參數Tab.1 Radiator Structure Parameters

2.2 冷卻風扇

在實際客車中冷卻風扇的性能評價由風壓、流量、功率、效率所決定，冷卻風扇的理想工作狀態應該是在一定的靜壓之下可以導流大量的冷卻空氣與散熱器進行充分接觸，達到冷卻的目的。風扇的最佳工作區域應該處于風量的中間狀態，風扇最佳工作范圍示意圖，如圖2 所示。從圖中可以看出，風扇靜壓曲線與系統阻抗曲線的交點為風扇的最優工作點[7]。客車冷卻風扇是以PWM 占空比作為輸入信號來控制風扇轉速，風扇占空比與轉速成線性關系。

圖2 風扇工作范圍最優示意Fig.2 Optimal Schematic Diagram of Fan Working Range

氣體溫度通過風扇的作用的變化可用如下公式計算[3]：

式中：t1—空氣入口溫度；p1、p2—進出口壓力；γ—比熱容比；Ciseff—等熵效率。

風扇的消耗機械功率根據下式計算[3]：

式中：qva—風扇流量；pa—風扇輸出壓力；ηa—風扇總效率。

結合散熱器性能等經驗值，選取風扇基本參數，如表2 所示。

表2 冷卻風扇參數Tab.2 Cooling Fan Parameters

2.3 電子水泵

純電動客車采用的水泵為電子離心泵，同樣是以PWM 占空比作為輸入信號來控制轉速。冷卻水泵與風扇的工作性能圖類似。根據電動客車冷卻系統中水泵的流量與功率之間的關系為[9]：

式中：Ppump—水泵功率；Z—系統阻抗；qv—水泵流量。

根據式（6）可看出水泵功率與流量的三次方成比例關系，當流量較小的時候，功率與流量比值也就是斜率較小，功率的較小增長就能獲得流量的較大增長，當流量大到一定程度時，需要較多的功率增長才能獲得較小的流量增長，導致能量的浪費。因此，使水泵工作于近線性區域時可獲得最大流量功耗比。水泵的基本參數，如表3 所示。

表3 泵參數Tab.3 Pump Parameters

3 仿真分析

在實際中，電動客車冷卻系統往往無法工作在最優工作狀態，會造成能耗的額外浪費。根據以上散熱理論的分析，風扇與水泵開啟后在中負荷階段的工作效率較高，且能耗相對較低，因此根據純電動客車冷卻系統結構搭建了仿真模型，如圖2 所示。并對電動客車冷卻系統中風扇與水泵的最優工作范圍進行了仿真計算。為了方便試驗驗證，環境溫度設置為35℃，且將發熱總功率簡化成可控的發熱源。散熱器的散熱能力與熱源功率大小、水泵風扇的開啟程度相關，所以散熱性能主要與冷卻液出入口溫度和環境溫度相關，定義h 為冷卻系統的散熱能力系數：

式中：ΔT1—進出水口的溫差；ΔT2—進水口溫度與環境溫度的溫差。

3.1 電子水泵的最佳工作策略

根據以上對電子水泵的分析得出水泵在近線性區域內工作為最佳，但考慮到水泵的低功率運行可能導致風扇在高功率狀態下工作進而影響冷卻系統的整體散熱性。為了探索水泵運行功率與風扇運行功率之間的關系，以及對散熱性能的影響，仿真以風扇占空比分別為50%、60%、80%、95%與水泵占空比分別為35%、50%、70%、95%交叉仿真計算。系統散熱能力系數通過式（7）計算得出，并且統計繪制折線圖，如圖3 所示。熱源功率為5kW 的仿真結果統計，熱源功率10kW 的仿真結果統計，如圖4 所示。通過曲線走向可以推斷出水泵在PWM 占空比為35%時對冷卻系統的散熱性能影響最大。

圖3 冷卻系統仿真模型Fig.3 Cooling System Simulation Model

圖4 5kW 交叉試驗計算Fig.4 5kW Cross Test Calculation

圖5 10kW 交叉試驗計算Fig.5 10kW Cross Test Calculation

3.2 風扇經濟工作范圍

基于實車冷卻風扇的控制邏輯，模型通過熱源功率恒定的情況下，比較風扇不同門限值對功耗的影響。根據冷卻系統設計需求，風扇在出水口水溫達到60℃時以最高PWM 占空比工作，為了找到風扇每小時功耗最低工作點，對風扇的最低開啟溫度進行測試計算。仿真通過固定水泵占空比、邏輯門限控制，在不同熱源的情況下，風扇不同開啟溫度的耗電仿真結果統計，如圖6 所示。從結果分析可以看出，不同熱源下，風扇以43℃為開啟溫度的小時耗電量均低于其他開啟溫度。

