小型電動汽車熱管理與動力性能匹配優化方法

摘要：隨著各大主機廠轉向短前懸、短后懸、大軸距的專用純電動車平臺，在乘員艙空間增加的同時動力艙空間隨之被進一步壓縮，隨著動力總成功率日益增大，集成度日益提升，動力艙熱負荷隨之增加，同時由于更多的電動車采用了封閉式前格柵造型，以便體現電動化特征，導致動力艙的進氣面積及進風量進一步減小，使得動力艙內熱管理系統設計難度增加。基于一款A00級純電動車SUV，提出了一種針對不同環境溫度（尤其高溫環境下）熱管理系統與整車動力性能匹配優化方法，同時兼顧乘員艙的環境舒適性需求。

關鍵詞：動力艙；乘員艙；熱管理；壓縮機變頻控制

中圖分類號：U469" 收稿日期：2023-11-20

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.008

1 前言

電動汽車因其行駛過程中零排放、能源利用率較高[1]、噪聲污染小等優點而成為汽車產業未來發展的主流方向之一，然而動力艙與乘員艙之間熱管理控制策略最佳匹配的優化設計也尤為突出。同時，考慮降低風阻提高整車續航里程，封閉式主進氣格柵成為純電動汽車區別傳統燃油車的重要標志，這也大大增加了前機艙熱管理的難度[2]。目前盡管國內外學者、企業對電動汽車的熱管理系統進行了大量研究，但仍存在構型方案單一、功能簡單、性能優化不足、綜合評價研究少見等問題[3]。

在近年夏日溫度高于往年情況下，動力艙內部溫度也較往年偏高，某小型純電動汽車因動力艙內部溫度（冷卻液水溫）超過最高溫度閾值，觸發EVC（汽車控制器）電機保護邏輯，電機被限制功率輸出，造成車輛不能正常行駛，嚴重時有起火風險。因此合理的熱管理控制策略更利于電動汽車行駛，避免火災風險。本文對冷卻液溫度偏高原因及動力艙冷卻液溫度與乘員艙降溫之間的熱管理控制策略優化設計進行詳細介紹，對汽車空調壓縮機轉速控制策略進行優化設計，并通過實車環模實驗證明了優化設計方案的可行性，能夠確保車輛正常行駛。

2 純電動汽車動力艙熱源分析

某小型純電動汽車動力艙布置如圖1所示。

根據某小型純電動汽車自身結構特點，動力艙熱源可分成3個部分以便進行分析，分別為乘員艙的空調系統、動力艙的電驅冷卻系統，以及動力艙的其他電器部件。

2.1 空調系統

汽車空調系統主要是調節乘員艙的通風、溫度及濕度等，提高乘員的乘坐的環境舒適性，其分為制冷和加熱兩個功能單元，如圖2所示。

1.壓縮機" 2.空調管路" 3.蒸發器總成" 4.控制面板

5.鼓風機" 6.PTC" 7.電子風扇" 8.冷凝器

制冷單元主要由壓縮機、冷媒管路、蒸發器總成、控制器、鼓風機、電子風扇、冷凝器等組成，通過壓縮機高速轉動帶動冷媒在蒸發器和冷凝器之間循環流動，通過調節膨脹閥實現乘員艙的溫度降低。動力艙的主要熱源之一為冷凝器散熱所產生，因為空調冷凝器表面溫度最高[4]。

加熱單元主要由PTC、鼓風機、風道等組成，加熱單元一般在冬季環境溫度較低的情況下使用，因此在夏季高溫環境時，動力艙與乘員艙之間的熱管理不考慮空調系統加熱單元。

2.2 電驅冷卻系統

電驅冷卻系統是對充電及配電一體機、電機系統進行強制冷卻，保證其始終在正常的溫度狀態下運行，從而使整車獲得較高的動力性、經濟性及可靠性。純電動汽車采用水路串聯，冷卻液經水泵后流經電機系統，然后流入充電及配電一體機返回冷卻系統，形成冷卻液循環冷卻系統。

