電動汽車串聯/并聯冷卻系統架構分析與評價

汪 爽,雍安姣,徐曼曼,俞志偉,付永宏,張林波

(1.奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程技術研發總院，安徽 蕪湖 241006；2.安徽工程大學 機械工程學院，安徽 蕪湖 241000)

電動汽車以電能為驅動力，與傳統車相比在使用過程中不會產生廢氣污染環境，是實現“碳達峰”和“碳中和”的關鍵[1-3]。傳統燃油車的汽油發動機熱效率在40%左右，而純電動汽車的電機熱效率在90%～95%區間范圍內，其動力總成冷卻需求低于傳統燃油車[4]。但純電動汽車同時還要保證電池、Conversion and Distribution Unit(CDU)和Motor Control Unit(MCU)等部件的冷卻需求，因此其冷卻系統更復雜，給設計和分析工作帶來了挑戰。

水冷冷凝器替代傳統空調回路的冷凝器，與電機冷卻系統共用一個散熱器是電動汽車現階段熱門布置方案。基于該布置方案，水冷冷凝器與電機冷卻系統存在兩種布置架構，一種為并聯架構，即冷卻液從散熱器流出后通過三通閥分別流入水冷冷凝器與電機冷卻系統；另外一種為串聯架構，即冷卻液從散熱器流出后先流入電機冷卻系統再流入水冷冷凝器。兩個架構存在各自的優缺點，并聯架構流阻比串聯架構要低，但控制復雜，合理分配各支路流量是難題。但是在系統冷卻性能方面，兩者的差異目前還未深入進行研究。串聯/并聯架構對電動汽車冷卻能力和能耗有何影響，是否能滿足整車冷卻需求等是電動汽車熱管理開發過程中亟待解決的難點問題。

綜上所述，針對水冷冷凝器與電機冷卻系統串聯和并聯兩種架構，本文采用系統仿真的方法進行了研究。首先在KULI 15.0中建立串聯和并聯仿真模型，選取駐車、駐車充電、勻速行駛和爬坡行駛等4種典型考核工況，對串聯和并聯兩種架構的性能進行分析和評價，研究結果將為電動汽車冷卻系統設計和開發工作提供重要參考。

1 仿真模型及考核工況

1.1 仿真模型

采用KULI 15.0建立電動汽車冷卻系統串聯和并聯模型，其冷卻系統架構分別如圖1、2所示，建立的并聯架構仿真模型如圖3所示。兩個模型都包括空調回路、電池回路和電機系統-水冷冷凝器回路，除電機系統-水冷冷凝器回路存在串聯和并聯差異外，無其他區別。電池回路與空調回路通過Chiller(板式換熱器)實現換熱，對動力電池組進行降溫。空調回路蒸發器吸收的熱量通過水冷冷凝器傳遞到電機系統-水冷冷凝器回路的冷卻液中，再通過散熱器釋放到車外。

空調回路包括電動壓縮機、水冷冷凝器、熱力膨脹閥、蒸發器、鼓風機、電子膨脹閥和Chiller。電池回路包括動力電池組、水泵1和Chiller。冷卻液在串聯冷卻系統的電機系統-水冷冷凝器回路流向依次為散熱器、電機系統、水泵2、水冷冷凝器、散熱器。冷卻液在并聯冷卻系統的電機系統-水冷冷凝器回路流向依次為散熱器、三通閥1、兩個并聯支路(支路1：水泵2、水冷冷凝器；支路2：電機系統)、三通閥2、散熱器。考慮到前電機入口冷卻液水溫有限制，兩個架構中電機系統內前電機與后電機采用并聯方案，即一個支路為CDU(ADAS)、MCU和RMotor(后電機)，另一個支路為FMotor(前電機)。串聯架構中電機系統-水冷冷凝器回路總流量為20 L/min，兩個電機流量均為10 L/min。并聯架構中電機系統-水冷冷凝器回路總流量為35 L/min，水冷冷凝器流量為15 L/min，兩個電機支路流量均為10 L/min。

1.2 考核工況

選取駐車、駐車充電、勻速行駛和爬坡行駛等4種典型考核工況，對串聯/并聯兩種架構的冷卻系統進行分析和評價，各個考核工況環境溫度均為40 ℃、太陽輻射1 050 W/m2、空調設置為內循環、壓縮機轉速6 500 r/min、電池組流量15 L/min、環境相對濕度50%、空調回風口濕度35%，其他邊界參數設置如表1所示。此外，不同車速下散熱器迎面風速通過STAR CCM+分析得到，如圖4所示。

