電動(dòng)汽車串聯(lián)/并聯(lián)冷卻系統(tǒng)架構(gòu)分析與評(píng)價(jià)

汪 爽,雍安姣,徐曼曼,俞志偉,付永宏,張林波

(1.奇瑞汽車股份有限公司 汽車工程技術(shù)研發(fā)總院，安徽 蕪湖 241006；2.安徽工程大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

電動(dòng)汽車以電能為驅(qū)動(dòng)力，與傳統(tǒng)車相比在使用過程中不會(huì)產(chǎn)生廢氣污染環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”和“碳中和”的關(guān)鍵[1-3]。傳統(tǒng)燃油車的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率在40%左右，而純電動(dòng)汽車的電機(jī)熱效率在90%～95%區(qū)間范圍內(nèi)，其動(dòng)力總成冷卻需求低于傳統(tǒng)燃油車[4]。但純電動(dòng)汽車同時(shí)還要保證電池、Conversion and Distribution Unit(CDU)和Motor Control Unit(MCU)等部件的冷卻需求，因此其冷卻系統(tǒng)更復(fù)雜，給設(shè)計(jì)和分析工作帶來了挑戰(zhàn)。

水冷冷凝器替代傳統(tǒng)空調(diào)回路的冷凝器，與電機(jī)冷卻系統(tǒng)共用一個(gè)散熱器是電動(dòng)汽車現(xiàn)階段熱門布置方案?；谠摬贾梅桨福淅淠髋c電機(jī)冷卻系統(tǒng)存在兩種布置架構(gòu)，一種為并聯(lián)架構(gòu)，即冷卻液從散熱器流出后通過三通閥分別流入水冷冷凝器與電機(jī)冷卻系統(tǒng)；另外一種為串聯(lián)架構(gòu)，即冷卻液從散熱器流出后先流入電機(jī)冷卻系統(tǒng)再流入水冷冷凝器。兩個(gè)架構(gòu)存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，并聯(lián)架構(gòu)流阻比串聯(lián)架構(gòu)要低，但控制復(fù)雜，合理分配各支路流量是難題。但是在系統(tǒng)冷卻性能方面，兩者的差異目前還未深入進(jìn)行研究。串聯(lián)/并聯(lián)架構(gòu)對(duì)電動(dòng)汽車?yán)鋮s能力和能耗有何影響，是否能滿足整車?yán)鋮s需求等是電動(dòng)汽車熱管理開發(fā)過程中亟待解決的難點(diǎn)問題。

綜上所述，針對(duì)水冷冷凝器與電機(jī)冷卻系統(tǒng)串聯(lián)和并聯(lián)兩種架構(gòu)，本文采用系統(tǒng)仿真的方法進(jìn)行了研究。首先在KULI 15.0中建立串聯(lián)和并聯(lián)仿真模型，選取駐車、駐車充電、勻速行駛和爬坡行駛等4種典型考核工況，對(duì)串聯(lián)和并聯(lián)兩種架構(gòu)的性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，研究結(jié)果將為電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)工作提供重要參考。

1 仿真模型及考核工況

1.1 仿真模型

采用KULI 15.0建立電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)串聯(lián)和并聯(lián)模型，其冷卻系統(tǒng)架構(gòu)分別如圖1、2所示，建立的并聯(lián)架構(gòu)仿真模型如圖3所示。兩個(gè)模型都包括空調(diào)回路、電池回路和電機(jī)系統(tǒng)-水冷冷凝器回路，除電機(jī)系統(tǒng)-水冷冷凝器回路存在串聯(lián)和并聯(lián)差異外，無其他區(qū)別。電池回路與空調(diào)回路通過Chiller(板式換熱器)實(shí)現(xiàn)換熱，對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行降溫?？照{(diào)回路蒸發(fā)器吸收的熱量通過水冷冷凝器傳遞到電機(jī)系統(tǒng)-水冷冷凝器回路的冷卻液中，再通過散熱器釋放到車外。

