混合動(dòng)力電動(dòng)汽車部件系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)

邵奎柱

(精進(jìn)電動(dòng)科技股份有限公司， 北京 100015)

由于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、動(dòng)力電池同時(shí)存在，傳統(tǒng)上需要三套相對(duì)獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)，每套冷卻系統(tǒng)又都需要有散熱水箱、冷卻風(fēng)扇、冷卻液加注裝置。這種相對(duì)獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)使其布置復(fù)雜，使用保養(yǎng)不便，整車熱管理也難以實(shí)現(xiàn)智能控制。另外，混合動(dòng)力汽車為實(shí)現(xiàn)純電動(dòng)模式，需對(duì)車輛的輔助系統(tǒng)進(jìn)行電動(dòng)化改造，即需增設(shè)氣泵、空調(diào)壓縮機(jī)、轉(zhuǎn)向泵等的驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器及配電裝置[1-4]，進(jìn)一步增加了布置難度，且其軟件的維護(hù)和升級(jí)成本較高。為解決上述問(wèn)題，本文結(jié)合所申報(bào)專利，系統(tǒng)介紹混合動(dòng)力汽車的散熱水箱及輔助系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)方案。

1 三套冷卻系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 三套冷卻系統(tǒng)現(xiàn)狀

由于各部件工作特性不同，混合動(dòng)力汽車的這三套冷卻系統(tǒng)在工作過(guò)程中對(duì)冷卻水的溫度要求也不同，冷卻液入水口溫度的要求差異較大：為獲得更高的效率，發(fā)動(dòng)機(jī)入水口水溫一般要求高于90 ℃低于100 ℃；電機(jī)控制器及電機(jī)的入口水溫需要控制在60～70 ℃；動(dòng)力電池為獲得較好的放電特性，其冷卻系統(tǒng)入口水溫一般要高于5 ℃低于30 ℃，同時(shí)在環(huán)境溫度較低(-10 ℃)時(shí)需要進(jìn)行輔助加熱。從工作特性上看，這三套冷卻系統(tǒng)是相互獨(dú)立的，故而形成三套獨(dú)立的散熱水箱和冷卻液加注系統(tǒng)。

目前，散熱水箱是按照各個(gè)部件在整車上單獨(dú)工作時(shí)的最大散熱需求或者部件的最大工作能力所對(duì)應(yīng)的最大散熱需求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)選型。因此發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱水箱要滿足發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)所需最大功率對(duì)應(yīng)的散熱需求；驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制器的散熱水箱要滿足驅(qū)動(dòng)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)車輛時(shí)所需最大功率對(duì)應(yīng)的散熱量需求；動(dòng)力電池的散熱水箱需要滿足電池最大放電量時(shí)所需散熱需求，同時(shí)還要匹配滿足要求的外部加熱系統(tǒng)。從而導(dǎo)致三套冷卻系統(tǒng)的水箱都較大，需要較大的布置空間，整車的成本相應(yīng)增加。

1.2 輔助系統(tǒng)的現(xiàn)狀

混合動(dòng)力汽車輔助系統(tǒng)的電動(dòng)化改造現(xiàn)狀如圖1所示，整車在傳統(tǒng)燃油車的基礎(chǔ)上需要對(duì)打氣泵、轉(zhuǎn)向泵、空調(diào)壓縮機(jī)進(jìn)行電動(dòng)化改造，并增加相應(yīng)的電機(jī)控制裝置(DC/AC)，此外還需考慮整車相對(duì)應(yīng)的配電、高低壓線束等。輔助系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電機(jī)控制器之間，以及控制器和配電裝置、整車控制器VCU之間均需要高低壓線束連接；驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要獨(dú)立空間固定，因此整車的布置非常復(fù)雜。此外，輔助系統(tǒng)電機(jī)需要DC/AC逆變控制，導(dǎo)致整車電磁環(huán)境變差；軟件升級(jí)及功能安全開(kāi)發(fā)迭代投入較大。