該車型采用液冷充電及配電一體機、液冷電機系統。冷卻系統由電子水泵、冷卻液管路、電機水室、副水箱、充電及配電水室、低溫散熱器等部件組成，如圖3所示。

1.電子水泵" 2.冷卻液管路" 3.電機水室" 4.副水箱

5.充電及配電水室" 6.低溫散熱器

2.3 其他電器部件

動力艙因功能的需求還布置有大燈、蓄電池、保險盒、線束等零部件，在車輛正常使用過程中產生熱量，但是對動力艙溫度的貢獻相較于電驅冷卻系統和空調系統可以忽略不計。

2.4 動力艙熱源

動力艙熱源主要從以下兩方面分析：

a.計算流體力學（CFD）流場分析。

b.實車環模流場分析。

由于經費問題，本文從實車環模方面進行流場分析，具體如下：

結合夏日出現車輛電機限功率情況，設定戶外汽車熱負荷最嚴重情況，將整車在夏日戶外正午照曬后，初步測得實車電機艙數據如圖4所示。

初步實測數據如下：

a.空調系統的冷凝器冷媒進口溫度為70 ℃。

b.電驅冷卻系統的低溫散熱器進水溫度為61 ℃。

c.環境進風溫度為38 ℃。

通過溫度比較，空調系統冷凝器為主要熱源（內部冷媒冷凝進口溫度70 ℃），進一步排查實車動力艙氣體流場，發現動力艙內有回流風，回流到低溫散熱器進風面。因此冷卻液水溫除了環境溫度過高外的主要原因為：冷凝器內部冷媒冷凝過程中釋放高溫，經過冷凝器散發的高溫氣流在動力艙內部回流到低溫散熱器表面，如此往復持續加熱低溫散熱器內部冷卻液，造成冷卻液溫度逐漸升高，最終超過最高閾值。

將實車置于環境艙中開展實驗驗證，并采用企業規范開展相關測試。利用實驗室環模系統模擬車輛實際使用中嚴苛的高溫、高日照環境。信號采集系統監測實際過程中動力艙內各關鍵位置的溫度等相關情況，如圖5所示。

實驗結果如圖6，最高溫在保險盒內部（80 ℃），實驗過程中儀表盤高亮電機限制功率燈，表示車輛無法正常行駛且有火災風險。同時第540～760 s有5次溫度波動，最終無升溫趨勢。此波動為空調系統的壓縮機因高溫無法正常工作從而啟動過熱保護，最終停止工作。此結果表明，空調系統散熱會引起動力艙升溫，是動力艙的主要熱源。

通過以上實車環模流場分析，動力艙熱源分為以下3類：

a.空調系統通過冷凝器散發的熱量。

b.電驅冷卻系統通過低溫散熱器散發的熱量。

c.環境熱負荷。

比較動力艙各熱源溫度，可知空調系統的冷凝器為動力艙的主要熱源。

3 動力艙與乘員艙熱管理匹配優化及驗證

3.1 動力艙與乘員艙熱管理匹配優化

由于A00級SUV自身特性：短后懸、大軸距、大功率；動力艙具有高集成、小空間，且格柵為封閉式的特點，它需要同時兼顧經濟性與實用性，因此降低動力艙的熱負荷面臨著巨大挑戰，動力艙熱管理主要有以下5個方面：

a.各電子元器件功能及布置。

b.進氣格柵。

c.空氣流場、前端模塊密封。

d.水泵揚程。

e.電驅系統與空調系統熱管理匹配。

因整車造型及動力艙布置方案均已經確定，本應在設計凍結前進行優化設計使動力艙與乘員艙熱管理達到最佳匹配，最終此問題在生產制造過程中被發現，由于上述1～4點已經設計凍結，無法顛覆，因此選擇上述第5點進行優化設計。

本文優先考慮將上述第5點作為一個硬點要素進行優化設計，即優化動力艙與乘員艙之間熱管理的控制形成最佳匹配，進而避免由于電驅系統內部冷卻液溫度過高限制汽車正常行駛。

冷凝器熱量來源為內部通過壓縮機壓縮后流經冷凝器的高溫高壓冷媒氣體，因此在環境溫度、冷凝器迎面風速及乘員艙熱負荷不變的情況下，壓縮機轉速越高，冷凝器表面溫度越高，最終達到熱平衡，反之亦然。

綜上，建議通過控制策略即控制壓縮機轉速進行優化設計，具體有以下兩種方案：

方案1：通過汽車EVC讀取電驅冷卻系統內部冷卻液溫度，進而控制壓縮機轉速高低，確保汽車正常行駛。

方案2：通過壓縮機內部控制器讀取電驅冷卻系統內部冷卻液溫度，進而控制壓縮機轉速高低，確保汽車正常行駛。

由于方案1相較于方案2變更所涉及EVC軟件驗證成本更低，最終決定按方案1進行控制策略優化設計，即開啟壓縮機（A/C）后的EVC動力艙與乘員艙熱管理之間的控制策略優化方案變更前后流程如圖7、圖8所示。

