某電動(dòng)車暖風(fēng)系統(tǒng)冷卻液回路除氣性能研究

陳 俊， 鮑建名， 陳鵬程， 段勝利

（濰柴動(dòng)力股份有限公司， 上海 201100）

1 研究背景

2019年初W集團(tuán)試制了一臺(tái)純電動(dòng)輕卡樣車，其乘員艙的空調(diào)暖風(fēng)系統(tǒng)采用了主流的高電壓水暖加熱器 （WPTC）的技術(shù)路線，即增加高電壓水暖加熱器、膨脹水箱、水泵、暖水管路與原車暖風(fēng)芯體形成封閉水循環(huán)系統(tǒng)［1］，通過(guò)WPTC加熱冷卻液，冷卻液流經(jīng)暖風(fēng)芯體與乘員艙進(jìn)行換熱來(lái)保證整車的采暖、除霜性能。

但在對(duì)車輛進(jìn)行調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)WPTC工作一段時(shí)間會(huì)自行停機(jī)，同時(shí)，每當(dāng)暖風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)膨脹水箱的冷卻液即呈現(xiàn)白色“泡沫”狀。對(duì)故障車輛進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)封閉的冷卻回路中無(wú)污染，水泵工作狀態(tài)正常，管路接頭處密封正常、無(wú)泄漏現(xiàn)象，重負(fù)荷冷卻液HEC-Ⅱ-25℃正常 （綠色），WPTC在裝車前臺(tái)架測(cè)試的性能也正常。根據(jù)文獻(xiàn)［2］對(duì)冷卻循環(huán)系統(tǒng)在使用中不可避免地會(huì)存在一定量的氣體，進(jìn)而導(dǎo)致傳熱和內(nèi)部流動(dòng)問(wèn)題，需要盡量減少初次加注后冷卻系統(tǒng)內(nèi)的殘余空氣量，加快冷卻系統(tǒng)內(nèi)的除氣速率的研究；文獻(xiàn)［3］關(guān)于冷卻系統(tǒng)管路內(nèi)容易出現(xiàn)氣體與冷卻水之間相互阻塞，導(dǎo)致管路內(nèi)壓力增大，造成系統(tǒng)水溫上升過(guò)快或過(guò)高的分析結(jié)論。本文根據(jù)故障現(xiàn)象，從冷卻液內(nèi)流道參數(shù)、膨脹水箱的布置、除氣管路、冷卻液加注過(guò)程、控制邏輯等方面對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，并通過(guò)增加水閥、優(yōu)化冷卻液回路除氣性能的方案解決了故障，最終在臺(tái)架試驗(yàn)、整車采暖試驗(yàn)中證明了方案的有效性。

2 問(wèn)題介紹

在故障車輛的暖風(fēng)芯體進(jìn)、出水管管壁布置了溫度傳感器，接著在外環(huán)境溫度為0℃時(shí)，將暖風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整至外循環(huán)、最大功率采暖、吹腳、最大風(fēng)量模式，采集暖風(fēng)芯體的進(jìn)、出水溫度，最后將數(shù)據(jù)繪制成如圖1所示的散點(diǎn)圖。

圖1 故障車暖風(fēng)進(jìn)、 出水溫度

數(shù)據(jù)表明，400s前暖風(fēng)芯體的進(jìn)、出水溫度差在15℃左右，可說(shuō)明采暖系統(tǒng)工作較正常，且乘員艙內(nèi)鼓風(fēng)機(jī)、芯體的性能沒(méi)有問(wèn)題。但在1100s時(shí)，暖風(fēng)芯體的進(jìn)水溫度達(dá)到了101℃，在1300s后WPTC停止加熱工作；并且前600s內(nèi)暖風(fēng)進(jìn)、出水溫度波動(dòng)不大，但600 ～1200s 之 間進(jìn)、出水溫度呈現(xiàn)劇烈的上下波動(dòng)。同時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中觀察到膨脹水箱中液面上層出現(xiàn)白色“泡沫”狀物質(zhì)，將除氣管更換為透明膠管后，發(fā)現(xiàn)如圖2所示的“泡沫”狀混合物。