圖1 混合動(dòng)力汽車輔助系統(tǒng)構(gòu)成現(xiàn)狀

2 集成式散熱水箱設(shè)計(jì)

2.1 散熱水箱選型設(shè)計(jì)

為節(jié)約安裝空間，提升使用效率，在水箱選型設(shè)計(jì)時(shí)，分兩個(gè)層面對(duì)散熱水箱進(jìn)行降格設(shè)計(jì)。

1) 三套散熱系統(tǒng)單獨(dú)工作時(shí)，結(jié)合混合動(dòng)力車型工作特點(diǎn)，從考慮單一動(dòng)力轉(zhuǎn)變?yōu)榭紤]綜合動(dòng)力，在滿足最大散熱需求的前提下降低單體水箱的規(guī)格?；旌蟿?dòng)力汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)主要負(fù)責(zé)功率平衡，主要在車輛巡航等穩(wěn)定工況下工作；電機(jī)主要負(fù)責(zé)扭矩平衡，主要在起步加速、高速超車等瞬態(tài)工況下工作。因此發(fā)動(dòng)機(jī)水箱的選型僅需考慮最高車速巡航的功率需求，不需再考慮高速超車、爬坡助力等工況的15%～25%功率儲(chǔ)備。同理，電機(jī)水箱的選型僅考慮瞬態(tài)加速、超車/爬坡助力的功率需求，不需再考慮高速巡航的持續(xù)功率需求，水箱規(guī)格可以降低25%～35%。動(dòng)力電池水箱獨(dú)立工作時(shí)，因混動(dòng)汽車的電池充放電頻繁，故電池水箱規(guī)格沒(méi)有單獨(dú)降低的空間。

2) 三套散熱系統(tǒng)進(jìn)行綜合熱管理工作時(shí),本文考慮下文2.3節(jié)中的集成熱管理技術(shù)，可根據(jù)車輛工況和環(huán)境溫度，實(shí)時(shí)調(diào)控冷卻水路組合，因此單體水箱規(guī)格可進(jìn)一步下降，發(fā)動(dòng)機(jī)水箱合計(jì)降低25%～35%，電機(jī)水箱合計(jì)降低35%～45%。由于采用綜合熱管理方式，所以本文推薦選取較小規(guī)格的動(dòng)力電池水箱，可在電池冷卻水路中引入熱交換器(空調(diào)制冷劑與冷卻水)，當(dāng)電池有高散熱需求時(shí)，啟用熱交換器裝置，由空調(diào)制冷劑降低電池冷卻液的溫度，以達(dá)到快速降低電池溫度的目的。因此，其規(guī)格可比常規(guī)電池水箱選型降低約50%，三套散熱系統(tǒng)進(jìn)行綜合熱管理后，對(duì)結(jié)構(gòu)布置空間的要求有所降低，從而降低了三套冷卻水箱單體的規(guī)格選型，進(jìn)一步節(jié)省了布置空間。

2.2 散熱水箱集成安裝

將三個(gè)已縮小單體規(guī)格的散熱水箱在高度方向上實(shí)行集中分層布置，通過(guò)模組封裝將三個(gè)獨(dú)立水箱本體固定在一起，共用一組護(hù)風(fēng)罩和電子風(fēng)扇，從而進(jìn)一步節(jié)約布置空間，如圖2所示[5]。結(jié)合溫度特性，由上至下分別為發(fā)動(dòng)機(jī)水箱、電機(jī)及電機(jī)控制器、動(dòng)力電池散熱水箱，三個(gè)水箱共用一組散熱風(fēng)扇裝置。

1-1號(hào)電磁閥(入)； 2-2號(hào)電磁閥(入)； 3-入水口；4-3號(hào)電磁閥(入)； 5-入水側(cè)端部封裝； 6-模組封裝；7-出水側(cè)端部封裝； 8-3號(hào)電磁閥(出)； 9-出水口;10-2號(hào)電磁閥(出)； 11-1號(hào)電磁閥(出)； 12-護(hù)風(fēng)罩； 13-電子風(fēng)扇

