張博榕，余才光，賀文江

（吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228）

近年來，節(jié)油、低排放等成為汽車消費的重要指標，混合動力汽車適應這種節(jié)能與環(huán)保的要求，正日益成為汽車發(fā)展的前沿方向。

不同于傳統(tǒng)汽車對發(fā)動機或者自動變速器進行冷卻，混合動力汽車還需要對電機控制器、動力電池等新增零部件進行冷卻。由于同時裝有發(fā)動機和電動機兩種動力裝置，在不同的運行工況下，兩種動力裝置運行的狀態(tài)不同，對冷卻的需求也不同。各個關(guān)鍵零部件對工作溫度的要求不同，表1列出了各熱源的目標工作溫度。

按照表1所示，各大熱源的目標控制溫度相差較大，不能共用冷卻系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)車而言，需要增加三套冷卻系統(tǒng)，此外由于動力電池的冷卻采用風冷，具有不同冷卻原理。本文中將對發(fā)動機、電機控制器、動力合成箱等冷卻進行較為詳細討論，動力電池的冷卻只做部分介紹。

1 深度混合動力汽車系統(tǒng)分析

1.1 車輛運行工況以及相應的冷卻系統(tǒng)分析

混合動力汽車采用發(fā)動機和電動機雙動力源的結(jié)構(gòu)方案［1］，典型工況包括正向行駛時，純電動、發(fā)動機驅(qū)動、混合驅(qū)動、制動等動力模式；逆向行駛除電量不足時采用混合動力，一般為電動模式；滑行時，動能回收，具有為電池充電的動力模式；冷卻系統(tǒng)工況分析如下。

（1）純電動模式。在冷啟動、怠速以及小負荷工況下，混合動力汽車以純電動動力運行，發(fā)動機不參與驅(qū)動，不需要冷卻；電機運行輸出動能，控制器運行，需要進行冷卻；動力合成箱傳動輸出能量，需要冷卻。

（2）混合動力模式。中等負荷時，開始轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌蟿恿︱?qū)動，發(fā)動機啟動，耗散熱能開始產(chǎn)生，冷卻系統(tǒng)需要開始參與運行；電機持續(xù)運行輸出能量，控制器部分需要冷卻；動力合成箱傳動輸出能量，需要冷卻。大負荷以及加速運行時，發(fā)動機與電機都有動力輸出，動力合成箱傳動輸出能量，各部分都需要冷卻。電量不足時，發(fā)動機輸出動力，需要冷卻；電機開始充電，電機控制器運行，需要冷卻；動力合成箱傳動輸出能量，需要冷卻。

（3）制動、滑行模式。制動、滑行時回收能量，發(fā)動機不輸出動力，并將動能盡快轉(zhuǎn)化為電能，不需要冷卻；但是如果發(fā)動機不斷油，則需要冷卻。此時電機變?yōu)榘l(fā)電機，能量回收至電池，電機控制器需要冷卻；動力合成箱傳動輸出能量，需要冷卻。

實際車輛運行時，路況具有復雜性，熱量的傳導存在時間累積，運行模式會頻繁轉(zhuǎn)化，如果采用熱量來進行計算將會很不方便，按照需要散熱的功率來計算分析，問題將會得到簡化。

1.2 系統(tǒng)特點

通過分析整車運行工況可以得出冷卻系統(tǒng)具有下面幾個特點。

（1）混合動力汽車冷卻系統(tǒng)應該具有分別滿足發(fā)動機、電機控制器、動力合成箱等的冷卻要求的冷卻系統(tǒng)，這三個冷卻系統(tǒng)具有獨立的動力源（泵）和循環(huán)流。

（2）發(fā)動機、電機控制器、動力合成箱各一套獨立的冷卻系統(tǒng)，各系統(tǒng)按需調(diào)節(jié)冷卻流量，相對共用冷卻系統(tǒng)更節(jié)能。

（3）多套系統(tǒng)控制難度增加。同時因發(fā)動機、電機控制器、動力合成箱布置在整車機艙中，散熱器集中在機艙前端布置，對機艙布置要求較高。

（4）電池系統(tǒng)因工作溫度接近乘員艙溫度，采用乘員艙抽風冷卻，布置便利。

1.3 系統(tǒng)原理與組成

基于上述特點，可設(shè)計如圖1所示的整車冷卻系統(tǒng)原理圖，將發(fā)動機、電機控制器、動力合成箱的散熱器通過可靠的連接組合成一個部件，布置在傳統(tǒng)車輛散熱器的位置。

圖1所示發(fā)動機部分由發(fā)動機、散熱器、水泵、水壺、壓力閥、進出水管等構(gòu)成一個獨立的循環(huán)流，介質(zhì)是按照體積比50：50配成的水和乙二醇的溶液。

