針對某插電式混合動力汽車 （PHEV）設計了一套熱管理系統，來保證其動力系統、電池系統、空調系統在各工況下安全可靠地運行.通過虛擬仿真分析技術，對動力系統中的電機冷卻系統在典型工況進行仿真分析，評估了電機冷卻系統設計的可行性.另外，考慮到熱管理系統的能耗，對電機冷卻系統中電動水泵及其控制策略進行優化.計算結果顯示，優化后春秋季、夏季環境的城市循環工況，電動水泵能耗分別降低了54%和85%，能耗降低明顯.
近年來，環境和能源問題在中國經濟的快速發展中的挑戰越來越大，汽車產業作為擁有廣泛上下游供應鏈的產業，在國民經濟中占有很大的比例.在政策層面，排放和燃油消耗法規也愈加嚴格，在這一背景下，開發節能環保的汽車是一個趨勢.同時，中央政府及各地方政府頒布了一系列政策法規來推動新能源汽車的開發和市場化進程.
在眾多新能源汽車中，插電式混合動力汽車由于其兼具節能和充電優勢，在市場上頗受歡迎.然而，由于插電式混合動力汽車存在兩種以上的動力源和多種工作模式，且它們之間又存在復雜的耦合模式，其開發難度及成本也相對較大.
為了實現整車在不同動力模式及工況下的工作，需要對發動機、發電機動力系統及其附件進行精確控制，這便是整車控制工作的目的所在.整車熱管理控制是插電式混合動力汽車整車控制功能中很重要的模塊，使動力系統的零部件工作在合理的溫度范圍，同時盡可能降低熱管理系統的能耗.對整車熱管理系統的設計、系統中零部件選型，以及電子水泵、電子風扇、電動壓縮機、膨脹閥、電磁閥等的控制邏輯設定標定，是整車熱管理的重要工作內容.
盧山、盧桂萍等基于V字型開發模式，對某插電式混合動力汽車整車熱管理控制策略進行開發研究，經過算法設計、模型開發、單元測試、功能驗證和實車驗證整個開發過程，保證各零部件的工作溫度在合理范圍內，符合其控制軟件的功能需求.李峰對某插電式混合動力汽車設計了一套利用發動機熱量給電池預熱、電機熱量給發動機預熱的方案，研究了基于發動機水溫、電機水溫、電池SOC不同而采用不同預熱模式的控制策略，從而提高了整車的能源利用效率.
然而，對于熱管理系統內執行部件的能耗研究較少.電子水泵、電動壓縮機、電子風扇等這些驅動熱管理系統工作的重要部件，本身需要消耗一定的電池電量.對這些部件，設計合理的控制邏輯，在滿足系統合理工作水溫的前提下，降低其本身能耗也甚為重要.

1 插電式混合動力汽車熱管理系統設計
本文針對某插電式混合動力汽車設計了一套整車電機冷卻熱管理系統，來保證動力系統、電池系統、空調系統在各模式/工況下的安全可靠運行.
該款插電式混合動力汽車的整車熱管理系統原理如圖1所示，該系統共有4個冷卻回路.分別是發動機冷卻及空調采暖系統回路；動力電池升溫/降溫系統回路；空調制冷系統回路；電機冷卻系統回路.


圖1 熱管理系統原理圖
發動機冷卻及空調采暖系統回路與傳統燃油車相比，在暖風支路增加了一個電子水泵和單向閥、水加熱PTC、以及一個三通閥，保證車輛在純電動模式下的乘員艙采暖需求.同時，在暖風支路并聯了一個板式換熱器，與動力電池升溫/降溫系統回路進行耦合換熱，從而保證動力電池的升溫需求.
動力電池升溫/降溫系統回路，是一個包含了板式換熱器、Chiller（動力電池冷卻器）、動力電池水冷板、電子水泵的回路系統.通過板式換熱器與發動機冷卻及空調采暖系統回路耦合換熱，保證動力電池的升溫需求.通過Chiller與空調制冷系統回路耦合換熱，保證動力電池的降溫需求.
空調制冷系統回路是一個包含兩個并聯制冷支路的系統.其中，一個支路為熱力膨脹閥和蒸發器，提供乘員艙的降溫需求；另一個支路為電子膨脹閥和Chiller保證動力電池的降溫需求.由于要同時保證乘員艙與動力電池的降溫需求，空調制冷回路的壓縮機及冷凝器也提高了要求.均通過電磁截止閥控制兩個支路的聯通和斷開.
電機冷卻系統回路是一個單獨的冷卻回路，包括了低溫散熱器、電子水泵、充電機、電機控制器、電機等.電子水泵驅動回路冷卻液流動，將各發熱件的熱量通過低溫散熱器與環境空氣換熱帶走.
整個熱管理系統的前端模塊 （散熱器、冷凝器、中冷器、低溫散熱器、電子風扇）通過分層布置在汽車前保險桿格柵之后.通過正常行駛及風扇驅動環境空氣強制對流換熱，將熱管理系統各回路的熱量帶走，使熱管理系統內各部件在許用或需求溫度范圍內工作.

