ATS在插電式城市客車上的應(yīng)用

龍愛軍， 陳 標(biāo)， 賀新峰， 陳詩庫， 閆 冬， 唐 劍

(1.中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司, 湖南 株洲 412007； 2.湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院, 湖南 株洲 412001;3.中車時(shí)代電動(dòng)汽車股份有限公司 湘江新區(qū)分公司，長沙 410005)

本文介紹ATS(發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)冷卻系統(tǒng)及電機(jī)/控制器自動(dòng)冷卻系統(tǒng))在我司TEG6851EHEV插電式城市客車上的應(yīng)用。區(qū)別于傳統(tǒng)車型中散熱器與中冷器的串列布置形式(其縱向空間要求較大，且由于風(fēng)要穿兩層因而散熱效率較低)，本車型采用散熱器與中冷器并列布置的形式(橫向安裝空間要求較大)，在滿足散熱要求的同時(shí)可減少縱向布置空間(因并列布置的冷卻效率高，散熱器及中冷器體積還可變小)。且使用無刷電子風(fēng)扇，相對于傳統(tǒng)風(fēng)扇更節(jié)能。通過理論匹配設(shè)計(jì)并完成整車轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

1 ATS組成及控制邏輯

根據(jù)該插電式城市客車配置表和整車總布置，初步設(shè)計(jì)ATS冷卻系統(tǒng)的位置及狀態(tài)。本文ATS冷卻系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)和電機(jī)/控制器冷卻系統(tǒng)，兩套冷卻系統(tǒng)是相互獨(dú)立的。其中發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)包括通過散熱器冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)和通過中冷器冷卻增壓空氣兩個(gè)部分，主要組成及循環(huán)如圖1所示，其中發(fā)動(dòng)機(jī)已自帶水泵。電機(jī)/控制器冷卻系統(tǒng)通過另外一個(gè)散熱器冷卻發(fā)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、控制器等，主要組成及循環(huán)如圖2所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)主要組成及循環(huán)

圖2 電機(jī)/控制器冷卻系統(tǒng)主要組成及循環(huán)

圖1中，發(fā)動(dòng)機(jī)為增壓柴油機(jī)，額定功率為125 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 600 r/min，最大扭矩為600 Nm，最大轉(zhuǎn)速為1 300～1 700 r/min，排量為3.8 L，壓縮比為17.2∶1。圖2 中采用的永磁同步發(fā)電機(jī)，其額定功率為65 kW，峰值功率為110 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 300 r/min，最高轉(zhuǎn)速為2 600 r/min，采用的永磁同步驅(qū)動(dòng)端電機(jī)，其額定功率為80 kW，峰值功率為150 kW，額定轉(zhuǎn)速為700 r/min，最高轉(zhuǎn)速為2 400 r/min。

圖1所示的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)控制邏輯如下：

1)當(dāng)冷卻液溫度<84 ℃且發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度<52 ℃時(shí)，散熱器、中冷器的(各2個(gè))電子風(fēng)扇全部停止。

2)當(dāng)84 ℃≤冷卻液溫度<93 ℃或52 ℃≤發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度<58 ℃時(shí)，散熱器、中冷器各1個(gè)電子風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)。

3)當(dāng)冷卻液溫度≥93 ℃或發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度≥58 ℃時(shí)，散熱器、中冷器的(各2個(gè))電子風(fēng)扇全部運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖2所示的電機(jī)/控制器冷卻系統(tǒng)控制邏輯如下：

1)當(dāng)電機(jī)溫度≥90 ℃或電機(jī)控制器溫度≥53 ℃時(shí)，其散熱器電子風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)。

2)當(dāng)電機(jī)溫度<90 ℃且電機(jī)控制器溫度<53 ℃時(shí)，其散熱器電子風(fēng)扇停止。

2 ATS有關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算及驗(yàn)證

2.1 散熱器和中冷器設(shè)計(jì)