優化前整車控制策略：

a.整車EVC收到開啟A/C輸入信號，通過LIN信號控制壓縮機逐漸升到工作轉速。

b.同時實時監測冷卻液溫度，如果冷卻液溫度超過閾值，關閉壓縮機。

優化后整車控制策略：

a.壓縮機轉速。根據圖9所示的壓縮機特性曲線，選定最低轉速作為中間狀態，兼顧乘員艙降溫的同時，冷凝器散熱量較小，進而降低水溫上升趨勢，最終確定電動渦旋壓縮機的最佳轉速[5]。

b.冷卻液溫度。提前介入控制水溫上升趨勢，在水溫最高閾值前設定次閾值（59 ℃），進一步減緩水溫上升，避免汽車因冷卻液溫度過高造成汽車無法正常行駛。

由于優化后方案額外增加壓縮機可變頻控制技術，可以避免冷卻液溫度超過閾值，確保車輛正常行駛。

此優化方案同時也有潛在的不利影響：

a.由于降低壓縮機轉速，乘員艙降溫效果會有所降低。

b.增加壓縮機啟停閾值后，其有可能頻繁啟停，引起NVH次生影響問題。

以上兩點不利影響需要在環模實驗時進行主觀評價。

3.2 動力艙與乘員艙熱管理系統匹配開發及驗證

為了解決生產制造過程中的問題，對新增的電驅與空調系統之間的熱管理匹配需要進行環模驗證，從而確保方案的正確性，具體如下：

a.為了采集不同環境溫度下動力艙不同位置表面溫度，與乘員艙熱負荷進行匹配。

b.為了評估乘員艙降溫影響，在乘員艙內增加溫度傳感器，以判斷優化方案對乘員艙的溫度影響。

c.在監控整車系統溫度，也需要分析車速，以確認車輛的正常行駛情況。

此優化方案當冷卻液溫度超過59 ℃時，壓縮機轉速會限制在2 000 r/min；如果冷卻液溫度在64 ℃以上，則關閉壓縮機。最終通過整車溫度采集及控制策略優化實現壓縮機可變頻控制技術，使得系統得到優化。

將實車置于環境艙中開展熱管理實驗驗證，采用雷諾企業規范并結合實際情況增加條件開展相關測試。利用實驗室環模系統模擬車輛實際使用中嚴苛的高溫、高日照環境，前置鼓風機模擬車輛行駛中迎風面氣流，轉轂臺架模擬高速工況等，信號采集系統監測實際過程中車輛內各熱管理系統的溫度等相關情況。

動力艙熱管理信號采集主要包括零部件表面的傳感器布置測點，溫度傳感器測得動力艙主要部件的表面溫度，如圖10a所示。整車DDT信號線采集冷卻液溫度、壓縮機轉速、車速等數據信息。乘員艙熱管理信號采集位置主要包括出風口、前排面部的傳感器布置測點，溫度傳感器采集乘員艙關鍵溫度，如圖10b和圖10c所示。

依據整車高溫電機限功率環模驗證工況，分別進行怠速和高速工況數據采集并讀取相關測試點數據，如表1、圖11～圖16所示。

結合表1、圖4和圖13可以得出，風扇出風口高溫是動力艙內冷凝器表面散發的高溫回流后造成的，在惡劣環境時有火災風險。

根據表1以及實際駕駛中存在迎面風，當車輛啟動后冷卻液溫度得到顯著降低，乘員艙內溫度上升不明顯，具體如下：

a.怠速工況下，優化后冷卻液溫度較優化前溫度降低7 ℃，優化后乘員艙溫度較優化前溫度有所升高。

b.高速工況下，優化前后冷卻液溫度與乘員艙溫度差異較小，因為迎面風可以帶走大部分熱負荷。

從圖11可以看出，優化前，整車起步后，由于電機冷卻系統內冷卻液溫度上升到64 ℃，觸發限溫邏輯，“限功率”燈高亮，導致車輛無法正常行駛（加速性能下降），具體車速如圖15所示。

從圖12可以看出，優化后，由于采用了可變頻控制技術，在系統溫度接近59 ℃臨界值，通過主動變頻，有效降低系統熱負荷，經過匹配標定壓縮機轉速維持在2 000 r/min，平均維持6 min，時間過久（階段1.2），乘員艙內溫度上升導致主觀感受不佳。為此對系統進行進一步優化（圖12中車內溫度上升時間段為此過程）：壓縮機轉速從2 000 r/min恢復到4 300 r/min時，水溫閾值從58 ℃調整為59 ℃，以便提高乘員艙的環境舒適性。

優化后，整個實驗過程中冷卻系統溫度始終低于64 ℃，不會觸發限溫邏輯，同時乘員艙溫度舒適性沒有顯著變化。實驗過程中無“限功率”警報，車輛可以正常行駛。

通過上述圖示可以看出（圖13、圖14為壓縮機開啟狀態），優化后動力艙溫度低于優化前。

圖15、圖16所示為實驗過程中車速數據，由于0～41 km/h處于起步后空調主觀評價階段，優化前和優化后車輛油門踏板控制有差異，因此選取車輛速度控制一致階段即43～95 km/h的范圍進行加速時間比較。

