一種增程式電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁立德，王達(dá)成，黃寅，宋和平

( 1.吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315300;2.寧波吉利汽車研究開發(fā)有限公司長(zhǎng)興分公司，浙江寧波 315300)

0 引言

隨著2020年10月《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖(2.0版)》的發(fā)布，進(jìn)一步明確了中國(guó)未來(lái)新能源戰(zhàn)略的布局，設(shè)立了產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展里程碑，路線圖中指出預(yù)計(jì)到2035年節(jié)能汽車與新能源汽車年銷售量占比達(dá)到50%，汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化轉(zhuǎn)型。11月上海經(jīng)濟(jì)和信息化委員會(huì)等六部委聯(lián)合印發(fā)了《上海市燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展實(shí)施計(jì)劃》，到2023年上海燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)現(xiàn)“百站、千億、萬(wàn)輛”的總體目標(biāo)。

大眾集團(tuán)公布新五年規(guī)劃，730億歐元投向未來(lái)技術(shù)，大約110億歐元用于開發(fā)現(xiàn)有車型的混合動(dòng)力汽車。隨著增程式電動(dòng)車越來(lái)越受到青睞[1-2]，各大整車廠紛紛投入資金開發(fā)增程汽車項(xiàng)目，包括用以匹配增程系統(tǒng)的增程發(fā)動(dòng)機(jī)和變速器，目前市場(chǎng)上的典型代表就是理想ONE車型。

隨著新能源汽車的研究越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外的重視[3-6],對(duì)新能源汽車方面的研究與設(shè)計(jì)就顯得尤其重要。

由于用戶的使用習(xí)慣，增程汽車上的控制邏輯和功能輸出模式會(huì)有不同，這就給熱管理性能方面的開發(fā)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。本文作者針對(duì)吉利某款增程項(xiàng)目，詳細(xì)介紹了熱管理空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)匹配CAE分析和優(yōu)化。

1 整車設(shè)計(jì)需求

該項(xiàng)目為一款正在開發(fā)的多用途汽車(Multi-Purpose Vehicles，MPV)車型，整車質(zhì)量為2 014 kg，是兩擋速比的變速器。整車配置的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)形式為兩種：一種為混動(dòng)配置，即發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪；另一種為增程配置，即發(fā)動(dòng)機(jī)只作為增程器發(fā)電，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪。

為了滿足兩種動(dòng)力配置的要求，變速器有兩種配置，即混動(dòng)配置和增程配置。變速器混動(dòng)配置的發(fā)電機(jī)持續(xù)功率為16 kW，驅(qū)動(dòng)電機(jī)持續(xù)功率為25 kW；變速器增程配置的發(fā)電機(jī)持續(xù)功率為27 kW，驅(qū)動(dòng)電機(jī)持續(xù)功率為35 kW。其中變速器的發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用機(jī)油冷卻，然后通過(guò)冷卻液和機(jī)油的熱交換器將熱量帶出到整車?yán)鋮s系統(tǒng)，再通過(guò)機(jī)艙內(nèi)的空氣與冷卻系統(tǒng)進(jìn)行熱交換。

整車熱管理的工況需要結(jié)合客戶需求與車輛動(dòng)力性能：混動(dòng)配置下滿足低速爬坡、高速爬坡工況以及最高車速145 km/h的要求；增程配置下需要滿足低速爬坡和最高車速130 km/h的要求。兩種配置的環(huán)境溫度都為38～40 ℃。

2 熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

在現(xiàn)有平臺(tái)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合整車的熱管理工況需求，熱管理小組進(jìn)行了充分的分析。雖然系統(tǒng)回路和零件的性能匹配在吉利屬于首發(fā)，但是仍然需要充分考慮平臺(tái)的可拓展性和前端冷卻模塊框架安裝工藝的一致性。基于以上原因，決定使用領(lǐng)克平臺(tái)的安裝位置和安裝工藝。由于發(fā)動(dòng)機(jī)為借用領(lǐng)克平臺(tái)的GEP3低功率版，所以中冷器完全借用，安裝位置也相同，而冷凝器和電池散熱器借用吉利其他車型；發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器、電機(jī)回路低溫散熱器、風(fēng)扇根據(jù)布置回路圖和性能匹配進(jìn)行重新開發(fā)設(shè)計(jì)，其中第一版的系統(tǒng)回路圖如圖1所示。