圖2 除氣管中 “泡沫” 混合物

3 暖風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介及原因分析

3.1 暖風(fēng)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖3為此電動(dòng)車暖風(fēng)系統(tǒng)冷卻液側(cè)框圖，其工作原理為WPTC加熱水泵輸送來(lái)冷卻液，冷卻液被WPTC的發(fā)熱體加熱后在水泵的作用下進(jìn)入暖風(fēng)芯體，暖風(fēng)芯體與乘員艙內(nèi)冷空氣進(jìn)行熱交換進(jìn)而提升乘員艙內(nèi)的溫度。

圖4為此電動(dòng)車暖風(fēng)系統(tǒng)在整車中的總布置示意圖，可以看出此車型乘員艙較高，發(fā)動(dòng)機(jī)艙位于乘員艙下方等特點(diǎn)。由于車型結(jié)構(gòu)的原因，暖風(fēng)芯體布置在乘員艙的前方，WPTC、水泵、暖風(fēng)管路等零部件布置在乘員艙下方，膨脹水箱布置在乘員艙的后端。

以膨脹水箱為起點(diǎn)，沿順時(shí)針?lè)较蚋髁悴考梁笠涣悴考g管路長(zhǎng)度、內(nèi)徑詳見(jiàn)表1。

冷卻液回路中主要零部件性能參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 暖風(fēng)系統(tǒng)冷卻液側(cè)框圖

圖4 暖風(fēng)系統(tǒng)總布置示意圖

表1 各零件間管路長(zhǎng)度及內(nèi)徑

表2 主要部件性能參數(shù)

3.2 原因分析

1） 冷卻液內(nèi)流道分析

根據(jù)流體力學(xué)原理，流動(dòng)路徑上管徑的突變、凸起的遮擋結(jié)構(gòu)都會(huì)改變流體在流道中的壓力，劇烈的結(jié)構(gòu)突變更會(huì)產(chǎn)生渦流，如果冷卻液流道中大量存在這種不合理的設(shè)計(jì)，就使得冷卻液在運(yùn)行時(shí)無(wú)法填充這些區(qū)域，并產(chǎn)生使得流動(dòng)的冷卻液變成“泡沫”狀的風(fēng)險(xiǎn)。

查表1得知冷卻液內(nèi)流道中暖風(fēng)硬管內(nèi)徑為φ14，與硬管相連的暖風(fēng)膠管內(nèi)徑為φ15，暖風(fēng)膠管通過(guò)擴(kuò)口與φ17的水泵、WPTC連接；暖風(fēng)芯體為下進(jìn)上出的微通道平行流式結(jié)構(gòu)，WPTC為7條并行水道的結(jié)構(gòu)；三通管路的旁邊支管通過(guò)“騎馬焊”焊接在主管路上；水泵為電動(dòng)車用的離心式泵。因此，冷卻液內(nèi)流道無(wú)異常。

2） 膨脹水箱分析

根據(jù)傳統(tǒng)車型的布置經(jīng)驗(yàn)，膨脹水箱需要安裝在冷卻系統(tǒng)最高處且其下端至少高于散熱器上水室［4］，同時(shí)需要校核膨脹水箱的膨脹容積、儲(chǔ)備容積、必留容積［5］。此臺(tái)純電動(dòng)車的膨脹水箱內(nèi)腔體為變截面結(jié)構(gòu)，MAX線以上高度69mm、容積為1811mL，MAX線距離MIN線73mm、容積為1500mL，MIN線距離壺底93mm、容積為2030mL。通過(guò)圖5的側(cè)視圖發(fā)現(xiàn)膨脹水箱沒(méi)有布置于暖風(fēng)芯體的最高點(diǎn)之上，且MAX線僅高于暖風(fēng)芯體最高點(diǎn)30mm，因此從理論上說(shuō)其布置位置是需要優(yōu)化的。

圖5 采暖系統(tǒng)側(cè)視圖

但由于實(shí)車中膨脹水箱的布置位置無(wú)法再上移，因此需要對(duì)膨脹水箱冷卻液的儲(chǔ)備容積進(jìn)行校核。根據(jù)表1得知所有管路內(nèi)容積約為1150mL，根據(jù)表2得知暖風(fēng)芯體、WPTC、水泵的內(nèi)容積約為650mL，因此暖風(fēng)系統(tǒng)的內(nèi)容積約為1800mL。膨脹水箱在MAX與MIN間的截面積A約為205cm2，推出冷卻液的儲(chǔ)備容積為Vb=615mL，儲(chǔ)備容積占總?cè)莘e的34.2%，滿足冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e的11%～15%要求［5］。同時(shí)，膨脹水箱補(bǔ)水口距離水泵入口450mm，Max線到水泵入水口高度為616mm，不會(huì)因?yàn)槔鋮s液的晃動(dòng)導(dǎo)致空氣進(jìn)入系統(tǒng)。