空調(diào)回路包括電動(dòng)壓縮機(jī)、水冷冷凝器、熱力膨脹閥、蒸發(fā)器、鼓風(fēng)機(jī)、電子膨脹閥和Chiller。電池回路包括動(dòng)力電池組、水泵1和Chiller。冷卻液在串聯(lián)冷卻系統(tǒng)的電機(jī)系統(tǒng)-水冷冷凝器回路流向依次為散熱器、電機(jī)系統(tǒng)、水泵2、水冷冷凝器、散熱器。冷卻液在并聯(lián)冷卻系統(tǒng)的電機(jī)系統(tǒng)-水冷冷凝器回路流向依次為散熱器、三通閥1、兩個(gè)并聯(lián)支路(支路1：水泵2、水冷冷凝器；支路2：電機(jī)系統(tǒng))、三通閥2、散熱器?？紤]到前電機(jī)入口冷卻液水溫有限制，兩個(gè)架構(gòu)中電機(jī)系統(tǒng)內(nèi)前電機(jī)與后電機(jī)采用并聯(lián)方案，即一個(gè)支路為CDU(ADAS)、MCU和RMotor(后電機(jī))，另一個(gè)支路為FMotor(前電機(jī))。串聯(lián)架構(gòu)中電機(jī)系統(tǒng)-水冷冷凝器回路總流量為20 L/min，兩個(gè)電機(jī)流量均為10 L/min。并聯(lián)架構(gòu)中電機(jī)系統(tǒng)-水冷冷凝器回路總流量為35 L/min，水冷冷凝器流量為15 L/min，兩個(gè)電機(jī)支路流量均為10 L/min。

1.2 考核工況

選取駐車、駐車充電、勻速行駛和爬坡行駛等4種典型考核工況，對(duì)串聯(lián)/并聯(lián)兩種架構(gòu)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，各個(gè)考核工況環(huán)境溫度均為40 ℃、太陽輻射1 050 W/m2、空調(diào)設(shè)置為內(nèi)循環(huán)、壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速6 500 r/min、電池組流量15 L/min、環(huán)境相對(duì)濕度50%、空調(diào)回風(fēng)口濕度35%，其他邊界參數(shù)設(shè)置如表1所示。此外，不同車速下散熱器迎面風(fēng)速通過STAR CCM+分析得到，如圖4所示。

表1 考核工況邊界參數(shù)

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 駐車工況結(jié)果及分析

駐車工況為表1中的第1個(gè)工況，艙內(nèi)起始溫度65 ℃，環(huán)境溫度40 ℃，該工況通常稱為最大降溫能力考核工況，通過分析該工況來評(píng)價(jià)乘員艙的最大降溫能力。駐車工況下串聯(lián)/并聯(lián)冷卻系統(tǒng)的性能比較如圖5所示。從圖5a中可以看出，串聯(lián)/并聯(lián)冷卻系統(tǒng)艙內(nèi)平均溫度下降曲線基本一致，大約1 300 s后艙內(nèi)溫度達(dá)到25 ℃，兩種架構(gòu)均能很好地保證乘員艙的熱舒適性。通過比較可以看出，串聯(lián)系統(tǒng)比并聯(lián)系統(tǒng)艙內(nèi)平均溫度低0.2 ℃，降溫能力略占優(yōu)勢(shì)。從圖5b中可以看出，隨著乘員艙溫度下降，兩種架構(gòu)下壓縮機(jī)功率都呈現(xiàn)緩慢減小的規(guī)律，其中串聯(lián)系統(tǒng)壓縮機(jī)功率比并聯(lián)系統(tǒng)要低100 W左右，另外串聯(lián)系統(tǒng)少一個(gè)水泵工作也會(huì)帶來系統(tǒng)功率的下降。串聯(lián)和并聯(lián)出現(xiàn)差異的原因是由于在駐車工況下，電機(jī)系統(tǒng)熱負(fù)荷小但仍有20 L/min的流量，此時(shí)散熱器流量為35 L/min，導(dǎo)致水冷冷凝器入口水溫比串聯(lián)模式高，從而引起空調(diào)系統(tǒng)功率相對(duì)較高。因此，從節(jié)能和乘員艙熱舒適性的角度來說，駐車工況下串聯(lián)架構(gòu)優(yōu)于并聯(lián)架構(gòu)。

2.2 駐車充電工況結(jié)果及分析

駐車充電工況為表1中的第2個(gè)工況和第3個(gè)工況，第2個(gè)工況代表充電時(shí)(慢充或快充)電池溫度達(dá)到55 ℃需要降溫且乘客艙同時(shí)開空調(diào)，對(duì)其進(jìn)行分析可評(píng)估充電工況下電動(dòng)汽車的降溫能力。第3個(gè)工況代表BOOST工況下充電(升壓快充)時(shí)電池達(dá)到55 ℃需要降溫且乘客艙同時(shí)開空調(diào)，此時(shí)電機(jī)系統(tǒng)存在較大的熱負(fù)荷，在該工況下是否能滿足乘員艙的熱舒適性對(duì)電動(dòng)汽車降溫能力是一個(gè)大的考驗(yàn)。

