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PHEV整车热管理系统工况设计与评估

PHEV整车热管理系统工况设计与评估

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近年来,为了应对能源危机和环境污染问题,电动汽车受到了大家的一致认可,并得到了大力发展。就目前来看,纯电动汽车由于充电时间长、续驶里程短、配套设施不完善等问题,更多的汽车研发企业将混合动力电动汽车作为一个技术突破点,使其成为企业开发的热点。


混合动力汽车是指车辆驱动系统由两种或两种以上动力系统联合组成,现在主流的混合动力电动汽车包括插电式混合动力(PHEV)和燃料电池混合动力。受制于燃料电池成本较高,技术不成熟等问题,PHEV成为当前新能源车型上技术最成熟,应用最普遍的车型。PHEV由发动机和车载电池组共同提供动力系统,并且电池组可以利用电力网进行补充充电,具有较长的纯电动续驶里程,必要时仍然可以工作在混合动力模式下,具有良好的燃油经济性。PHEV比传统汽车多了一路电池组驱动系统,所以PHEV在发动机舱内零件布局和散热系统设计上就有了很大的变化,PHEV整车热管理相对于传统汽车就有了新的变化与挑战。如何合理地设计工况来验证PHEV热管理是否满足客户需求,成为了各个企业研发PHEV的关键。


1、PHEV整车热管理系统概述


传统汽车热管理系统通常由发动机冷却循环系统组成,而PHEV多出了高压电池组和相关高压元器件,所以冷却系统更为复杂,发动机舱内零部件更为紧凑,热管理的需求更高。

由于各个关键发热部件的工作温度范围不同,需要为每一个温度范围的发热部件设计一路冷却循环系统。以图1所示这款PHEV车型为例,其冷却系统由3路循环系统组成,包括发动机冷却回路、电机冷却回路和高压电池冷却回路。由于发动机工作温度较高,为防止发动机周围零件温度过高,需要对发动机进行冷却,该冷却回路正常工作时,冷却液温度一般在100℃以上。高压电池适宜工作温度在60℃以下,为满足该温度范围,通常需要将高压电池冷却系统与空调系统相结合,以实现热交换,同时充电装置和交直流转换装置工作时也需要散热,可以将其并为一路冷却循环。电机以及其相关附件工作温度一般在90℃以下,也需要单独一路冷却循环满足散热需求。


2、PHEV热管理工况确定


PHEV热管理的工作目标是:PHEV在正常驾驶时,保证所有零部件工作在短时极限温度之下,同时满足材料温度生命周期需求;保证空调系统工作稳定,尤其是在高压电池冷却系统启动后,驾驶室内温度调节需满足客户需求;合理地控制电动水泵和散热风扇的工作状况,降低能耗,选择合适的散热器等,降低成本。


为此,设计出合理的工况,使产品车经过试验的验证后,既达到开发目标,又能满足大多数客户的使用需求,同时控制住成本。


首先,设计出一个符合大多数用户使用情况的路况曲线,该路况包括低速、中速、高速、爬坡等多种工况,前期是一段中低速带坡度的行驶,用于模拟用户城市内驾驶,后期是一段中高速行驶,用于模拟用户在高速公路、郊区道路上行驶,停车后进行一段时间的交流充电。该工况可以模拟出大多数用户的使用情况,再根据车辆开发时定义的生命周期行驶里程,乘以一定的系数,得到生命周期内车辆零部件各个温度范围出现的时长。同时通过研究用户驾驶模式,结合实际情况,得出大多数用户都是先使用纯电模式进行驾驶,电量消耗大部分之后,才进入混动模式或充电模式继续驾驶的。故而对驾驶模式进行了设定:试验的前半部分开启纯电模式,后半部分开启混动模式。开启的时间不同,发动机启动工作的时长不同,进而影响到零部件温度范围也不同,零部件温度生命周期曲线就不同。

如对某PHEV车型进行该工况试验,行驶20min后启动混动模式和行驶30min后启动混动模式,测量得到排气管某处排气温度曲线如图2所示,同时可以测量出受排气温度影响较大的某一零部件的温度曲线。

通过计算可以得出2个不同的温度生命周期曲线如图3所示。开启得越早,零件温度越高,但是不符合大多数客户的使用情况,也使得热管理标准变高,对控制成本不利,需合理确定混动模式开启时间。


上述工况可以满足大多数用户使用情况,也可以模拟出生命周期曲线,但是在实际使用中,还是有一些极端情况无法覆盖。为此,又设计了2个特殊工况,用来验证较为极端的情况。


一个是城市堵车工况,在该工况下,PHEV需要频繁启停,此时高压电池频繁充、放电,而且发动机处于可能工作也可能不工作的阶段,此时发动机工作情况不恶劣,冷却系统温度不高,但是散热较差,发动机舱内零部件温度较高,而且电池温度如果没有很好地散热,温度也会急剧升高。在某一PHEV不开启冷却系统的情况下,进行该试验工况,高压电池温度在试验过程中迅速升温,超过了高压电池安全工作区间,如图4所示。故而该工况对考核PHEV高压电池热管理具有很好的指导意义。

另一个是高压电池电量较低时的高温上、下坡工况,上坡时发动机为满足驾驶工况的需要,需要全程启动,热负荷较高;下坡时,高压电池电量较低需要大电流充电,该工况上坡时对发动机散热系统要求较高,下坡时对电池散热系统要求较高。


后两个工况在用户行驶生命周期中,出现的次数并不多,所占的权重也不大。但是如果试验的过程中,冷却液出现温度过高,空调无法正常工作,或者超过零部件工作极限温度,则说明热管理方案也是不合格的。


通过对3种工况的综合考核,得出1个适合我国开发车型的PHEV驾驶工况,并应用到实际中去。


3、结语


PHEV经过3种工况的试验验证,基本可以满足用户的使用需求。企业可以根据实际情况,对产品车热管理性能进行优化,做到合理地利用资源,既能满足整车热管理的需要又能做到控制成本,对企业提高产品竞争力具有现实意义。


随着电池续驶里程的增加,纯电动车将会得到更大的应用,届时需要对纯电动车的热管理工况重新定义,使纯电动车经过新工况的验证后既满足热管理的需求,也满足广大客户的使用需求,这将是下一步研究的重点。转自:电动学堂


来源:汽车热管理之家

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