熱管理系統(tǒng)多通電子水閥的密封研究

摘 要：為了降低新能源汽車熱管理系統(tǒng)多通電子水閥內部泄漏量，分析泄漏產生原因，通過模擬仿真分析和實物樣件試驗測量，研究密封結構對泄漏量的影響。結果表明，通過優(yōu)化閥芯、閥體、密封墊的結構設計，增加密封墊的壓縮量，提高零件尺寸精度減小變形可以大幅降低閥的內部泄漏量，減少各通道之間串液和熱交換，從而減少能量損失，對于提高熱管理系統(tǒng)的能量利用率降低新能源汽車能耗有非常大的貢獻。

關鍵詞：新能源汽車 熱管理 熱泵 電子水閥 密封 泄漏

1 引言

新能源汽車（New energy vehicle， NEV）市場滲透率不斷提升，汽車電動化的技術趨勢越發(fā)明顯，但是由于動力電池能量密度和補能效率以及充電樁等基礎設施建設問題，純電動汽車用戶的續(xù)航焦慮和補能焦慮特別突出。如何降低純電動汽車的能耗、提高續(xù)航里程成為各大汽車廠重點研究的對象。

當前新能源汽車行業(yè)內通過熱管理系統(tǒng)的集成模塊化設計、合理進行能量分配和廢熱利用，采用熱泵方案盡可能從外界環(huán)境中吸取更多的熱量[1-2]，成為降低能耗的主要研究技術方向之一。特斯拉的熱管理系統(tǒng)方案為行業(yè)標桿[3]，采用直接式熱泵系統(tǒng)、八通閥、集成模塊化設計。熱管理集成模塊化[4-6]不但可以實現能量的合理利用，同時由于集成化減少系統(tǒng)零件數量，節(jié)省和簡化布置空間，減少裝配工作量，從而降低系統(tǒng)成本；同時由于冷卻液和制冷劑循環(huán)系統(tǒng)對外連接端口數量減少，從而減少對外滲漏的風險。集成模塊核心技術之一為使用多通電子水閥（以下簡稱多通閥，通常＞4個通道）代替多個常規(guī)的三通閥或者四通閥，實現不同模式之間的切換，為動力系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、空調系統(tǒng)在各種工況下良好的運行提供保障[7-9]。多通閥的應用關鍵和難點在于如何保證多通閥內部通道之間的密封性能，避免各模式通道之間相互串液、熱量交換導致能量損失。本文通過分析多通閥結構特點和密封機理[10-11]，重點研究如何減小多通閥內部泄漏量，保證產品性能，從而提高熱管理系統(tǒng)總成的效率，降低整車能耗。

2 多通閥的密封和影響分析

2.1 結構原理

多通閥通常指連接通道多于兩個的閥，常見的三通和四通閥，本文重點研究通道大于四個的多通閥。多通閥總成包含的零件有閥芯、內部密封墊、閥體、外部密封墊、閥蓋、密封圈、控制器等，如圖1所示。工作方式為通過控制器帶動閥芯旋轉到不同角度，閥芯上通道與閥體上通道相連接，實現不同模式的聯通和切換；由于閥芯角度位置的不同，當閥芯通道與閥體通道之間完全重疊時，實現開關控制；當閥芯通道與閥體通道之間不重疊時存在角度時，實現比例控制；滿足新能源汽車電池、電驅、電控、乘客艙等不同功能模塊的熱管理需求。

2.2 密封機理

多通閥各通道之間密封由閥芯、閥體通過壓縮墊密墊實現密封，影響密封效果的因素有：閥芯直徑、圓度和軸向方向直線度；閥體孔直徑、圓度和軸線方向直線度；密封墊的壓縮量和彈性，等。閥芯和閥體的尺寸和輪廓度偏差可以通過密封墊的壓縮量補償，加大密封墊的壓縮量可以提高密封效果，但是密封墊的壓縮量越大閥芯的轉動力矩越大，對于控制器的輸出力矩要求越高，在控制器電機不變的情況下增大齒輪傳動比可以實現降速增扭，即扭矩越大轉速越低，閥的響應時間越慢，因此通過增加密封墊壓縮量來改善閥的密封性，需要確保閥的響應性和旋轉力矩基本不受影響。

2.3 泄漏量

當前市場上主要幾種多通閥泄漏量控制范圍要求如表1所示，由于產品結構、應用環(huán)境、測試壓力不同，泄漏量差異很大；可以看出壓力越大泄漏量越大，且耐久后泄漏量遠大于耐久前，意味著車輛行駛一定里程（耐久）后熱管理性能衰減嚴重。