3） 除氣管路分析

冷卻系統(tǒng)中的除氣管路需要布置在散熱器上盡可能高的位置，并與副水箱形成連續(xù)上升的通路［3］。但由于車型結(jié)構(gòu)限制，實(shí)車中除氣管路只能先向下彎曲再連接至膨脹水箱，故系統(tǒng)最高點(diǎn)至除氣三通處易積存空氣。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于將除氣管路連接在主循環(huán)回路上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需要將對(duì)應(yīng)主循環(huán)管路沿水流方向進(jìn)行上翹設(shè)計(jì)，并且在除氣三通處留有專門(mén)的“除氣室”進(jìn)行氣、液分離。但樣車的除氣三通直接焊接在主循環(huán)回路的直管段，這種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致水平管段及系統(tǒng)下部的氣泡無(wú)法順暢地匯聚至除氣三通處，并通過(guò)除氣管排出。

4） 冷卻液加注分析

根據(jù)整車設(shè)計(jì)任務(wù)，暖風(fēng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)可滿足手工加注，因此本文通過(guò)手工加注的方式對(duì)加注過(guò)程進(jìn)行分析。在實(shí)際加注時(shí)，冷卻液的流向如圖6所示，當(dāng)冷卻液從膨脹水箱向下流淌時(shí)，至補(bǔ)水三通處會(huì)同時(shí)向兩側(cè)流動(dòng)，至除氣三通時(shí)，由于暖風(fēng)芯體附近的空氣與液體無(wú)法被替換出來(lái)只能被封堵在系統(tǒng)中，后續(xù)再加注的防凍液只能補(bǔ)充“膨脹水箱—三通 （補(bǔ)水） —除氣三通—膨脹水箱”之間的空余空間，當(dāng)除氣管路的液面與膨脹水箱MAX線平齊時(shí)便無(wú)法再往系統(tǒng)中加注冷卻液。

圖6 加注過(guò)程中實(shí)際的冷卻液流向

水泵運(yùn)行后，回路中的液體會(huì)和回路中殘存的空氣一起混合流動(dòng)，雖然系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)會(huì)通過(guò)除氣管對(duì)殘存的空氣進(jìn)行排除，但當(dāng)系統(tǒng)中大量存在空氣時(shí)，這些“泡沫”混合物中的氣泡會(huì)不斷地破滅、重組成大小不一的混合物，這些因素使得系統(tǒng)中冷卻液的實(shí)際流量、通過(guò)除氣管除氣的效果都大打折扣，進(jìn)而帶來(lái)白色“泡沫”狀物質(zhì)始終存在的問(wèn)題。

根據(jù)表1的參數(shù)，假設(shè)冷卻液通過(guò)補(bǔ)水三通后往兩側(cè)的流速相同，那么WPTC至暖風(fēng)芯體之間的管路、暖風(fēng)芯體、暖風(fēng)芯體至除氣三通處可能都為空氣，這部分空氣對(duì)冷卻液的繼續(xù)加注產(chǎn)生阻力，導(dǎo)致系統(tǒng)加注不足。在此前提下，系統(tǒng)中殘留的空氣體積Vair約為1180mL，Vair大于膨脹水箱的儲(chǔ)備容積Vb，可以發(fā)現(xiàn)膨脹水箱中儲(chǔ)備容積無(wú)法滿足此種加注方式。因此，本車型直接用手工加注會(huì)導(dǎo)致殘存在暖風(fēng)芯體、部分管路中的空氣無(wú)法排出。

5） 控制邏輯分析

暖風(fēng)系統(tǒng)的控制邏輯為：在乘員艙鼓風(fēng)機(jī)開(kāi)啟的前提下，用戶按下空調(diào)控制面板上的PTC按鍵后水泵立即工作，同時(shí)水泵發(fā)出高電平信號(hào)至WPTC，WPTC在接收到水泵的高電平信號(hào)后根據(jù)冷暖風(fēng)門(mén)旋鈕發(fā)出的加熱功率 （CAN指令）延遲8s進(jìn)行加熱工作；當(dāng)用戶再次按下PTC按鍵后，WPTC立即停止加熱工作，水泵延遲8s后停止工作。根據(jù)傳統(tǒng)車在寒區(qū)試驗(yàn)積累的冷卻液溫升數(shù)據(jù)，設(shè)定WPTC在加熱過(guò)程中出水控溫上限為70℃，當(dāng)水溫到達(dá)65℃時(shí)降功率運(yùn)行，當(dāng)水溫到達(dá)70℃時(shí)立即停止工作，當(dāng)檢測(cè)到WPTC出水水溫恢復(fù)至55℃時(shí)繼續(xù)進(jìn)行加熱工作。