駐車空調(diào)AUTO+電池降溫工況下串聯(lián)/并聯(lián)系統(tǒng)性能比較如圖6所示。從圖6a中可以看出，串聯(lián)架構(gòu)與并聯(lián)架構(gòu)Chiller冷媒制冷量基本一致，但是串聯(lián)架構(gòu)的蒸發(fā)器冷媒側(cè)制冷量比并聯(lián)制冷量架構(gòu)高70 W左右，因此乘客艙降溫性能相對(duì)較好。從圖6b中可以看出，串聯(lián)架構(gòu)乘客艙平均溫度比并聯(lián)架構(gòu)低約0.2 ℃，與圖6a蒸發(fā)器制冷量呈現(xiàn)的規(guī)律一致。從圖6c中可以看出，串聯(lián)架構(gòu)壓縮機(jī)功率比并聯(lián)架構(gòu)低，與此同時(shí)串聯(lián)架構(gòu)空調(diào)回路冷媒制冷量更大，所以駐車空調(diào)AUTO+電池降溫工況串聯(lián)架構(gòu)優(yōu)于并聯(lián)架構(gòu)。

駐車空調(diào)AUTO+電池降溫+BOOST工況下串聯(lián)/并聯(lián)冷卻系統(tǒng)性能比較如圖7所示。從圖7a中可以看出，兩種架構(gòu)蒸發(fā)器和Chiller冷媒制冷量變化規(guī)律和大小基本一致，在150 s之前串聯(lián)架構(gòu)蒸發(fā)器冷媒制冷量比并聯(lián)架構(gòu)高200W左右。從圖7b中可以看出，150 s之前串聯(lián)架構(gòu)乘員艙內(nèi)平均溫度比并聯(lián)架構(gòu)低1 ℃左右，之后逐漸趨近一致。此外，1 500 s時(shí)艙內(nèi)平均溫度為26.5 ℃，乘客艙降溫能力略差，可通過增大壓縮機(jī)速度或更換大排量壓縮機(jī)來提高乘客艙的熱舒適性。從圖7c中可以看出，串聯(lián)架構(gòu)壓縮機(jī)功率比并聯(lián)架構(gòu)略低一點(diǎn)，此時(shí)兩種冷卻系統(tǒng)空調(diào)路制冷量大小基本相同，此外考慮到串聯(lián)架構(gòu)比并聯(lián)架構(gòu)少一個(gè)水泵工作。將圖6的結(jié)果與圖7的結(jié)果比較可以看出，在駐車工況下，由于Boost模式下電機(jī)系統(tǒng)熱負(fù)荷增加，串聯(lián)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)不再明顯，但仍然要優(yōu)于并聯(lián)架構(gòu)。因此，綜合分析結(jié)果可認(rèn)為駐車空調(diào)AUTO+電池降溫工況下串聯(lián)架構(gòu)優(yōu)于并聯(lián)架構(gòu)。

2.3 勻速行駛工況結(jié)果及分析

勻速行駛工況為表1中的第4個(gè)工況和第5個(gè)工況，在勻速行駛狀態(tài)下電機(jī)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生余熱進(jìn)而影響到散熱器的入口溫度。第4個(gè)工況車速為60 km/h，代表日常通勤，第5個(gè)工況車速為110 km/h，代表高速行駛。針對(duì)這兩個(gè)工況，研究空調(diào)AUTO模式下乘員艙的降溫性能和能耗，評(píng)估串聯(lián)/并聯(lián)架構(gòu)在勻速行駛狀態(tài)下的優(yōu)劣。

行車60 km/h工況下串聯(lián)/并聯(lián)冷卻系統(tǒng)性能比較如圖8所示。從圖8a中可以看出，兩種架構(gòu)下艙內(nèi)平均溫度變化趨勢(shì)一致，200 s之前溫度基本一致，200 s以后并聯(lián)架構(gòu)比串聯(lián)架構(gòu)溫度低約0.2 ℃，意味著在艙內(nèi)平均溫度這個(gè)指標(biāo)上并聯(lián)架構(gòu)略優(yōu)于串聯(lián)架構(gòu)。從圖8b可以看出，兩個(gè)架構(gòu)在勻速行駛、空調(diào)AUTO工況下，壓縮機(jī)功率的變化趨勢(shì)基本相同，隨著艙內(nèi)溫度降低，壓縮機(jī)功率逐漸下降，且并聯(lián)架構(gòu)比串聯(lián)架構(gòu)壓縮機(jī)功率低約65 W。

