混合動力汽車熱管理開發研究

張志強，潘文軍，黃 真，馬潔高，覃胤合，吳 頌，龍祖榮

混合動力汽車熱管理開發研究

張志強，潘文軍，黃 真，馬潔高，覃胤合，吳 頌，龍祖榮

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545005）

針對某款搭載串并聯式混合動力系統的汽車，開展熱管理開發及相關研究。文章首先結合混動總成系統熱管理參數需求，設計開發了一臺熱管理系統方案；其次依據熱管理關鍵工況，提取和分析得到了各散熱單元的進風量；然后對該方案下的熱管理性能進行仿真分析，發現該方案存在高溫散熱單元和油冷器進風量不足、布局不佳等缺陷，導致高溫散熱單元和油冷器溫度分別高于目標值1.5 °C和3.8 °C；最后結合風扇和散熱單元布局優化等措施，使得高溫散熱單元和油冷器進風量分別提升了9.37%和8.4%，高溫散熱單元和油冷器溫度分別降低了4 °C和4.1 °C，達成開發目標。

混合動力汽車；熱管理系統；串并聯混合動力；開發優化

21世紀以來，人類面臨劇烈的氣候變化。由于全球二氧化碳排放和溫室氣體猛增，導致生命系統受到威脅，為此世界各國以全球協約的方式減排溫室氣體，我國也提出了2030年碳達峰和2060年碳中和的目標。在這樣的大背景下，我國政府和汽車行業相繼提出了《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035年）》和《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》，大力開發和推出更低能耗的混合動力汽車。

常見的混合動力汽車構型通常包括發動機、發電機、驅動電機、動力電池、電機控制器、直流轉化器（Direct Current to Direct Current, DCDC）和電動空調等。這些關鍵零部件的發熱類型和需求差異較大，既有燃料燃燒化學產熱，又有電磁發熱，以及功率電子電流發熱等。為此混合動力汽車的熱管理系統需要進行多系統和多維度的開發及研究。

胡天妹等[1]對傳統燃油車和混合動力汽車的熱管理系統進行對比，分析出混合動力汽車熱管理關鍵技術及策略，并對整車熱管理性能優化提出優化建議。周翔等[2]從滿足混合動力各個硬件的熱管理需求出發，研究和分析了熱管理控制所需的硬件系統。盧山等[3]結合V字型模式，對混合動力整車熱管理控制策略進行了開發，研究了算法設計、模型開發和測試等環節及內容。

易舒等[4]和李壘等[5]分別對混合動力汽車的電機總成和動力電池等分別開展熱管理分析和建模，研究發現了影響降溫和熱管理的關鍵因素，并提出了改善方法。

董橋橋等[6-7]基于一維仿真AMEsim平臺，結合US06工況，對混合動力總成熱管理系統進行分析和優化，確定各動力部件所需最佳溫度范圍。

為進一步研究和提高混合動力熱管理系統性能，本文首先針對某混合動力汽車，設計和開發了一套熱管理系統；其次結合三維進氣流量模擬，提取得到了關鍵工況下各散熱單元的進風量，并基于一維分析平臺GT SUITE搭建了熱管理仿真模型；然后開展了混合動力系統熱管理系統性能研究；最后結合風扇性能和散熱單元布局優化，達成熱管理性能目標。

1 混合動力汽車及熱管理系統

某串并聯式混合動力汽車構型及關鍵零部件如圖1所示，包含有發動機、發動機電控單元（Engine Control Unit, ECU）、發電機、發電機控制器（Generator Control Unit, GCU）、驅動電機、驅動電機控制器（Motor Control Unit, MCU）、動力電池、電池管理系統（Battery Management System, BMS）、混動控制器（Hybrid Control Unit, HCU）及直流電源轉化器等。

圖1 混合動力汽車構型

圖2 混合動力熱管理系統原理

其中整車、發動機、發電機和驅動電機性能及基本參數如表1所示。發動機的本體水溫目標為115 ℃，發動機增壓器及進氣中冷水溫目標為70 ℃，電機控制器及直流電源轉換器DCDC水溫目標為70 ℃，發電機和驅動電機油溫目標為90 ℃。結合這些系統所需溫度目標，本文設計的熱管理系統原理如圖2所示，其中油冷器同時為發電機和驅動電機本體進行冷卻；中冷換熱器為發動機增壓器及進氣進行冷卻；低溫散熱單元為電機控制器及直流電源轉換器冷卻；高溫散熱單元為發動機本體進行冷卻。

表1 整車和系統零部件基本參數

根據圖2混合動力熱管系統原理，初步布置各散熱單元相對位置如圖3所示，從進風端到風扇端，中間依次是中冷換熱器、低溫散熱器、高溫散熱器和油冷器。

圖3 散熱單元布局

2 仿真工況及模型和數據提取

結合最為惡劣的環境和整車使用工況，本文設定的整車關鍵工況如表2所示。工況1為原地駐車充電工況，此時各散熱單元進風量最小；工況2為中等車速下串聯爬坡工況；工況3為高速行駛工況。