表1 考核工況邊界參數

2 仿真結果及分析

2.1 駐車工況結果及分析

駐車工況為表1中的第1個工況，艙內起始溫度65 ℃，環境溫度40 ℃，該工況通常稱為最大降溫能力考核工況，通過分析該工況來評價乘員艙的最大降溫能力。駐車工況下串聯/并聯冷卻系統的性能比較如圖5所示。從圖5a中可以看出，串聯/并聯冷卻系統艙內平均溫度下降曲線基本一致，大約1 300 s后艙內溫度達到25 ℃，兩種架構均能很好地保證乘員艙的熱舒適性。通過比較可以看出，串聯系統比并聯系統艙內平均溫度低0.2 ℃，降溫能力略占優勢。從圖5b中可以看出，隨著乘員艙溫度下降，兩種架構下壓縮機功率都呈現緩慢減小的規律，其中串聯系統壓縮機功率比并聯系統要低100 W左右，另外串聯系統少一個水泵工作也會帶來系統功率的下降。串聯和并聯出現差異的原因是由于在駐車工況下，電機系統熱負荷小但仍有20 L/min的流量，此時散熱器流量為35 L/min，導致水冷冷凝器入口水溫比串聯模式高，從而引起空調系統功率相對較高。因此，從節能和乘員艙熱舒適性的角度來說，駐車工況下串聯架構優于并聯架構。

2.2 駐車充電工況結果及分析

駐車充電工況為表1中的第2個工況和第3個工況，第2個工況代表充電時(慢充或快充)電池溫度達到55 ℃需要降溫且乘客艙同時開空調，對其進行分析可評估充電工況下電動汽車的降溫能力。第3個工況代表BOOST工況下充電(升壓快充)時電池達到55 ℃需要降溫且乘客艙同時開空調，此時電機系統存在較大的熱負荷，在該工況下是否能滿足乘員艙的熱舒適性對電動汽車降溫能力是一個大的考驗。

駐車空調AUTO+電池降溫工況下串聯/并聯系統性能比較如圖6所示。從圖6a中可以看出，串聯架構與并聯架構Chiller冷媒制冷量基本一致，但是串聯架構的蒸發器冷媒側制冷量比并聯制冷量架構高70 W左右，因此乘客艙降溫性能相對較好。從圖6b中可以看出，串聯架構乘客艙平均溫度比并聯架構低約0.2 ℃，與圖6a蒸發器制冷量呈現的規律一致。從圖6c中可以看出，串聯架構壓縮機功率比并聯架構低，與此同時串聯架構空調回路冷媒制冷量更大，所以駐車空調AUTO+電池降溫工況串聯架構優于并聯架構。

駐車空調AUTO+電池降溫+BOOST工況下串聯/并聯冷卻系統性能比較如圖7所示。從圖7a中可以看出，兩種架構蒸發器和Chiller冷媒制冷量變化規律和大小基本一致，在150 s之前串聯架構蒸發器冷媒制冷量比并聯架構高200W左右。從圖7b中可以看出，150 s之前串聯架構乘員艙內平均溫度比并聯架構低1 ℃左右，之后逐漸趨近一致。此外，1 500 s時艙內平均溫度為26.5 ℃，乘客艙降溫能力略差，可通過增大壓縮機速度或更換大排量壓縮機來提高乘客艙的熱舒適性。從圖7c中可以看出，串聯架構壓縮機功率比并聯架構略低一點，此時兩種冷卻系統空調路制冷量大小基本相同，此外考慮到串聯架構比并聯架構少一個水泵工作。將圖6的結果與圖7的結果比較可以看出，在駐車工況下，由于Boost模式下電機系統熱負荷增加，串聯架構的優勢不再明顯，但仍然要優于并聯架構。因此，綜合分析結果可認為駐車空調AUTO+電池降溫工況下串聯架構優于并聯架構。

2.3 勻速行駛工況結果及分析

勻速行駛工況為表1中的第4個工況和第5個工況，在勻速行駛狀態下電機系統會產生余熱進而影響到散熱器的入口溫度。第4個工況車速為60 km/h，代表日常通勤，第5個工況車速為110 km/h，代表高速行駛。針對這兩個工況，研究空調AUTO模式下乘員艙的降溫性能和能耗，評估串聯/并聯架構在勻速行駛狀態下的優劣。

行車60 km/h工況下串聯/并聯冷卻系統性能比較如圖8所示。從圖8a中可以看出，兩種架構下艙內平均溫度變化趨勢一致，200 s之前溫度基本一致，200 s以后并聯架構比串聯架構溫度低約0.2 ℃，意味著在艙內平均溫度這個指標上并聯架構略優于串聯架構。從圖8b可以看出，兩個架構在勻速行駛、空調AUTO工況下，壓縮機功率的變化趨勢基本相同，隨著艙內溫度降低，壓縮機功率逐漸下降，且并聯架構比串聯架構壓縮機功率低約65 W。