此臺(tái)電動(dòng)車選用的WPTC內(nèi)部有7條平行的直通式扁管，在扁管之間布置有6組用于加熱的發(fā)熱片，當(dāng)冷卻液從扁管內(nèi)流過(guò)時(shí)，發(fā)熱片會(huì)將自身的溫度通過(guò)扁管傳遞給冷卻液，進(jìn)而使得冷卻液的溫度增加，在加熱的過(guò)程中發(fā)熱片自身的溫度可達(dá)到140℃。通過(guò)上文可知WPTC的控溫上限為70℃，但在圖1中進(jìn)水溫度已經(jīng)上升至101℃，經(jīng)分析，當(dāng)冷卻液中混入過(guò)多的空氣時(shí)，氣、水混合物會(huì)形成氣囊附著在WPTC扁管內(nèi)壁進(jìn)而影響發(fā)熱片的正常工作，直到試驗(yàn)后期發(fā)熱片會(huì)將與之接觸的少部分冷卻液直接氣化，所以系統(tǒng)中過(guò)多的空氣導(dǎo)致出水溫度高于控溫上限、暖風(fēng)進(jìn)水溫度數(shù)據(jù)劇烈地波動(dòng)。

6） 冷卻液流量分析

當(dāng)水泵啟動(dòng)時(shí)，除氣管中的冷卻液會(huì)噴射至膨脹水箱內(nèi)［5］，同時(shí)，相同體積的液體會(huì)從膨脹水箱下部進(jìn)入系統(tǒng)中循環(huán)，這樣不斷地循環(huán)便完成了系統(tǒng)的除氣過(guò)程。但除氣管在除氣的同時(shí)也會(huì)將系統(tǒng)熱量帶入膨脹水箱中，為分析除氣性能并評(píng)估加熱過(guò)程中熱量的損失，需要對(duì)除氣管中的冷卻液流量進(jìn)行分析。

根據(jù)表1及表2的參數(shù)建立了如圖7所示的一維仿真計(jì)算模型，經(jīng)計(jì)算流經(jīng)水泵、WPTC及暖風(fēng)芯體的流量為16.1L/min，通過(guò)除氣管流向膨脹水箱中的冷卻液流量為0.27L/min，即使在除氣管溫度與入水口相同的前提下，除氣管路中的水流量、熱量占比也為2%左右，符合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)（水泵選型的功率稍大）。

圖7 一維計(jì)算模型示意圖

小結(jié)：通過(guò)上文的分析，發(fā)現(xiàn)除氣三通未接在系統(tǒng)最高點(diǎn)；系統(tǒng)加注時(shí)無(wú)法控制冷卻液的流向，極易造成暖風(fēng)芯體附近的空氣被封堵在冷卻液回路中；過(guò)多的空氣使得系統(tǒng)運(yùn)行后，冷卻液會(huì)呈現(xiàn)“泡沫”狀；氣、水混合物與WPTC接觸時(shí)少量的液體會(huì)被直接氣化，加劇了系統(tǒng)中氣泡不易排出的問(wèn)題。故采暖系統(tǒng)無(wú)法持續(xù)工作的原因?yàn)椋簹馀莞蓴_WPTC的正常加熱，導(dǎo)致WPTC高溫報(bào)警并停機(jī)。

4 優(yōu)化方案及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 除氣性能優(yōu)化

通過(guò)上文的研究，明確了在手工加注時(shí)需要對(duì)封閉回路中的冷卻液的行經(jīng)路徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冷卻液從一側(cè)進(jìn)入并將空氣緩慢從另一個(gè)方向擠出，從而避免產(chǎn)生滯留的空氣對(duì)再添加的冷卻液產(chǎn)生阻力［6］。如圖8所示，對(duì)冷卻回路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體如下。

