一種電動(dòng)商用車熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

宋峰偉 蘇楠 范浩

摘 要：一種純電動(dòng)重型商用車熱管理系統(tǒng)，采用電控三通閥方案控制PTC加熱循環(huán)系統(tǒng)和電機(jī)冷卻循環(huán)系統(tǒng)回路的開(kāi)啟及關(guān)閉，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻循環(huán)系統(tǒng)作為輔助采暖裝置。采用此方案后，可有效降低PTC的開(kāi)啟時(shí)間，從而降低整車在特定工況下的能耗，有效延長(zhǎng)車輛在特定工況下的續(xù)航里程。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng);PTC;電機(jī);熱管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U469.7? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1671-7988（2020）17-66-03

Design and Research of the Utility Model Relates to An Electric Commercial

Vehicle Thermal Management System

Song Fengwei， Su Nan， Fan Hao

（ Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Research Institute， Shaanxi Xian 710119 ）

Abstract： The utility model relates to a pure electric heavy commercial vehicle thermal management system， which adopts the electrically controlled three-way valve scheme to control the opening and closing of the PTC heating cycle system and the motor cooling cycle system loop， and USES the drive motor cooling cycle system as an auxiliary heating device. After adopting this scheme， the opening time of PTC can be effectively reduced， so as to reduce the energy consumption of the vehicle under specific working conditions and effectively extend the mileage of the vehicle under specific working conditions.

Keywords： Pure electric; PTC; Motor; Thermal management system

CLC NO.： U469.7? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）17-66-03

引言

汽車純電動(dòng)化已經(jīng)是全球汽車產(chǎn)業(yè)的一種主流發(fā)展方向，但續(xù)航里程焦慮的問(wèn)題一直未得到有效改善，純電動(dòng)汽車主流熱管理系統(tǒng)采用PTC水加熱器對(duì)乘員艙及電池包進(jìn)行加熱，從而達(dá)到與傳統(tǒng)燃油車輛類似的熱管理效果，但PTC能耗相對(duì)較大，長(zhǎng)期開(kāi)啟對(duì)純電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，尤其是北方城市冬季開(kāi)啟暖風(fēng)后，車輛續(xù)航里程往往只有夏季的一半多，部分司機(jī)為了達(dá)到長(zhǎng)續(xù)航的目標(biāo)，甚至不開(kāi)暖風(fēng)，導(dǎo)致新能源汽車在冬季的舒適性嚴(yán)重下降。

1 電動(dòng)商用車熱管理系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前新能源商用車熱管理系統(tǒng)主要有兩種方案：1、將電機(jī)控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、PTC、暖風(fēng)芯體串聯(lián)在一起，開(kāi)啟暖風(fēng)后，整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)中的冷卻液由PTC和電機(jī)水套共同進(jìn)行加熱，由于此種循環(huán)系統(tǒng)較為龐大，電機(jī)高功率運(yùn)行時(shí)可以輔助PTC給冷卻液進(jìn)行加熱，但在冷車啟動(dòng)或電機(jī)低功率運(yùn)行工況時(shí)，電機(jī)散熱量較小，主要依靠PTC加熱冷卻液，會(huì)導(dǎo)致整車熱管理系統(tǒng)能耗嚴(yán)重增高;2、PTC加熱系統(tǒng)和電機(jī)冷卻系統(tǒng)完全獨(dú)立，此種循環(huán)系統(tǒng)相對(duì)于第一種系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于，暖風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)冷卻液容量較小，開(kāi)啟暖風(fēng)后PTC只需要加熱獨(dú)立出的暖風(fēng)系統(tǒng)的冷卻液，但電機(jī)冷卻液無(wú)法參與暖風(fēng)系統(tǒng)循環(huán)，無(wú)法有效利用電機(jī)高功率工況時(shí)產(chǎn)生的熱量，耗能比前一種略低，但整套熱管理系統(tǒng)開(kāi)啟暖風(fēng)后綜合能耗依然很高。

根據(jù)目前商用車驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電機(jī)控制器現(xiàn)狀，電機(jī)的最佳工作溫度在60～120度之間，最高允許溫度不超過(guò)140度，電機(jī)控制器的最佳工作溫度在40～60度之間，最高允許溫度不超過(guò)80度，溫度過(guò)高會(huì)嚴(yán)重影響整套系統(tǒng)硬件的使用壽命和運(yùn)行效率，圖1所示為現(xiàn)有純電車型驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器溫度采集數(shù)據(jù)。

2 一種新型的熱管理系統(tǒng)研究

2.1 方案概述

如圖2所示，將電機(jī)控制器冷卻循環(huán)系統(tǒng)獨(dú)立出來(lái);如圖3所示，將驅(qū)動(dòng)電機(jī)、PTC、暖風(fēng)芯體納入一整套熱管理系統(tǒng)，將電機(jī)的正常工作溫度提升至80～100度，基于冷卻液溫度傳感器實(shí)時(shí)采集的冷卻液溫度信息，由整車控制器分別控制PTC、電動(dòng)水泵的開(kāi)啟和關(guān)閉、控制電控三通閥的開(kāi)啟方向（即冷卻液的流向），從而最大限度的采用電機(jī)冷卻液給駕駛室采暖，有效降低PTC的使用頻率，達(dá)到降低整車能耗的目的。

整套熱管理系統(tǒng)在原車基礎(chǔ)上，只需要增加電控三通閥和冷卻液溫度傳感器即可，根據(jù)冷卻液溫度傳感器采集的實(shí)時(shí)溫度信息，由整車控制器實(shí)時(shí)控制PTC、電動(dòng)水泵、電控三通閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，控制邏輯簡(jiǎn)單，對(duì)原車的硬件、控制模塊改動(dòng)較小，具有易于實(shí)現(xiàn)，能效優(yōu)異的特點(diǎn)。