2.4 影響分析

多通閥內部泄漏量越大，各通道之間相互串液和能量交換越多，不但影響相關通道流量和功能，同時由于串液導致能量損失影響系統(tǒng)效率。根據熱量計算公式：

Q=cmΔt

式中：Q表示熱量（J），c表示比熱容（J/g℃），m表示質量（g），Δt表示溫變化（℃）。

常用冷卻液為50%乙二醇和50%水的溶液，其比熱容c=3.3 J/g℃，25℃時密度為1.071g/cm3。如冬季行車工況，乘員艙暖風需求冷卻液溫度為t=60℃，電池包冷卻需求的冷卻液溫度t=20℃，兩者溫差Δt=40℃，假定新車多通閥的泄漏量為100ml/min時，每分鐘由于串液導致能量損失為Q=14.137kJ；假定車輛耐久后泄漏量為300ml/min時，每分鐘由于串液導致能量損失Q=42.411kJ。當車輛平均車速為60km/h，平均能耗為15kWh/100km，通過計算可知由于泄漏串液導致的新車能耗增加0.393kWh/100km，耐久后能耗增加1.179kWh/100km，分別增加2.62%和7.86%。由此可知降低多通閥的泄漏量，尤其是耐久后的泄漏量，對于提高能量利用率、降低車輛能耗具有重要意義。

如何降低多通閥的泄漏量，提高耐久性能為新能源汽車熱管理集成模塊的關鍵。

3 解決方案

由于多通閥內部通道之間的密封結構主要由閥芯、內部密封墊、閥體三部分組成，因此解決密封性問題的關鍵在于該三個件之間的配合。密封功能區(qū)域包含閥芯與密封墊之間的密封，兩者存在相對運動；密封墊與閥體之間的密封，兩者不存在相對運動；密封墊通過閥芯的過盈壓縮和彈性，補償由于閥芯的壓縮以及閥芯與閥體之間的尺寸公差和輪廓度，基于以上分析，提出如下優(yōu)化解決方案。

（1）優(yōu)化閥芯與密封墊接觸面的結構，減小接觸面積增加單位面積受力，從而改善閥芯與密封墊之間的密封效果，減小旋轉摩擦力矩。如圖2所示，閥芯與密封墊接觸位置分別為方案a方形、方案b全圓弧形、方案c三角形加圓弧過渡，在相同壓縮量的情況下，方案c受力面積最小壓力最大，方案a受力面積最大壓力最小。同時，由于閥芯旋轉半徑相同、密封墊壓縮量和壓力相同，方案c閥芯與密封墊接觸面積最小，摩擦力最小，閥芯旋轉阻力矩最小。

提取圖2模擬分析結果如表2所示，當3種方案的密封墊壓縮量均為0.7mm，方案c閥芯與密封墊之間壓力約比方案a和方案b分別大17.6%、7.1%；因此對應密封效果方案c要優(yōu)于方案a和方案b。

（2）優(yōu)化密封墊與閥體接觸面的結構，采用雙筋結構的線密封取代平面結構的面密封，如圖3所示：相同閥芯結構、相同密封墊壓縮量情況下，由于方案d密封筋寬度小于方案c密封面，因此對應的壓力方案d大于方案c，密封墊與閥體之間貼合度和密封效果更好。同時，由于兩條筋之間形成懸空結構，相應的閥芯壓縮量的情況下，由于密封墊正對閥芯位置沒有支撐，閥芯與密封墊壓力變小，因此當保持閥芯與密封墊之間的壓力與方案c一致時，可以增加將壓縮量進一步提升如方案e，從而使密封墊筋與閥體之間的壓力進一步增大，更有利于密封。

提取圖3模擬分析結果如表3所示，壓縮量為0.7mm時，方案d與方案c比：密封墊與閥體之間壓力增加300%，同時閥芯與密封墊之間壓力降低18.3%，由此可知閥體與密封墊之間的密封效果改善明顯，但閥芯與密封墊之間密封差，閥芯轉阻力矩減小；方案e為在方案d的基礎上壓縮量由0.7mm增加到0.8mm，與方案c相比，閥芯與密封墊的壓力基本相當，即閥芯與密封墊密封效果相當，閥芯轉動力矩相當，但此時密封墊與閥體的壓力增加333%，密封效果進一步改善。