圖8 優(yōu)化后的冷卻回路及加注時(shí)冷卻液的流向

1） 在補(bǔ)水三通和除氣三通之間增加一個(gè)水閥。當(dāng)系統(tǒng)加注時(shí)關(guān)閉水閥，以實(shí)現(xiàn)冷卻液在重力的作用下從補(bǔ)水三通往水泵的順時(shí)針流淌，經(jīng)由暖風(fēng)芯體的出水口后從除氣管再返回膨脹水箱中。當(dāng)系統(tǒng)加注完畢后，打開(kāi)水閥以實(shí)現(xiàn)冷卻液的正常運(yùn)行。

2） 將除氣管路與暖風(fēng)管路對(duì)接部分設(shè)計(jì)成中間凸起的“除氣室”結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化冷卻液流動(dòng)狀態(tài)、靜止?fàn)顟B(tài)下的氣/液分離。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述方案的有效性，觀察優(yōu)化后冷卻液回路在加注和運(yùn)行時(shí)的工作狀態(tài)，將除氣管路、水泵出水管等膠管更換為透明管，搭建了如圖9所示的試驗(yàn)臺(tái)。發(fā)現(xiàn)當(dāng)水閥未關(guān)閉時(shí)，運(yùn)行水泵后除氣管路、膨脹水箱中出現(xiàn)了圖1所示的白色“泡沫”狀混合物。但當(dāng)水閥在關(guān)閉狀態(tài)下進(jìn)行冷卻液的加注時(shí)，水泵運(yùn)行后除氣管路、膨脹水箱中的防凍液為本色。

圖9 WTPC測(cè)試臺(tái)架

因?yàn)樵囼?yàn)條件的限制，在20℃的環(huán)境溫度下對(duì)WPTC的采暖性能、持續(xù)工作能力進(jìn)行測(cè)試。將暖風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整至外循環(huán)、最大功率采暖、吹腳、最大風(fēng)量模式，采集暖風(fēng)芯體的進(jìn)、出水溫度，并將溫度數(shù)據(jù)繪制成如圖10所示的散點(diǎn)圖。

通過(guò)圖10可以發(fā)現(xiàn)暖風(fēng)進(jìn)水溫度上限為70℃，符合WPTC控溫上限要求；當(dāng)暖風(fēng)進(jìn)水溫度到達(dá)55℃時(shí)，WPTC繼續(xù)開(kāi)啟加熱工作，符合WPTC控溫下限要求。同時(shí)，水溫曲線平緩無(wú)較大的波動(dòng)現(xiàn)象，采暖系統(tǒng)在20℃左右的環(huán)境溫度中可長(zhǎng)時(shí)間保持采暖工作，故優(yōu)化措施有效（在冬季的采暖試驗(yàn)需后續(xù)驗(yàn)證）。

圖10 實(shí)施優(yōu)化方案后的暖風(fēng)進(jìn)、 出水溫度

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某電動(dòng)車高壓水加熱器無(wú)法持續(xù)運(yùn)行、膨脹水箱中出現(xiàn)“泡沫”狀物質(zhì)進(jìn)行了原因分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出如下結(jié)論。

1） 當(dāng)除氣管路無(wú)法直接從系統(tǒng)最高點(diǎn)呈緩慢上升狀態(tài)與膨脹水箱連接時(shí)，需要對(duì)冷卻液加注時(shí)液體的行經(jīng)路徑進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)冷卻液從一側(cè)進(jìn)入并將空氣緩慢地從另一側(cè)擠出。

2） 當(dāng)除氣管需要布置在主循環(huán)管路上且主循環(huán)管路從系統(tǒng)最高點(diǎn)先往下彎曲時(shí)，此根主循環(huán)管路應(yīng)該在除氣三通位置設(shè)計(jì)有凸起的“除氣室”結(jié)構(gòu)，以優(yōu)化氣、液分離效果。

3） 當(dāng)膨脹水箱的布置位置受限時(shí)，需要對(duì)膨脹水箱中的液體儲(chǔ)備容積進(jìn)行校核，并評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)后液面是否高于芯體最高點(diǎn)的要求。同時(shí)，在系統(tǒng)試運(yùn)行后，需要根據(jù)膨脹水箱中的液面高度決定是否有補(bǔ)液的需求。

4） 需要對(duì)除氣管中的冷卻液流量進(jìn)行校核，在除氣的同時(shí)避免過(guò)多的熱量流失。