2.1.1 冷卻系統(tǒng)散走的熱量

1)發(fā)動(dòng)機(jī)水套散熱量QW通常采用式(1)計(jì)算[1-4]：

QW=(A·ge·Nehn)/3 600

(1)

式中：A為發(fā)動(dòng)機(jī)傳給發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比，柴油機(jī)取值范圍0.18～0.25，本次取值0.24；ge為發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗率，咨詢發(fā)動(dòng)機(jī)廠家得到數(shù)據(jù)，取值0.195 kg/kWh;Ne為發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率，125 kW；hn為燃油低熱值，柴油取值為41 870 kJ/kg。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)得:

QW=(0.24×0.195×125×41 870)/3 600=68 kW

2)根據(jù)電機(jī)廠家提供的協(xié)議參數(shù)：驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱量Qm驅(qū)=4 kW，發(fā)電機(jī)散熱量Qm發(fā)=3.2 kW,控制器散熱量Qc控=3 kW。

則電機(jī)/控制器冷卻系統(tǒng)散熱量：

QW電控=Qm驅(qū)+Qm發(fā)+Qc控=10.2 kW

2.1.2 散熱面積計(jì)算

1)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的散熱面積FR按式(2)進(jìn)行計(jì)算：

FR=(?R·QW)/(K·ΔTm)

(2)

式中：?R為儲備系數(shù)，一般取值范圍為1.1～1.15，考慮冷卻水垢、焊接不良等對散熱器性能的影響，本次取值1.15；QW為冷卻系統(tǒng)應(yīng)散發(fā)出去的熱量，見上節(jié)數(shù)據(jù)為68 kW；K為散熱器的散熱系數(shù)，由散熱器廠家提供，取值0.069 kW/m2℃；ΔTm為冷卻液與環(huán)境空氣的平均溫差，本次取值分別為93 ℃、38 ℃，故得差值ΔTm為55 ℃。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(2)可得發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器的散熱面積：

FR=(1.15×68)/(0.069×55)=20.61 m2

現(xiàn)匹配的散熱器面積為23 m2，具體參數(shù)為706 mm(芯高)×368 mm(芯寬)×81 mm(芯厚)，型式為四排管、管帶式，可拆卸側(cè)置直流式安裝結(jié)構(gòu)。

2)中冷器的散熱面積FC可按式(3)進(jìn)行計(jì)算：

FC=QC中/(KC·Δtm),QC中=CP·Δt·VC

(3)

式中：QC中為通過中冷器散走的熱量；CP為空氣定壓比熱，本次取值1.05 kJ/kg℃；Δt為通過中冷器空氣的平均溫差，本次取值分別取進(jìn)氣58 ℃、出氣52 ℃，故得差值Δt為6 ℃；VC為中冷器中的空氣流速，綜合廠家提供參數(shù)及以往匹配經(jīng)驗(yàn)，本次取值10 m/s；KC為中冷器散熱系數(shù)，由廠家提供，取值0.5；Δtm為中冷器出氣溫度與環(huán)境空氣的平均溫差，本次取值分別為58 ℃、38 ℃，故得差值Δtm為20 ℃。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)可得中冷器的散熱面積：

FC=(1.05×6×10)/(0.5×20)=6.3 m2

現(xiàn)匹配中冷器的散熱器面積為7.2 m2,具體參數(shù)為640 mm(芯高)×252 mm(芯寬)×65 mm(芯厚)，型式為單排管、管帶式，“U”型側(cè)置直流式安裝結(jié)構(gòu)。

3)電機(jī)/控制器冷卻散熱面積FR電控可按式(4)進(jìn)行計(jì)算[5-6]：

FR電控=QW電控/(KR·ΔtR)

(4)