2.3 集成式散熱水箱的熱管理設(shè)計(jì)

在集成式散熱水箱的入水側(cè)、出水側(cè)的端部封裝區(qū)設(shè)置了電磁閥和相應(yīng)的連接管路，以實(shí)現(xiàn)集成式散熱水箱的智能熱管理控制。熱管理模塊集成的設(shè)計(jì)，既可簡(jiǎn)化整車外部水路，又可進(jìn)一步節(jié)約布置空間。電磁閥平時(shí)保持常閉狀態(tài)(即導(dǎo)通狀態(tài))，各水箱獨(dú)立工作，電磁閥由整車控制器控制。整車控制器結(jié)合整車工況及外部環(huán)境溫度，控制電磁閥的開(kāi)啟/關(guān)閉，通過(guò)和專用連接管路的組合，對(duì)三個(gè)水箱進(jìn)行組合控制，將電機(jī)、電池的冷卻水箱和發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水箱并聯(lián)使用，增大散熱功率，迅速降低發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度；同時(shí)可利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)熱量對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行預(yù)熱，解決低溫環(huán)境下電池使用問(wèn)題。

1) 電機(jī)與電池散熱水箱參與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻。當(dāng)車輛在發(fā)動(dòng)機(jī)直驅(qū)工況時(shí)，電機(jī)處于空轉(zhuǎn)或者零扭矩[6-7]狀態(tài)，電機(jī)和電池系統(tǒng)的發(fā)熱量都很低，可開(kāi)啟電機(jī)及其控制器水箱上的2號(hào)電磁閥，與發(fā)動(dòng)機(jī)水箱并聯(lián)導(dǎo)通，發(fā)動(dòng)機(jī)水箱散熱面積相應(yīng)擴(kuò)大，可有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的水溫。還可開(kāi)啟電池水箱上的3號(hào)電磁閥，使得上中下三路水箱并聯(lián)導(dǎo)通，均可參與發(fā)動(dòng)機(jī)散熱。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫穩(wěn)定處于理想值區(qū)間時(shí)，各水箱可恢復(fù)獨(dú)立工作。

2) 電池散熱水箱單獨(dú)參與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻。車輛在低溫環(huán)境下，可開(kāi)啟發(fā)動(dòng)機(jī)水箱上的1號(hào)電磁閥，使電池水箱直接和發(fā)動(dòng)機(jī)水箱連接。電池水箱容積遠(yuǎn)小于發(fā)動(dòng)機(jī)水箱，因此可利用發(fā)動(dòng)機(jī)的導(dǎo)熱升溫電池回路的冷卻水，實(shí)現(xiàn)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)加熱電池系統(tǒng)，從而可在低溫環(huán)境下完成電池的加熱激活。

3) 發(fā)動(dòng)機(jī)水箱參與電機(jī)冷卻。在純電驅(qū)動(dòng)工況時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)水箱處于閑置狀態(tài)[8-9]，可將3號(hào)電磁閥(圖2中序號(hào)4和8)調(diào)整至發(fā)動(dòng)機(jī)水箱進(jìn)出水管路上，連接管路由發(fā)動(dòng)機(jī)水箱到電池水箱改為由發(fā)動(dòng)機(jī)水箱到電機(jī)及其控制器水箱，從而可實(shí)現(xiàn)將發(fā)動(dòng)機(jī)水箱與電機(jī)及其控制器水箱并聯(lián)導(dǎo)通，電機(jī)及其控制器水箱散熱面積大幅提升，可滿足車輛長(zhǎng)時(shí)間在純電工況高負(fù)荷運(yùn)行；同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)水箱維持一定的基礎(chǔ)水溫，在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)工作時(shí)可快速進(jìn)入理想的90 ℃水溫，降低發(fā)動(dòng)機(jī)損耗。

通過(guò)以上集成式散熱水箱及組合控制，三套水箱總散熱功率(面積)下降33%～41%，同時(shí)也解決了低溫電池加熱、純電行駛預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)水溫等整車智能熱管理的相關(guān)問(wèn)題。