行車110 km/h工況下串聯/并聯性能比較如圖9所示。從圖9a中可以看出，100 s之前兩個架構艙內平均溫度大小基本一致，100 s之后并聯架構艙內平均溫度低約0.58 ℃，意味著該工況下在艙內平均溫度這個指標上并聯架構略優于串聯架構；從圖9b可以看出，兩個架構壓縮機功率差異比60 km/h工況大，約為172 W。60 km/h與110 km/h勻速行駛工況出現邊界差異的原因在于散熱器迎面風速和電機系統熱負荷不同，分析結果顯示110 km/h工況串聯架構與并聯架構的差異大于60 km/h工況，意味著電機系統熱負荷對串聯架構與并聯架構的性能優劣有很大影響。此外，圖9分析的行車110 km/h工況和2.2節圖7分析的駐車空調AUTO+電池降溫+BOOST工況的電機熱負荷均為3.5 kW，但串聯架構與并聯架構優劣結論相反，這是散熱器風量限制導致的。駐車工況下散熱器迎面風速為2.3 m/s，而110 km/h車速下風速可達到4 m/s，因此在開展相關分析工作時不能忽略散熱器風量帶來的影響。

2.4 爬坡行駛工況結果及分析

本文選擇60 km/h 9%坡度與110 km/h 3%坡度兩個典型工況作為爬坡行駛分析工況，如表1中的第6個工況和第7個工況所示。圖10和圖11分別為行車60 km/h 9%坡度與110 km/h 3%坡度連續爬坡工況下串聯/并聯性能的比較，兩個工況邊界差異的原因在于散熱器迎面風速和電機系統熱負荷不同，迎面風速分別為3 m/s和4 m/s，電機系統熱負荷分別為4 kW和4.3 kW。

從圖10和圖11中都可以看出，兩個架構下艙內平均溫度均能維持低于25 ℃，意味著能很好地滿足降溫需求，另外艙內溫度一直下降的原因是仿真計算過程中壓縮機設置為定轉速。從兩個架構性能對比可以發現，并聯架構比串聯架構艙內平均溫度和壓縮機功率低，意味著在爬坡行駛工況下，并聯架構優于串聯架構。

3 電動汽車熱管理架構新方案

3.1 串聯/并聯切換式熱管理架構

從本文第2節的分析結果可以得知，串聯架構在駐車工況和駐車充電工況下優于并聯架構且壓縮機功率較低，而在行車工況下因電機系統熱負荷增加,并聯架構顯露出優勢，且隨著電機系統的熱負荷增大，并聯架構的優勢逐漸增大。基于該結論本文提出了一種串聯/并聯切換式熱管理架構如圖12所示。圖12a所示為并聯工作模式，冷卻液從散熱器流出后經過三通閥1分別流向水冷冷凝器和電機系統，在三通閥4處匯合后流向散熱器。圖12b為串聯工作模式，冷卻液從散熱器流出后經過三通閥1只流向電機系統，從三通閥5流出后經過三通閥6全部流入水冷冷凝器中，再流入散熱器。

在應用場景下，通過傳感器和對應的算法采集相關數據并分析串聯架構和并聯架構的優勢。在并聯架構優勢工況下(例如勻速行車和連續爬坡工況)系統切換至并聯架構模式，同理在串聯架構優勢工況下(例如駐車或駐車充電工況等)切換至串聯架構模式，通過模式切換來降低電動汽車的能耗。該電動汽車冷卻系統通過電磁閥的開閉可以很方便地實現水冷冷凝器與電機冷卻系統串聯或并聯，比單一模式的冷卻系統性能更好、能耗更低，能夠提高整車的續航能力。

3.2 半并聯式熱管理架構

串聯架構與并聯架構的差異主要原因是流量不同，駐車工況下電機系統熱負荷小但是因CDU需要降溫仍存在20 L/min的流量，導致水冷冷凝器散熱減少，引起系統能耗增加。若能保證前電機出口水溫不超標，可采用如下圖13所示的半并聯熱管理架構，該架構將前、后電機串聯后語水冷冷凝器并聯，此時電機系統水流量最小為10 L/min。在駐車或駐車充電等工況下比并聯架構有優勢，略遜色于串聯架構。在勻速行駛和爬坡行駛工況下，通過增大電機系統流量，該架構可起到與并聯架構相同的效果。

4 結論

本文以乘員艙降溫能力和系統部件冷卻效果為評價指標，針對駐車、駐車充電、勻速行駛和爬坡行駛等4種典型工況，采用系統仿真方法探究了水冷冷凝器與電機系統串聯/并聯兩種冷卻系統的差異，取得的主要研究結論如下：

(1)串聯架構在駐車工況和駐車充電工況下，降溫能力優于并聯架構且壓縮機功率較低，而在行車工況下，因電機系統熱負荷增加，并聯架構露出優勢，且隨著電機系統的熱負荷增大，并聯架構的優勢逐漸增大。

(2)串聯架構與并聯架構性能產生差異主要是流量不同引起的，駐車工況下電機系統熱負荷小，但是因CDU需要降溫仍存在20L/min的流量，導致水冷冷凝器散熱減少，引起系統能耗增加。

(3)針對串聯/并聯冷卻系統的性能差異，本文提出了串聯/并聯切換式冷卻系統和半并聯式冷卻系統兩種新方案，研究結果將為整車廠設計電動汽車熱管理系統提供參考與指導。