2.2 方案原理介紹

本套系統(tǒng)由兩部分獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，其中，圖3所示系統(tǒng)的主要功能是冷卻驅(qū)動(dòng)電機(jī)、通過(guò)PTC或驅(qū)動(dòng)電機(jī)加熱的冷卻液給駕駛室提供暖風(fēng)，根據(jù)不同工況，由VCU控制電控三通閥V1/V2/V3的開(kāi)啟方向，冷卻液通過(guò)循環(huán)1至循環(huán)4，分別流經(jīng)不同循環(huán)系統(tǒng);圖2所示系統(tǒng)的主要功能是冷卻驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器，冷卻液流經(jīng)循環(huán)5/循環(huán)6，達(dá)到單獨(dú)對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行冷卻的目的。

2.3 方案具體實(shí)施方式

圖3所示系統(tǒng)有以下幾種工況：

工況1：未開(kāi)啟暖風(fēng)，溫度傳感器T的溫度低于預(yù)設(shè)最高溫度值，此時(shí)電動(dòng)三通閥V1開(kāi)啟1/2口，電動(dòng)三通閥V2/V3關(guān)閉，電動(dòng)水泵1/2均關(guān)閉，PTC關(guān)閉，冷卻液流經(jīng)循環(huán)1/2，以此快速達(dá)到電機(jī)的正常工作溫度。

工況2：未開(kāi)啟暖風(fēng)，溫度傳感器T的溫度超過(guò)預(yù)設(shè)最高溫度值，此時(shí)電動(dòng)三通閥V1開(kāi)啟1/2口，電動(dòng)三通閥V2/V3均關(guān)閉，電動(dòng)水泵1工作，電動(dòng)水泵2關(guān)閉，PTC關(guān)閉，冷卻液流經(jīng)循環(huán)1/2;當(dāng)溫度傳感器T的實(shí)時(shí)溫度值低于預(yù)設(shè)的最低溫度值時(shí)，再次進(jìn)入工況1模式。

工況3：開(kāi)啟暖風(fēng)，溫度傳感器T的實(shí)時(shí)溫度低于預(yù)設(shè)中值，此時(shí)電動(dòng)三通閥V1開(kāi)啟1/2口，電控三通閥V2/V3均開(kāi)啟1/2/3口，電動(dòng)水泵1關(guān)閉，電動(dòng)水泵2工作，PTC開(kāi)啟，冷卻液分別流經(jīng)循環(huán)1/2和循環(huán)3/4，此時(shí)由PTC作為暖風(fēng)的唯一熱量來(lái)源;當(dāng)溫度傳感器T的實(shí)時(shí)溫度超過(guò)預(yù)設(shè)中值時(shí)，進(jìn)入工況4模式;

工況4：開(kāi)啟暖風(fēng)，溫度傳感器T的實(shí)時(shí)溫度超過(guò)預(yù)設(shè)中值，此時(shí)電動(dòng)三通閥V1/V2均開(kāi)啟1/3口，電動(dòng)三通閥V3開(kāi)啟1/2/3口，電動(dòng)水泵1工作，電動(dòng)水泵2關(guān)閉，PTC關(guān)閉，冷卻液流經(jīng)循環(huán)1/4，此時(shí)由電機(jī)冷卻液作為暖風(fēng)的唯一熱量來(lái)源;當(dāng)溫度傳感器T的實(shí)時(shí)溫度低于預(yù)設(shè)中值時(shí)，再次進(jìn)入工況3模式，當(dāng)溫度傳感器的實(shí)時(shí)溫度高于預(yù)設(shè)最高值，進(jìn)入工況5模式。

工況5：開(kāi)啟暖風(fēng)，溫度傳感器T的實(shí)時(shí)溫度超過(guò)預(yù)設(shè)最高值，此時(shí)電動(dòng)三通閥V1/V3均開(kāi)啟1/2/3口，電動(dòng)三通閥V2開(kāi)啟1/3口，電動(dòng)水泵1工作，電動(dòng)水泵2關(guān)閉，PTC關(guān)閉，冷卻液流經(jīng)循環(huán)1/2/4，此時(shí)由電機(jī)冷卻液作為暖風(fēng)的唯一熱量來(lái)源;當(dāng)溫度傳感器T的實(shí)時(shí)溫度低于預(yù)設(shè)中值時(shí)，再次進(jìn)入工況4模式。

圖2所示系統(tǒng)的工作情況如下：

驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器從原有的冷卻系統(tǒng)中獨(dú)立出來(lái)，根據(jù)控制器自帶的溫度傳感器采集的溫度信息，由整車控制器控制電動(dòng)水泵的開(kāi)啟和關(guān)閉，達(dá)到給驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器冷卻的目的。

3 應(yīng)用效果分析

臺(tái)架測(cè)試電機(jī)和控制器實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)如圖4所示，電機(jī)的常用工作溫度在70到90℃之間，冷卻系統(tǒng)溫度足夠達(dá)到給駕駛室采暖的目的。

4 結(jié)論

本文主要內(nèi)容是針對(duì)現(xiàn)有純電動(dòng)商用車熱管理系統(tǒng)的不足之處，作出一些針對(duì)性的改善，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出以下結(jié)論：

本文描述的這種類型的熱管理系統(tǒng)，在車輛正常運(yùn)行工況下，可以使電機(jī)的常用工作溫度提升至70到90℃之間，冷卻液流經(jīng)暖風(fēng)芯體后，基本滿足駕駛室的采暖需求。

參考文獻(xiàn)

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