式中：QW電控為電機(jī)/控制器冷卻散熱量；KR為電機(jī)/控制器散熱器散熱系數(shù)，由廠家提供參數(shù)，本次取值0.11；ΔtR為電機(jī)/控制器散熱器冷卻液與環(huán)境空氣的平均溫差，本次取值分別為53 ℃、38 ℃，故得差值ΔtR為15 ℃。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(4)可得：

FR電控=10.2/(0.11×15)=6.18 m2

現(xiàn)匹配的散熱面積為9.17 m2，滿足散熱要求。具體參數(shù)為688 mm(芯高)×375 mm(芯寬)×26 mm(芯厚)，鋁塑材料，側(cè)置直流式安裝結(jié)構(gòu)。

2.2 電子風(fēng)扇設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1 風(fēng)扇外徑確定

根據(jù)整車總布置的要求和散熱器芯子尺寸，風(fēng)扇外徑掃過的環(huán)形面積占散熱器芯子正面面積百分比應(yīng)在45%～60%[7-10]。該車型散熱器與中冷器并列布置。

1)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器。其散熱器迎風(fēng)面積F散為：

F散=0.706(芯高)×0.368(芯寬)=0.26 m2

散熱器采用2個(gè)電子風(fēng)扇，則每個(gè)電子風(fēng)扇的外徑D散為[11]：

2)中冷器。其迎風(fēng)面積F中為：

F中=0.64(芯高)×0.252(芯寬)=0.16 m2

中冷器采用2個(gè)電子風(fēng)扇，則每個(gè)電子風(fēng)扇的外徑D中為[11]：

滿足面積比在45%～60%的要求。

同樣方法確定電機(jī)/控制器冷卻系統(tǒng)選用一個(gè)外徑為300 mm的電子風(fēng)扇。

2.2.2 電子風(fēng)扇風(fēng)量確定

本次實(shí)車散熱器、中冷器、電機(jī)/控制器冷卻系統(tǒng)所選用的電子風(fēng)扇單個(gè)最大風(fēng)量分別為3 100 m3/h、2 500 m3/h和2 900 m3/h。下面根據(jù)散熱器和中冷器、電機(jī)/控制器冷卻系統(tǒng)的最大散熱能力來計(jì)算確定所選用的風(fēng)扇風(fēng)量是否滿足設(shè)計(jì)要求。

1)不考慮環(huán)境風(fēng)的影響，可計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率下散熱器冷卻空氣總量Wa散為[12-14]：

Wa散=QW/(ΔtaγaCPa)=
(68×3 600)/(40×1.29×1.05)=
4 518 m3/h< 3 100 m3/h×2

式中：QW為散熱器應(yīng)散發(fā)出去的熱量；Δta為環(huán)境空氣流經(jīng)散熱器前后的溫度差，散熱器前空氣平均溫度取38 ℃,空氣經(jīng)過散熱器及風(fēng)扇后平均溫度取78 ℃,本次Δta值為40 ℃；γa為環(huán)境空氣密度，取值1.29 kg/m3；CPa為空氣的定壓比熱，取值1.05 kJ/kg℃。

因此本次實(shí)車發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器所選用的2個(gè)電子風(fēng)扇的最大總風(fēng)量滿足使用要求。

2)同樣，可計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率下中冷器冷卻空氣總量Wa中為：

Wa中=QC中/(ΔtaγaCPa)=
(63×3 600)/(40×1.29×1.05)=
4 186 m3/h< 2 500 m3/h×2

因此本次實(shí)車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的中冷器所選用的2個(gè)電子風(fēng)扇的最大總風(fēng)量滿足使用要求。

3)同樣，可計(jì)算出電機(jī)/控制器冷卻系統(tǒng)冷卻空氣總量Wa電控為：

Wa電控=QW電控/(Δta電控γaCPa)=
(10.2×3 600)/(20×1.29×1.05)=
1 355 m3/h< 2 900 m3/h

式中：參照散熱器Δta取值及芯厚差值，散熱器前空氣平均溫度取38 ℃,空氣經(jīng)過散熱器及風(fēng)扇后平均溫度取58 ℃,本次Δta電控值為20 ℃。