2 電機冷卻系統匹配分析
電機冷卻系統是一個單獨的冷卻回路，且低溫散熱器布置在前端模塊的最前面.在前端模塊密封較好的前提下，低溫散熱器的進風溫度與環境溫度大致相當.電機冷卻系統的換熱基本不受其他3個換熱系統的影響，所以，可以單獨評估電機冷卻系統的設計是否滿足整車需求.
根據企業內部標準以及整車熱平衡試驗經驗，60 km/h爬坡 （9%坡度）工況下，整車負荷較大，對應的電機、電機控制器散熱量也會比較大；同時這一工況下，車速不太高，低溫散熱器進風量不會太大，對于電機冷卻系統挑戰較大.另外，蠕行工況 （設定蠕行車速6 km/h）下，雖然整車負荷不大，但是低溫散熱器進風主要靠風扇驅動，進風來自貼近地面空氣或部分熱回流空氣，進風溫度較高；同時，單靠風扇驅動進風，進風量相對較小，電機冷卻系統也可能存在風險.綜合以上，選定低速蠕行工況和60 km/h爬坡 （9%坡度）工況，評估電機冷卻系統設計可行性.
本文采用三維CFD仿真分析與一維系統仿真分析相結合的方法，計算電機冷卻系統在純電動模式、典型工況下系統的溫度和流量，評估系統設計的可行性.
通過機艙三維CFD仿真分析，計算低速蠕行工況和60 km/h爬坡 （9%坡度）工況下，低溫散熱器的進風量和進風溫度，作為電機冷卻系統一維仿真分析的邊界輸入.機艙三維CFD仿真分析模型，如圖2所示.


圖2 機艙三維CFD分析模型
風洞入口邊界定義為速度入口，入口風速等同于車速；前端模塊換熱器 （低溫散熱器、冷凝器、中冷器、散熱器）定義為多孔介質；風扇采用多重坐標系法 （multiple reference frame，MRF）來模擬.設定風扇轉速為2 200 r/min，換熱器參數如表1所示.

表1 換熱器參數

三維CFD仿真分析可直觀得到低溫換熱器流場信息.由圖3可知，低速蠕行工況下，低溫散熱器進風面，除左上小部分區域外，大部分區域速度分布均勻，有利于低溫散熱器換熱.溫度分布也較為均勻，說明前端模塊密封較好，有效控制機艙熱氣流回流到散熱器進風面，有利于低溫散熱器換熱.

圖3 低速蠕行工況低溫散熱器進風面云圖
由圖4可知：60 km/h爬坡工況 （9%坡度）下，低溫散熱器進風面速度分布、溫度分布也較為均勻，有利于低溫散熱器換熱.


圖4 60 km/h爬坡 （9%坡度）工況低溫散熱器進風面云圖
統計低溫散熱機艙三維CFD仿真分析計算結果如表2所示，作為電機冷卻系統一維仿真分析的邊界輸入.
表2 低溫散熱器流場信息表

按照電動機、電機控制器效率MAP圖，估算低速蠕行工況和60 km/h爬坡 （9%坡度）工況下各自的散熱量，作為邊界輸入.計算得到電機冷卻系統各部件進、出水溫度如表3所示，進水水溫滿足目標要求.說明系統設計可行.
表3 電機冷卻系統水溫分布表


3 電子控制策略優化
3.1 電子水泵能耗分析
基于上述電機冷卻系統一維仿真分析模型，計算純電動模式、城市循環工況下電機冷卻系統的內部水溫分布.其中，電子水泵的控制策略設定為充電機、電機控制器、電動機任何一個進水水溫大于40℃時，電子水泵開啟以定轉速 （6 500 r/min）工作.城市循環 （30次）工況如圖5所示，30次循環總時間3 960 s，行駛里程19.83 km.