（3）合理設計和分布密封墊密封筋，使整個密封帶受力均勻，由于筋的數量增加相同壓縮量的情況下，筋的壓力變小，可以降低閥芯旋轉阻力矩；同樣，當保持閥芯旋轉力相同的情況下，可以增大壓縮量，改善密封效果。如圖4所示，以某八通閥密封墊為例，密封墊壓縮量同為0.7mm時，方案g比方案f受力更加均勻，且密封筋上平均壓力減小約30%；當保持與方案f平均受力相當時，在方案g的基礎上壓縮量可以由0.7mm提高到0.8mm，如方案h。由于密封區(qū)域受力均勻，且壓縮量的增加，墊片與閥體之間的密封效果將得到改善。

（4）采用雙層材料結構的密封墊，提高產品耐久性。由于閥芯與密封墊存在相對運動，因此密封墊與閥芯結合面采用特氟龍（PTFE）材料，提高耐磨性，且由于PTFE材料表面光滑摩擦力小，可以降低閥的轉動力矩；而密封墊與閥體之間相對靜止，密封墊與閥體之間采用乙丙橡膠（EPDM），該材料回彈特性好，可以保證密封性能。同時優(yōu)化調整密封墊材料硬度，保證密封墊壓縮后與閥芯、閥體之間接觸和包覆性良好。

（5）優(yōu)化閥芯和閥體的結構設計、模具設計和注塑工藝，保證密封件的尺寸精度，減小變形量。閥芯和閥體配合處的直徑、圓度和直線度直接影響密封效果。閥芯和閥體均為加玻璃纖維的塑料材料，由于塑料材料的變形特性，導致產品尺寸精度和輪廓度較難保證，因此需要在產品和模具設計上充分考慮反變形設計方案，減小變形量，提高圓度和輪廓度。通常有如下幾種方案：產品薄壁化設計避免局部壁厚不均勻，合理分布加強筋，以保證密封部位圓周方向收縮一致；通過模流分析優(yōu)化產品結構和模具設計、模具冷卻流道分布；采用合適噸位和精度的注塑設備、注塑工藝參數優(yōu)化，保證產品尺寸和輪廓精度。圖6所示閥體內孔直徑φ70.0mm，優(yōu)化前樣件圓度約為0.5mm，優(yōu)化后圓度達到0.1mm。

4 驗證結果

以某新能源純電動車型為例，該車型熱管理系統(tǒng)方案從分布式改為集成模塊式，通過采用1個八通閥的方案取代2個三通、1個四通閥，實現電池、電驅、電控以及乘客艙的熱管理合理分配和控制。車輛參數如表4：

以該車型八通閥為研究對象，改進前方案閥芯為全圓弧結構，密封墊為雙筋非均勻布局，壓縮量0.7mm，閥芯和閥體模具沒有反變形設計；改進后方案閥芯為三角形加圓弧結構，密封墊為雙筋均勻布局、壓縮量0.8mm，芯和閥體模具采用反變形設計。在60kPa的壓力下測量改進前、后不模式對應各通道的泄漏量，結果如表5所示：改進前內部泄漏量平均值為169.1ml/min，最大值為320ml/min，優(yōu)化改進后泄漏量平均值為43.2ml/min，最大值為85ml/min。即改進后泄漏量平均值降低74.45%，最大值降低73.44%。試驗數據表明，優(yōu)化改進方案可行，且效果良好。

5 結論和建議

通過以上分析和測試，優(yōu)化閥芯、閥體、密封墊的結構設計和控制尺寸精度可以大幅度降低多通閥的泄漏量，從而降低整車能耗。具體建議如下：

（1）優(yōu)化閥芯設計，采用三角形加圓弧結構，可以減小閥芯與密封墊接觸面積，在相同壓縮量的情況下，可以提高密封墊的壓緊力。

（2）優(yōu)化密封墊設計，采用雙筋密封均勻分布，可以使壓力分布更加均勻，降低壓力幅值，從而可以在不增加閥芯旋轉阻力矩的情況下通過增加密封墊壓縮量，增加密封墊與閥芯和閥體的貼合度。

（3）閥芯和閥體壁厚設計均勻，優(yōu)化筋的分布，使塑料件在圓周方向收縮量均勻；通過模具反變形設計、采用合適的注塑設備和工藝，可以提高密封部位的尺寸精度和輪廓度，有利于改善閥芯、閥體與密封墊的貼合度。

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