因此本次實(shí)車電機(jī)/控制器冷卻系統(tǒng)所選用的電子風(fēng)扇最大風(fēng)量滿足使用要求。

2.2.3 風(fēng)扇運(yùn)行策略

除前述控制邏輯外，風(fēng)扇的運(yùn)行策略如下：

1)對于發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器及中冷器：當(dāng)84 ℃≤發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度<93 ℃時(shí)，散熱器下排風(fēng)扇工作，溫度每上升1 ℃，占空比增加12%；當(dāng)52 ℃≤發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度為<58 ℃時(shí)，中冷器下排風(fēng)扇工作，溫度每上升1 ℃，占空比增加15%。

2)對于電機(jī)/控制器：當(dāng)電機(jī)溫度≥90 ℃或電機(jī)控制器溫度≥53 ℃時(shí)，風(fēng)扇開始工作，工作占空比最低為40%，最高為95%，溫度每上升1 ℃，占空比增加6%。

3)對于兩套冷卻系統(tǒng)都有：風(fēng)扇每次啟動(dòng)之前，前4 s都以95%的占空比工作；車輛間隔運(yùn)行72 h，冷卻風(fēng)扇執(zhí)行反轉(zhuǎn)抖灰塵操作。

2.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本次實(shí)驗(yàn)在公司整車轉(zhuǎn)鼓實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[15-16]進(jìn)行操作。實(shí)驗(yàn)工況模擬市區(qū)公交1號線路，將4個(gè)電子風(fēng)扇設(shè)置全速運(yùn)轉(zhuǎn)以便測試最大散熱能力。另車輛超載20%，為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為可靠，額外設(shè)置全程2%坡度的爬坡環(huán)境。

控制客車使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在最大扭矩工況狀態(tài)和額定功率工況狀態(tài)，兩工況的轉(zhuǎn)速偏差都在±30 r/min以內(nèi)。

所有溫度測點(diǎn)為避免與各部件直接接觸均采取懸空方式。根據(jù)需要選取采集數(shù)據(jù)中的環(huán)境溫度、散熱器出水溫度、中冷后溫度進(jìn)行分析處理，其中環(huán)境溫度取傳感器MS1通道，散熱器出水溫度取傳感器MS2通道，中冷后溫度取傳感器MS3通道，如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速-溫度圖

從圖3可知，散熱器出水溫度最高為85.16 ℃，出現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 617.5 r/min點(diǎn)，對應(yīng)的中冷后溫度為50.88 ℃、環(huán)境溫度為32.34 ℃。實(shí)驗(yàn)得到，高轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液出口溫度和環(huán)境溫度的溫差為85.16 ℃-32.34 ℃=52.82 ℃<55 ℃(式(2)中的ΔTm)，滿足實(shí)驗(yàn)要求。從而許用環(huán)境溫度為100 ℃-52.82 ℃=47.18 ℃，高轉(zhuǎn)速下發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度(即中冷器出氣溫度)和環(huán)境溫度的溫差為50.88 ℃-32.34 ℃=18.54 ℃<20 ℃(式(3)中的Δtm)，滿足實(shí)驗(yàn)要求，此實(shí)驗(yàn)達(dá)到了整車及發(fā)動(dòng)機(jī)廠家的目標(biāo)，也驗(yàn)證了本車型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)TEG6851EHEV插電式城市客車開發(fā)項(xiàng)目需求，采用了散熱器與中冷器并列布置的形式，通過對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)及電機(jī)、控制器冷卻系統(tǒng)的匹配計(jì)算，確定所選用散熱器能夠滿足車型散熱需求，并經(jīng)過整車轉(zhuǎn)鼓臺實(shí)驗(yàn)予以驗(yàn)證，為后續(xù)車輛的ATS設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。