優化前（圖11），由于電機冷卻系統內冷卻液溫度上升到64 ℃，觸發限溫邏輯，“限功率”燈高亮，動力總成輸出功率受到限制，車輛從42 km/h加速到95 km/h需要75 s，車輛無法正常行駛。

優化后，整個實驗過程中無“限功率”警報，動力總成輸出功率無限制，車輛從42 km/h加速到95 km/h需要15 s，車輛可以正常行駛。

需要說明的是，根據實驗工況，需在（40±3）km/h時觀察冷卻液降溫情況，優化前后在（40±3）km/h保持時間有差異，因此只比較42～95 km/h汽車加速情況。

綜上，通過表1及圖11～圖16可知，在相同工況條件下有如下的結論。

a.動力艙。

①冷卻液溫度。

優化前，怠速及低速時，當動力艙冷卻液溫度≥64 ℃后，儀表臺亮起“限功率”警示燈，如圖17所示。在車輛持續高速行駛時，因迎面風帶走動力艙大量熱負荷，所以不會出現電機被限功率情況。

實施優化方案后，動力艙冷卻液在怠速工況時溫度下降7 ℃。整個實車環模實驗過程中，無“限功率”警報，無火災風險（且根據溫度云圖，優化后動力艙溫度低于優化前）。

②汽車行駛情況。

優化前汽車從42 km/h加速到95 km/h需要75 s。實施優化方案后，汽車從42 km/h加速到95 km/h需要15 s。優化方案能使汽車電機在高溫熱負荷使用工況時，正常輸出功率，使車輛正常行駛。

b.乘員艙。

由于優化后方案增加了壓縮機可變頻控制技術，因此避免了冷卻液溫度超過閾值，然而也存在潛在的不利影響。

①由于壓縮機動態變頻后，乘員艙降溫效果會有所降低。根據實驗結果，優化后較優化前，在45 ℃極端環境工況下，怠速時前排吹面溫度升高約5 ℃，車輛正常行駛后，前排吹面溫度與優化前相當，不利影響消除。

②增加額外壓縮機啟停閾值（改成主動變頻技術）后，有可能頻繁變頻，引起NVH次生問題。經過NVH主觀評價，由于電動壓縮機自身啟動噪音較小，車內乘員對壓縮機頻繁變頻感知較小，可接受。

4 結語

由于各大主機廠轉向短前懸、短后懸、大軸距等一系列變化，導致部分車輛在量產后遇到了熱管理不暢、性能缺陷以及造型確定等問題，從而只能夠從系統控制策略優化的角度去提升系統效率與熱負荷之間的匹配程度。

本文以某款小型純電動汽車為研究對象，具體介紹了一種系統變頻控制優化方法，通過與動力總成，以及整車性能的匹配優化，成功解決了研究對象熱管理問題，經過市場驗證，該優化方法有效可靠。

針對夏日高溫度工況下，因動力艙內部冷卻液溫度過高，造成車輛無法正常行駛問題，通過動力艙熱源分析及動力艙與乘員艙熱管理匹配優化，開展實車的優化驗證：

a.設定冷卻液溫度第一閾值α1，通過整車EVC調整壓縮機頻率。

b.設定冷卻液溫度第二閾值α2，通過整車EVC關閉壓縮機。

c.當冷卻液溫度接近溫度閾值α1時，整車EVC實時監控，啟動判斷將壓縮機轉速β1降低至β2。

d. β1與β2的關聯關系依賴于系統實車標定，第一、第二閾值的設定與熱管理主要器件緊密關聯，依賴整車匹配。

結果表明，優化后的控制策略能夠避免整車驅動電機由于電驅冷卻系統防凍液溫度過高而限制功率輸出的問題，保證了汽車的正常行駛。

當電動汽車動力艙冷卻液溫度偏高時，本文沒有直接單獨考慮優化動力艙內部電驅冷卻系統，而是研究動力艙與乘員艙兩者熱管理控制策略的最佳匹配情況，研究結論對電動車熱管理提供了參考。該優化方案已實現產業化，并經過市場驗證，達到了很好的效果。

參考文獻：

[1]Wada M.Research and development of electric vehicles for clean Transportation[J].J.Environ.SCI，2009，21（6）：745-746.

[2]王元林，劉小華.某小型純電動汽車前機艙熱管理分析與優化[J].汽車零部件，2020（3）：31-36.

[3]姚孟良，甘云華.電動汽車一體化熱管理系統設計及綜合評價方法研究[D].重慶：重慶大學，2020.

[4]劉釗銘.電動汽車集成熱管理研究進展[J].工程科學學報，2020（4）：412-422.

[5]段艷麗.電動汽車空調及電池熱交換器的匹配與優化的研究[D].武漢：華中科技大學，2019.

作者簡介：

馬國俊，男，1986年生，博士研究生，研究方向為純電動汽車電池可靠性。