純電動自卸車冷卻系統參數匹配及仿真設計研究

摘要：新能源重卡設計對能耗的要求越來越高，冷卻系統作為動力系統附件設計重要組成部分，直接影響整車動力性及能耗。以某純電動自卸車為研究對象，為了保證驅動電機和電機控制器在各種工況下溫度都能維持在正常的工作范圍內，對整車冷卻系統匹配設計方案進行了研究，該方案包括電子水泵、電子風扇和散熱器等部件的理論分析計算。通過仿真軟件搭建冷卻系統模型，對冷卻系統流量和散熱器進出水溫度進行仿真分析，理論計算結果與仿真結果表明冷卻系統匹配設計合理，設計方案滿足動力系統散熱要求。

關鍵詞：純電動自卸車；散熱器；電子水泵；電子風扇；冷卻系統；仿真設計

中圖分類號：U4694" 收稿日期：2024-11-29

DOI：1019999/jcnki1004-0226202502003

1 前言

在“雙碳”政策驅動下，新能源重卡增長迅速。新能源自卸車已成為新能源重卡的第二大細分市場，應用規模不斷擴大。

在政策的持續推動下，砂石骨料、市政工程建設領域批量應用新能源重卡運輸已是大勢所趨。新能源自卸車憑借“零排放”和低噪音的雙重優勢，為推進綠色城市建設和交通運輸結構升級作出了巨大貢獻，純電動自卸車技術路線處于絕對的主體地位，占比超過90%以上。

本文結合某純電動自卸車在設計開發階段的實際需求，通過冷卻系統的匹配計算，對冷卻系統的核心部件進行選型研究，通過仿真分析進行校核分析，通過整車路試進行驗證。

2 冷卻系統匹配設計

冷卻系統是新能源自卸車動力系統附件設計的重要組成部分，對工作中的驅動電機及電機控制器進行適度的降溫，保證其工作在適宜的溫度范圍內。冷卻系統的性能直接影響驅動電機和電機控制器的動力性、能耗和使用壽命。

新能源汽車冷卻系統主要有液冷和風冷兩種類型，目前在新能源自卸車上廣泛采用的是水冷方式。水冷方式的冷卻系統主要由散熱器、電子風扇、電子水泵、驅動電機和電機控制器等組成［1］。在進行冷卻系統參數匹配設計時，需要對這些核心部件進行匹配和選型，從而達到動力系統的散熱需求。

目前，全球氣候變暖趨勢明顯，臭氧層變薄，溫室效應加劇，導致冰川融化。加之城市熱島效應和全球二氧化碳含量的上升，這些因素使得大氣層溫度升高。因此，整車最大使用環境溫度取45 ℃。

由于新能源自卸車空調系統的冷凝器普遍布置在冷卻系統散熱器后側，且與冷卻系統共用電子風扇。因此，冷卻系統匹配設計需考慮空調冷凝器的散熱量［2］。

21 冷卻系統冷卻部件散熱量

如表1所示，根據廠家提供的數據，驅動電機散熱功率Qm=808 kW，電機控制器散熱功率Qc=45 kW。由于空調冷凝器與散熱器疊加在一塊，所以散熱器也要考慮冷凝器的散熱功率，空調冷凝器的散熱功率Qa=7 kW。因此冷卻系統的散熱量為驅動電機、電機控制器和空調冷凝器之和，Qs=Qm+Qc+Qa=1958 kW。

22 水泵選型

為了使驅動電機和電機控制器能夠保持在正常溫度范圍內工作，需要通過電子水泵循環冷卻液將驅動電機和電機控制器所產生的熱量帶至散熱器進行散熱［3］。因此，需要對電子水泵進行匹配要求。為了克服散熱器、驅動電機、電機控制器和管路等水道的阻力，電子水泵運行必須能夠產生足夠的揚程。

純電動自卸車冷卻系統管路一般為串聯形式，驅動電機和電機控制器對入口冷卻液的流量要求為35～45 L/min，大揚程的電子水泵其功率和成本會相應升高，因此冷卻系統流量35 L/min即可。

根據冷卻系統各部件的水阻數據，在流量為35 L/min時，驅動電機的水阻為46 kPa，電機控制器的水阻為80 kPa，散熱器的水阻為4 kPa，布置管路的水阻為20 kPa，冷卻系統在30 L/min的水阻為150 kPa。

根據冷卻系統冷卻液流量和水阻要求，初選02036224001電子水泵，其流量揚程性能曲線如圖1所示。

據圖1可以得到，02036224001電子水泵在水阻為150 kPa時的流量為2 100 L/h（35 L/min），滿足冷卻系統流量需求。

23 電子風扇選型

為確保水泵和冷卻液發揮冷卻作用，還需要對電子風扇進行合理匹配，保證流經散熱器的空氣流量，使得冷卻液在流經散熱器時所攜帶的熱量容易散發，且溫度下降快速，電子風扇應滿足冷卻系統的風量需求［4］。

24 冷卻系統風量估算

冷卻空氣風量根據冷卻系統散熱量確定，為簡化問題，此處散熱器的散熱量取近似冷卻系統散熱量，則冷卻系統最小風量：

26 電子風扇選型

散熱器后配置三個電子風扇，以靜壓450 kPa時，單個電子風扇的風量≥1 817 m3/h作為主要選型依據。

根據風量及質量要求，初選斯佩爾無刷電子風扇VA113-BBL506PN-94A，其風量曲線如圖2所示。

27 散熱器選型

散熱器通過空氣傳熱的原理把冷卻液的部分熱量帶走，從而使驅動電機和電機控制器內部冷卻液的溫度適度降低，最終實現驅動電機和電機控制器的降溫［5］。在滿足整車布置空間的前提下，應盡可能增加散熱器的散熱面積，并減小散熱器芯部厚度，使之有利于提高電子風扇的風量和車輛的通氣性。

5 結語

依據整車技術要求對純電動自卸車的散熱器、電子水泵和電子風扇等部件進行了匹配設計，利用軟件對整車性能進行了仿真。整車在可靠性試驗過程中驅動電機及電機控制器運轉正常，水溫合適，沒有出現高溫現象。路試應用證明，冷卻系統匹配設計方案滿足驅動電機和電機控制器冷卻要求。

參考文獻：

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[2]王東亮載貨汽車冷卻系統匹配選型與總布置設計[J].機械，2022，49（9），63-67.

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[4]劉桂林客車冷卻系統設計[J].科技技術與研究，2008（2）：32-35.

[5]黃錦洋，杭磊汽車冷卻系統設計方法研究[C]//2013中國汽車工程學會年會論文集，2013.

[6]QC/T 468 汽車散熱器[S].

[7]QC/T 773 汽車散熱器電子風扇技術條件[S].

作者簡介：

王文，男，1990年生，工程師，研究方向為新能源商用車。