表2 整車關鍵工況

在如表2所示工況下，通過運用三維仿真軟件STAR CCM+，經過對整車幾何前處理、網格劃分、仿真參數設置、計算分析、后處理等，得到如圖4所示的整車機艙前端進風流場圖；并提取得到各散熱單元進風量結果如表3所示。

圖4 三維仿真模型

表3 散熱單元進風量 單位：m3/s

圖5 熱管理仿真模型

根據圖2所示混合動力熱管理架構，通過運用一維冷卻性能仿真平臺GT SUITE，搭建的混動車型熱管理仿真模型包含發動機系統、電池系統、驅動電機系統、發電機、排氣系統和熱管理系統等，如圖5所示。

3 熱管理仿真及優化

結合熱管理仿真模型和工況參數，仿真計算得到的各散熱單元溫度結果如表4所示，其中在工況2下高溫散熱單元和油冷器溫度分別超過目標溫度1.5 ℃和3.8 ℃，未達成開發目標。

表4 各散熱單元仿真溫度匯總 單位：℃

因此，本文提出加大進風量和優化散熱單元布局兩大優化措施，即將原400 W風扇提升至600 W風扇，優化風扇后的進風量如表5所示，在工況2下，高溫散熱單元和油冷器的進風量相比原方案分別提升了9.37%和8.4%。優化散熱單元后的布局如圖6所示。

表5 優化后散熱單元進風量 單位：m3/s

圖6 散熱單元優化布局

熱管理系統優化后的仿真結果如表6所示，在整車關鍵三種工況下，各散熱單元的溫度都達成了目標，如工況2下高溫散熱單元溫度從116.5 ℃降低至112.5 ℃，降低了4 ℃；油冷器從93.8 ℃降低至89.7 ℃，降低了4.1 ℃。

表6 優化后各散熱單元仿真溫度匯總 單位：℃

4 結論

針對一款串并聯混動汽車構型，開發了一套混合動力熱管理系統，開展了仿真建模和性能優化研究：

（1）采用三維和一維相結合的方式，提取和分析了各系統散熱單元在不同工況下的進風量，并搭建了熱管理仿真模型；

（2）結合風扇性能和散熱單元布局優化，使得高溫散熱單元和油冷器溫度的降幅分別為4 ℃和4.1 ℃。

通過上述仿真建模和優化測試，有效降低各散熱單元的溫度，最終達成了開發目標。

[1] 胡天妹,曹宇,黃祖朋,等.插電式混合動力汽車熱管理系統研究[J].現代工業經濟和信息化,2020,10(10): 84-86.

[2] 周翔,劉洋.混合動力電動汽車整車熱管理控制器硬件需求研究[J].汽車博覽,2020(32):165.

[3] 盧山,盧桂萍,李馨.基于V模式開發插電式混合動力汽車整車熱管理控制策略研究[J].計算機測量與控制,2018,26(4):88-91.

[4] 易舒,劉慧軍,徐作文,等.某PHEV汽車電機冷卻系統熱管理策略優化[J].車輛與動力技術,2020(2):25-30, 35.

[5] 李壘,胡斌斌,田勝,等.某混合動力車型熱管理系統開發與研究[J].汽車實用技術,2020,45(8):71-75.

[6] 董橋橋,黃瑞,陳芬放,等.基于AMEsim混合動力總成熱管理系統仿真研究[J].現代機械,2019(2):16-21.

[7] 董橋橋.混合動力總成熱管理系統優化設計[D].杭州:浙江大學,2019.

Study on Thermal Management System for Hybrid Vehicle

ZHANG Zhiqiang, PAN Wenjun, HUANG Zhen, MA Jiegao, QIN Yinhe, WU Song, LONG Zurong

( Dongfeng Liuzhou Motor Compoany Limited, Liuzhou 545005, China )

A thermal management system for series-parallel hybrid vehicle is designed and studied, which is based on the parameters of hybrid systems. Frist, inlet air volumes for all radiators on different critical conditions are simulated. Then, the simulation results show that the temperatures of high-temperature radiator and oil radiator are 1.5°C and 3.8 °C higher than the design goals on the worst conditions, which are owed for the poor of inlet air volumes and defect of radiators layout. Finally, the fan and radiators layout are optimized. The inlet air volumes of high-temperature radiator and oil radiator are increased 9.37% and 8.4%. The temperatures of high-temperature radiator and oil radiator are reduced 4°C and 4.1 °C, which are achieved the design goals.

Hybrid vehicle;Thermal management system;Series-parallel hybrid;Development optimization

U469.7

A

1671-7988(2023)03-60-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.03.011

張志強（1985—），男，博士，正高級工程師，研究方向為新能源汽車開發，E-mail:zhangzq@dflzm.com。

廣西創新驅動發展專項資金項目（桂科AA19182006）和柳州市科技計劃項目（2020GAAA0402、2021 CBA0101、2022ABA0104、2022ABA0101）資助。