3 輔助系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)

為了解決輔助系統(tǒng)分散布局的問(wèn)題，考慮在驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出側(cè)增加動(dòng)力耦合裝置，電機(jī)在驅(qū)動(dòng)車輛的同時(shí)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)為輔助裝置提供驅(qū)動(dòng)力。

3.1 輔助系統(tǒng)集成化布置

取消輔助裝置原有的(驅(qū)動(dòng))電機(jī)，輔助裝置通過(guò)耦合箱由驅(qū)動(dòng)電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)。圖3為一款采用多元輸出裝置的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成，取消了幾個(gè)輔助裝置的(驅(qū)動(dòng))電機(jī)和電機(jī)控制器及其固定裝置和高壓線束，整個(gè)裝置得到簡(jiǎn)化。

圖3 混合動(dòng)力汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)架構(gòu)

通過(guò)集成化布置，輔助系統(tǒng)由電驅(qū)動(dòng)改為集中機(jī)械傳動(dòng)，系統(tǒng)零部件數(shù)量大幅減少，節(jié)約布置空間，并且零部件成本大幅降低，系統(tǒng)的可靠性得到提升。

3.2 多元輸出裝置的構(gòu)成

輔助系統(tǒng)集成化布置中的多元輸出裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、耦合箱、輔助裝置與主輸出裝置構(gòu)成，耦合箱中除了必要的傳動(dòng)部件外，還需要考慮設(shè)置離合器來(lái)控制輔助裝置的通斷/啟停。 圖4為一款典型的多元輸出裝置[10]，其中耦合箱設(shè)置在驅(qū)動(dòng)電機(jī)(輸入側(cè))和主輸出裝置與輔助裝置之間(輸出側(cè))，其中主輸出裝置可為減速器、變速器或者輸出法蘭，輔助輸出裝置可根據(jù)需要設(shè)置為打氣泵、空調(diào)壓縮機(jī)、轉(zhuǎn)向泵等，傳動(dòng)部件可為齒輪傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)以及皮帶傳動(dòng)等機(jī)械傳動(dòng)。

1-耦合箱； 2-輔助裝置離合器； 3-主驅(qū)離合器

多元輸出裝置通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立輸出單元，并通過(guò)離合器的通斷控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輔助系裝置的啟?？刂疲煌瑫r(shí)增設(shè)了主驅(qū)離合器，整車怠速時(shí)可開(kāi)通此離合器，輔助裝置可繼續(xù)工作。

3.3 輔助系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)成果

輔助系統(tǒng)的集成化設(shè)計(jì)，將分布式的輔助電機(jī)驅(qū)動(dòng)布局改為集中的機(jī)械驅(qū)動(dòng)，由低壓離合器的通斷控制代替了原系統(tǒng)多個(gè)電機(jī)的逆變器控制，有效降低了ISO 26262、ASILL-D軟件開(kāi)發(fā)難度，進(jìn)一步提升了整車的EMC及功能安全等級(jí)。

此外，集成化設(shè)計(jì)后，由于一輛車只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)控制的軟件平臺(tái)架構(gòu)可協(xié)同規(guī)劃開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā)周期及投入均大幅降低。多元輸出裝置的引入，增加了整車驅(qū)動(dòng)電機(jī)低速區(qū)的負(fù)荷，驅(qū)動(dòng)電機(jī)效率得到一定提升[11-12]，整車電耗得到改善。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)散熱水箱的集成化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)三套散熱水箱總規(guī)格的最小化，并實(shí)現(xiàn)整車智能熱管理；通過(guò)輔助系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)，將輔助系統(tǒng)的電機(jī)逆變控制改為離合器的通斷控制。此外，混合動(dòng)力汽車輔助系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)，不僅節(jié)約了整車布置空間、降低了整車成本，而且更易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品軟硬件的平臺(tái)化。通過(guò)集成化設(shè)計(jì)，有效降低了混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的成本。