圖1 第一版系統(tǒng)回路圖

下面針對(duì)各個(gè)回路進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明：發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路與傳統(tǒng)車相同；電機(jī)回路主要用于冷卻變速器內(nèi)部的發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)與功率分配單元(Power Electrical Unit，PEU)、液氣分離器串聯(lián)在一起；暖風(fēng)回路并聯(lián)了高壓車載加熱器熱敏電阻(Positive Temperature Coefficient，PTC)，用于發(fā)動(dòng)機(jī)不工作時(shí)給乘員艙和電池包加熱，同時(shí)有電子水泵；空調(diào)回路包括與傳統(tǒng)車相同的蒸發(fā)器、電池冷卻器(Chiller)、壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥等。電池回路中，車載充電模塊(On Board Charging，OBC )和直流轉(zhuǎn)換器(Direct Current，DC-DC)集成在一起，并且與電池包并聯(lián)，同時(shí)并聯(lián)一個(gè)低溫散熱器，用于在低溫條件下給電池包冷卻，減少空調(diào)制冷劑冷卻電池包帶來(lái)的額外能量損失，提高整車的續(xù)航里程。

在圖1的基礎(chǔ)上，前端冷卻模塊的布置結(jié)構(gòu)如圖2所示，把16 mm厚的主散熱器分成發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器和電機(jī)散熱器，雖然曾經(jīng)試著只使用中冷器上部的電機(jī)散熱器，但是無(wú)論如何也不能滿足性能要求，因此串聯(lián)上了中冷器前端的電機(jī)散熱器。文中進(jìn)行了CAE計(jì)算，分別計(jì)算混動(dòng)配置和增程配置下的水溫，并判斷是否滿足限值要求，增程配置下的計(jì)算結(jié)果如圖3所示，從圖3中可以看到，不滿足目標(biāo)的限值要求，已經(jīng)用外框作標(biāo)記。

圖2 前端冷卻模塊布置

圖3 增程配置下的計(jì)算結(jié)果

3 熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

因?yàn)榉抡娣治霾粷M足設(shè)計(jì)目標(biāo)，所以需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過(guò)研究與分析，決定采用增加主散熱器的厚度來(lái)增加換熱性能，同時(shí)把風(fēng)扇功率提升。

經(jīng)過(guò)CAE計(jì)算，最后確定選用21 mm厚的散熱器，風(fēng)扇功率由450 W的有刷風(fēng)扇增加到600 W的無(wú)刷風(fēng)扇，混動(dòng)配置和增程配置下的結(jié)果，如圖4和圖5所示。

圖4 混動(dòng)配置下的計(jì)算結(jié)果

圖5 增程配置下的計(jì)算結(jié)果

因?yàn)榛靹?dòng)配置下發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)整車，發(fā)動(dòng)機(jī)需求的換熱量較大，所以這種情況下發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的高度就比較大，主散熱器采用230 mm芯體高度，主散熱器下面的電機(jī)散熱選用110 mm芯體高度，同時(shí)額外串聯(lián)中冷器前面的電機(jī)散熱器。而增程配置下發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)工作，屬于熱管理系統(tǒng)最苛刻的工況，計(jì)算后主散熱器芯體高度160 mm，電機(jī)散熱器芯體高度180 mm，再額外串聯(lián)中冷器前端的電機(jī)散熱器。

需要補(bǔ)充說(shuō)明的是，混動(dòng)配置下的整車能夠?qū)崿F(xiàn)高速爬坡，但是增程配置下整車的動(dòng)力性受到發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能限制，不能進(jìn)行高速爬坡工況，同時(shí)最高車速也比混動(dòng)配置下要小，即最高車速130 km/h，混動(dòng)配置下最高車速145 km/h。

在完成性能優(yōu)化后，經(jīng)過(guò)評(píng)估和借鑒以往混動(dòng)車型經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行如下兩項(xiàng)系統(tǒng)回路上優(yōu)化：

(1)電池回路中取消三通閥。根據(jù)其他車型項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，在環(huán)境溫度30～40 ℃時(shí)，電子風(fēng)扇會(huì)頻繁開啟，此時(shí)增加該三通閥作用不大。

(2)電機(jī)回路中增加三通閥。保證變速器油溫低時(shí)，能夠快速暖機(jī)，提高效率，油溫高時(shí)再對(duì)變速器進(jìn)行冷卻。

經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的系統(tǒng)回路如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后系統(tǒng)回路圖

4 結(jié)論

文中介紹了一款增程電動(dòng)車項(xiàng)目的熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和CAE計(jì)算匹配。由于布置空間限制，OBC和DCDC布置在了電池回路中。另外在增程發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇上，如果未來(lái)有合適的機(jī)會(huì)能夠選用單獨(dú)為增程電動(dòng)車開發(fā)的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，那么熱管理的布置會(huì)更緊湊，成本更低。

如果有機(jī)會(huì)使用水冷中冷器和水冷冷凝器也能使熱管理系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，提高效率，起到節(jié)能的作用。隨著項(xiàng)目的進(jìn)行，后續(xù)將持續(xù)對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。