圖5 城市循環 （30次）工況速度圖
計算春秋季 （環境溫度20℃）、夏季（環境溫度45℃）兩種不同環境下，電機冷卻系統各部件的進水溫度以及電子水泵的總功耗，見圖6和圖7.
由圖6可知，春秋季環境下，城市循環工況電機控制器進水水溫在17～19℃之間波動（圖6（a）），電機進水水溫在40～45℃之間波動（圖6（b）），均滿足小于65℃的水溫目標.夏季環境下，城市循環工況電機控制器進水水溫在52.5～55℃之間波動（圖6（c）），電機進水水溫在54～56.5℃之間波動（圖6（d）），滿足小于65℃的水溫目標.
由圖7可知，春秋季環境下，城市循環工況，電子水泵大部分時間不需要工作，其轉速為零.當電機進水溫度大于40℃時，電子水泵工作，驅動冷卻液循環，通過低溫散熱器與環境空氣換熱，將電機、電機控制器產生的熱量帶走，系統水溫下降，直至電機進水溫度小于40℃時，電子水泵又停止工作 （轉速為零）（圖7（a）），電子水泵輸出功率較小（圖7（b））.夏季環境下，城市循環工況，電子水泵以定轉速進行工作（圖7（c）），電子水泵的輸出功率基本恒定（圖7（d））.
春秋季、夏季兩種季節環境下，整個城市循環工況電子水泵總能耗分別為：12.56 kJ和188.84 kJ.


圖6 城市循環工況部件進水水溫


圖7 城市循環工況電子水泵轉速和功率
3.2 電子水泵控制策略優化
將電子水泵控制邏輯改為占空比模式，充電機、電機控制器、電動機進水溫度在不同溫度范圍內，對應電子水泵不同的占空比，即電子水泵不同的轉速.參數如表4所示.
表4 不同部件水溫范圍-電子水泵占空比數值表

電子水泵控制策略優化后，城市循環工況下，各部件進水溫度見圖8（a）-（d）.電子水泵的轉速和功率見圖9（a）-（d）.
由圖8可知，春秋季環境下，城市循環工況電機控制器進水水溫在18～18.5℃之間波動（圖8（a）），電機進水水溫穩定在40℃（圖8（b）），均滿足小于65℃的水溫目標.夏季環境下，城市循環工況電機控制器進水水溫在49～51℃之間波動（圖8（c）），電機進水水溫在54～56℃之間波動（圖8（d）），滿足小于65℃的水溫目標.
由圖9（a）、 （b）可知，春秋季環境，城市循環工況下，電子水泵控制策略優化后，電子水泵轉速在975～3 250 r/min之間跳動.相對于策略優化前，電子水泵轉速頻繁啟動、停止的情況，水泵運行更為穩定，對水泵運行可靠性、噪音都能有所控制.同時、電子水泵輸出功率較優化前有所減小，整個城市循環工況電子水泵總能耗降低為5.78 kJ，相較于策略優化前，降低了54%.


圖8 優化后城市循環工況部件進水水溫


圖9 優化后城市循環工況電子水泵轉速和功率
由圖9（c）、（d）可知，夏季環境，城市循環工況下，電子水泵控制策略優化后，電機冷卻系統各部件初始溫度均為環境溫度45℃，電子水泵以3 250 r/min轉速工作，大約200 s后，電機進水溫度穩定在54～56℃之間波動，位于40～60℃溫度區間，電子水泵持續以3 250 r/min轉速工作，完成整個城市循環工況.相對于策略優化前6 500 r/min工作轉速，電子水泵工作轉速大幅降低.電子水泵的輸出功率較優化前也大幅減小.相對應的整個城市循環工況，電子水泵總能耗降低為27.58 kJ，相較于策略優化前的188.84 kJ，降低了85%，能耗降低明顯.

4 結 論
1）針對某插電式混合動力汽車設計了一套整車電機冷卻熱管理系統，來保證動力系統、電池系統、空調系統等在各模式/工況下的安全可靠運行.
2）基于三維CFD仿真分析與一維系統仿真分析相結合的方法，計算了電機冷卻系統在純電動模式，低速蠕行工況和60 km/h爬坡工況下系統的溫度和流量，評估系統設計可行.
3）考慮到熱管理系統的能耗，對電機冷卻系統中電子水泵及其控制策略進行優化.計算了優化前后，春秋季、夏季兩種環境下，城市循環工況（30次）電機冷卻系統電子水泵總能耗.計算結果顯示，優化后，春秋季、夏季環境，城市循環工況下，電子水泵能耗分別降低54%和85%，能耗降低明顯。