行車110 km/h工況下串聯(lián)/并聯(lián)性能比較如圖9所示。從圖9a中可以看出，100 s之前兩個(gè)架構(gòu)艙內(nèi)平均溫度大小基本一致，100 s之后并聯(lián)架構(gòu)艙內(nèi)平均溫度低約0.58 ℃，意味著該工況下在艙內(nèi)平均溫度這個(gè)指標(biāo)上并聯(lián)架構(gòu)略優(yōu)于串聯(lián)架構(gòu)；從圖9b可以看出，兩個(gè)架構(gòu)壓縮機(jī)功率差異比60 km/h工況大，約為172 W。60 km/h與110 km/h勻速行駛工況出現(xiàn)邊界差異的原因在于散熱器迎面風(fēng)速和電機(jī)系統(tǒng)熱負(fù)荷不同，分析結(jié)果顯示110 km/h工況串聯(lián)架構(gòu)與并聯(lián)架構(gòu)的差異大于60 km/h工況，意味著電機(jī)系統(tǒng)熱負(fù)荷對(duì)串聯(lián)架構(gòu)與并聯(lián)架構(gòu)的性能優(yōu)劣有很大影響。此外，圖9分析的行車110 km/h工況和2.2節(jié)圖7分析的駐車空調(diào)AUTO+電池降溫+BOOST工況的電機(jī)熱負(fù)荷均為3.5 kW，但串聯(lián)架構(gòu)與并聯(lián)架構(gòu)優(yōu)劣結(jié)論相反，這是散熱器風(fēng)量限制導(dǎo)致的。駐車工況下散熱器迎面風(fēng)速為2.3 m/s，而110 km/h車速下風(fēng)速可達(dá)到4 m/s，因此在開展相關(guān)分析工作時(shí)不能忽略散熱器風(fēng)量帶來的影響。

2.4 爬坡行駛工況結(jié)果及分析

本文選擇60 km/h 9%坡度與110 km/h 3%坡度兩個(gè)典型工況作為爬坡行駛分析工況，如表1中的第6個(gè)工況和第7個(gè)工況所示。圖10和圖11分別為行車60 km/h 9%坡度與110 km/h 3%坡度連續(xù)爬坡工況下串聯(lián)/并聯(lián)性能的比較，兩個(gè)工況邊界差異的原因在于散熱器迎面風(fēng)速和電機(jī)系統(tǒng)熱負(fù)荷不同，迎面風(fēng)速分別為3 m/s和4 m/s，電機(jī)系統(tǒng)熱負(fù)荷分別為4 kW和4.3 kW。

從圖10和圖11中都可以看出，兩個(gè)架構(gòu)下艙內(nèi)平均溫度均能維持低于25 ℃，意味著能很好地滿足降溫需求，另外艙內(nèi)溫度一直下降的原因是仿真計(jì)算過程中壓縮機(jī)設(shè)置為定轉(zhuǎn)速。從兩個(gè)架構(gòu)性能對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，并聯(lián)架構(gòu)比串聯(lián)架構(gòu)艙內(nèi)平均溫度和壓縮機(jī)功率低，意味著在爬坡行駛工況下，并聯(lián)架構(gòu)優(yōu)于串聯(lián)架構(gòu)。

3 電動(dòng)汽車熱管理架構(gòu)新方案

3.1 串聯(lián)/并聯(lián)切換式熱管理架構(gòu)