圖6 風扇開啟溫度Fig.6 Fan on Temperature

4 試驗驗證

通過設計的仿真模型搭建電動客車冷卻系統試驗臺架，如圖7 所示。通過功率可控的中央空調加熱器模擬車載電機的發熱源；搭建與車輛冷卻系統基本一致的水循環系統，管路長度與實車一致，并加裝水流量傳感器和關鍵位置的水溫度傳感器，盡量減少傳感器對管路水阻的影響；搭建與車輛一致的散熱器以及風扇系統；搭建冷卻系統的熱管理控制系統以及電耗數據采集系統。試驗在環境溫度為35℃下進行。

圖7 冷卻系統試驗臺架Fig.7 Cooling System Test Bench

4.1 水泵臺架開環試驗

圖8 5kW 水泵試驗Fig.8 5kW Pump Test

圖9 10kW 水泵試驗Fig.9 10kW Pump Test

風扇和水泵均是基于冷卻系統溫度按邏輯門限值控制，為了避免風扇水泵在開機與關機兩種狀態下頻繁切換，開關溫度設置回滯區。由于仿真與實際試驗存在一定的誤差，所以仿真與試驗得出的散熱能力系數會有一定的偏差。通過仿真測試出的數據圖4、圖5 與試驗數據圖8、圖9 兩組圖相比較可以看出，仿真與試驗結果具有一定誤差，但曲線規律大致相同，所以通過AMESim 搭建的純電動客車冷卻系統的仿真模型能夠提供有較為可靠的計算結果。當熱源為5kW 時，隨著風扇占空比的增加，水泵占空比在35%時，系統散熱能力系數相比水泵在更高的占空比時的散熱能力系數要高出許多，可以達到0.25 左右；當熱源為10kW 時，風扇占空比從50%增至70%，系統散熱能力系數的增加較為明顯，且水泵占空比為35%時散熱能力系數高達0.35 左右。可以看出當水泵占空比為較低的35%時系統散熱能力系數為最高，即水泵的較小占空比對系統的散熱能力系數的起主導作用，且熱源功率較低時，風扇轉速的提高對系統散熱能力系數的提高影響較小。

4.2 風扇臺架閉環試驗

電子風扇需要在控制邏輯固定、水泵恒定占空比，以及不同熱源功率的前提下進行閉環試驗。試驗結果曲線與仿真數據的對比可以看出，仿真的能耗曲線波動較大，通過四條曲線可以看出，熱源功率越低，對風扇的每小時能耗影響越低，即風扇無需以大功率狀態工作。隨著熱源功率的增加，風扇的每小時能耗曲線波動也越為明顯，尤其熱源功率為20kW 時曲線波動最為明顯。四條曲線在風扇開啟溫度為43℃時出現最低值。由此看出，電子風扇在此開啟溫度下工作，風扇能耗最低。

圖10 風扇開啟溫度試驗Fig.10 Fan on Temperature Test

5 純電動客車轉股試驗臺試驗數據分析

5.1 散熱溫度數據分析

圖11 優化前散熱器出水口溫度Fig.11 Optimize the Front Radiator Outlet Temperature

圖12 優化后散熱器出水口溫度Fig.12 Optimized Radiator Outlet Temperature

經過仿真計算與臺架試驗驗證，最終確定控制邏輯的參數，針對控制邏輯進行實車試驗。試驗數據通過CAN 線采集生成數據圖。環境溫度為28℃，優化前的散熱器出水口溫度，如圖11 所示。車輛啟動后在600S 時溫度開始急速上升，散熱器出水口溫度多次達到40℃，即風扇會總以大功率工作，能耗較大，且在4700s之后，出水口溫度在39.5℃附近波動。通過優化后的散熱器出水口溫度，如圖12 所示。車輛在啟動后1000s 后溫度開始緩慢上升，最高溫度在維持在39℃左右，相比優化前最高溫度降低了1℃，即風扇無需以最大功率長時間工作，節省了大量能耗。優化前后散熱器出水口溫度范圍均在控制范圍之內。

5.2 風扇水泵耗能情況

電動客車冷卻系統在優化之前，水泵為不可調節水泵，通過測試兩小時風扇工作，能耗為717.45Wh；水泵耗能為365.836Wh。經過優化后冷卻系統改用可調電子水泵，且按邏輯門限進行控制后，風扇工作兩小時的耗能為176.8Wh，水泵耗能77.14Wh，優化前后冷卻系統總能耗降低非常明顯。

6 結論

為滿足純電動客車冷卻系統的能耗優化，仿真計算、臺架試驗、均在環境溫度為35℃的前提下進行，最終確定風扇與水泵的最優工作點。最后以此優化策略進行了試車試驗，試驗與仿真結果均表明：

（1）風扇以最低開啟溫度為43℃時，每小時能耗最低。

（2）水泵在PWM 占空比為35%時對冷卻系統的散熱性能影響最明顯。

（3）冷卻系統優化后的出水口最高溫度相比優化前降低了1℃。

（4）通過風扇與水泵的參數優化，純電動客車冷卻系統在保證散熱效果良好的前提下，降低了大量能耗。