從本文第2節(jié)的分析結(jié)果可以得知，串聯(lián)架構(gòu)在駐車工況和駐車充電工況下優(yōu)于并聯(lián)架構(gòu)且壓縮機(jī)功率較低，而在行車工況下因電機(jī)系統(tǒng)熱負(fù)荷增加,并聯(lián)架構(gòu)顯露出優(yōu)勢(shì)，且隨著電機(jī)系統(tǒng)的熱負(fù)荷增大，并聯(lián)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)逐漸增大。基于該結(jié)論本文提出了一種串聯(lián)/并聯(lián)切換式熱管理架構(gòu)如圖12所示。圖12a所示為并聯(lián)工作模式，冷卻液從散熱器流出后經(jīng)過三通閥1分別流向水冷冷凝器和電機(jī)系統(tǒng)，在三通閥4處匯合后流向散熱器。圖12b為串聯(lián)工作模式，冷卻液從散熱器流出后經(jīng)過三通閥1只流向電機(jī)系統(tǒng)，從三通閥5流出后經(jīng)過三通閥6全部流入水冷冷凝器中，再流入散熱器。

在應(yīng)用場(chǎng)景下，通過傳感器和對(duì)應(yīng)的算法采集相關(guān)數(shù)據(jù)并分析串聯(lián)架構(gòu)和并聯(lián)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。在并聯(lián)架構(gòu)優(yōu)勢(shì)工況下(例如勻速行車和連續(xù)爬坡工況)系統(tǒng)切換至并聯(lián)架構(gòu)模式，同理在串聯(lián)架構(gòu)優(yōu)勢(shì)工況下(例如駐車或駐車充電工況等)切換至串聯(lián)架構(gòu)模式，通過模式切換來降低電動(dòng)汽車的能耗。該電動(dòng)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)通過電磁閥的開閉可以很方便地實(shí)現(xiàn)水冷冷凝器與電機(jī)冷卻系統(tǒng)串聯(lián)或并聯(lián)，比單一模式的冷卻系統(tǒng)性能更好、能耗更低，能夠提高整車的續(xù)航能力。

3.2 半并聯(lián)式熱管理架構(gòu)

串聯(lián)架構(gòu)與并聯(lián)架構(gòu)的差異主要原因是流量不同，駐車工況下電機(jī)系統(tǒng)熱負(fù)荷小但是因CDU需要降溫仍存在20 L/min的流量，導(dǎo)致水冷冷凝器散熱減少，引起系統(tǒng)能耗增加。若能保證前電機(jī)出口水溫不超標(biāo)，可采用如下圖13所示的半并聯(lián)熱管理架構(gòu)，該架構(gòu)將前、后電機(jī)串聯(lián)后語水冷冷凝器并聯(lián)，此時(shí)電機(jī)系統(tǒng)水流量最小為10 L/min。在駐車或駐車充電等工況下比并聯(lián)架構(gòu)有優(yōu)勢(shì)，略遜色于串聯(lián)架構(gòu)。在勻速行駛和爬坡行駛工況下，通過增大電機(jī)系統(tǒng)流量，該架構(gòu)可起到與并聯(lián)架構(gòu)相同的效果。

4 結(jié)論

本文以乘員艙降溫能力和系統(tǒng)部件冷卻效果為評(píng)價(jià)指標(biāo)，針對(duì)駐車、駐車充電、勻速行駛和爬坡行駛等4種典型工況，采用系統(tǒng)仿真方法探究了水冷冷凝器與電機(jī)系統(tǒng)串聯(lián)/并聯(lián)兩種冷卻系統(tǒng)的差異，取得的主要研究結(jié)論如下：

(1)串聯(lián)架構(gòu)在駐車工況和駐車充電工況下，降溫能力優(yōu)于并聯(lián)架構(gòu)且壓縮機(jī)功率較低，而在行車工況下，因電機(jī)系統(tǒng)熱負(fù)荷增加，并聯(lián)架構(gòu)露出優(yōu)勢(shì)，且隨著電機(jī)系統(tǒng)的熱負(fù)荷增大，并聯(lián)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)逐漸增大。

(2)串聯(lián)架構(gòu)與并聯(lián)架構(gòu)性能產(chǎn)生差異主要是流量不同引起的，駐車工況下電機(jī)系統(tǒng)熱負(fù)荷小，但是因CDU需要降溫仍存在20L/min的流量，導(dǎo)致水冷冷凝器散熱減少，引起系統(tǒng)能耗增加。

(3)針對(duì)串聯(lián)/并聯(lián)冷卻系統(tǒng)的性能差異，本文提出了串聯(lián)/并聯(lián)切換式冷卻系統(tǒng)和半并聯(lián)式冷卻系統(tǒng)兩種新方案，研究結(jié)果將為整車廠設(shè)計(jì)電動(dòng)汽車熱管理系統(tǒng)提供參考與指導(dǎo)。