電機控制器部分由電機控制器、散熱器、電子水泵、膨脹水壺、進出水管等構(gòu)成一個獨立的循環(huán)流，介質(zhì)是按照體積比50∶50配成的水和乙二醇的溶液。

動力合成箱部分由動力合成箱、散熱器、油泵、進出油管等構(gòu)成一個獨立的循環(huán)流，介質(zhì)是ATF（DX-Ⅵ）冷卻油。

動力電池的冷卻采用鼓風機風冷的方式，布置在后行李艙中。

2 設(shè)計計算

2.1 發(fā)動機部分的計算

混合動力汽車動力模式的結(jié)構(gòu)方案表明，它的發(fā)動機的運行只是在某些時候才需要散熱，相比于傳統(tǒng)車散熱需求量應該是較小的，例如，對于某款1.8 L汽油發(fā)動機，當其使用在傳統(tǒng)車上時散熱需求是70 kW，而當其作為混合動力使用時，它的散熱功率需求大約是51 kW。

2.1.1 冷卻液總量的計算

發(fā)動機應用于混合動力時，散熱器水室及管帶中冷卻液的體積應該能夠完全滿足極端工況下的熱量交換需求以及水泵的最小循環(huán)水量，經(jīng)過計算其體積大于3 L時能夠滿足要求，實際樣件的水室容積在4 L，水壺的最小容積應達到900 ml。

2.1.2 水泵的設(shè)計計算

水泵是以發(fā)動機為動力源，運行情況取決于發(fā)動機的傳動比，因此功耗是發(fā)動機的部分效能，此處計算的水泵的功耗大約是2 kW，流量范圍可以調(diào)整，計算時取60 kW，其最低揚程應能夠滿足驅(qū)動最低要求，計算時取0.15 bar。

2.1.3 散熱器的設(shè)計計算

管帶式散熱器管帶結(jié)構(gòu)如圖2所示，散熱的機理是當冷卻液在循環(huán)的閉式管路中流動時，在外界的空氣以及風扇的作用下，吹向散熱器管片的冷卻空氣與需要冷卻系統(tǒng)損耗的熱量發(fā)生熱交換［4］，這個過程主要是在管帶壁和散熱片上進行。

散熱器的散熱能力［2］通過散熱系數(shù)來評價，受散熱器管片結(jié)構(gòu)、水管中水流速度、通過散熱器的空氣流速、管片的材質(zhì)及制造質(zhì)量的影響，其值可以通過試驗獲得，實際散熱器樣件的管帶寬度為18 mm，管帶間距15 mm。

迎風面積是散熱器全部處于風扇的熱交換區(qū)域的面積，試驗獲得的散熱系數(shù)包含了散熱表面積轉(zhuǎn)化為迎風面積的比例因子，因此通過下式計算獲得的值將是散熱器實際散熱迎風面積［2］:

式中：KR為散熱系數(shù)，一般取 0.069～0.117 kJ/m2·s·℃；Δt為散熱器中冷卻液和冷卻空氣的平均溫差。

式中：tw為冷卻液的平均溫度為冷卻空氣的平均溫度為散熱器的進水溫度，取標定工況發(fā)動機的出水溫度時82～95℃；ta1為散熱器冷卻空氣的進口溫度，取40℃；Δtw為散熱器的進出口溫差，也即冷卻液在發(fā)動機中的允許溫升，取6～12℃；Δta為散熱器冷卻空氣的進出口溫差，取10～30 ℃。

經(jīng)過計算可知散熱器極端工況下的迎風散熱面積是0.003 2 m2。相比發(fā)動機應用于傳統(tǒng)車時的散熱面積縮小了0.001 2 m2，實際制作散熱器時的幾何面積則不應小于此面積值。

2.2 動力合成箱部分的計算

與傳統(tǒng)發(fā)動機變速箱不同，混合動力汽車動力合成箱集成了電動機及變速傳動機構(gòu)。發(fā)動機模式動力輸出時，動力經(jīng)由發(fā)動機飛輪輸入，在齒輪間變速傳動，最后經(jīng)由輸出軸輸出，傳動的損失能量與輸入能量按照傳動級數(shù)降低，轉(zhuǎn)化為熱能，需要進行冷卻。電動模式的動力輸出時，電機電能轉(zhuǎn)化為機械能經(jīng)輸出軸輸出，同時釋放部分熱能，需要進行冷卻；制動或者滑行時，機械能回收轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艽嫒雱恿﹄姵?，這個過程也存在熱能損耗；需要進行冷卻。

2.2.1 動力合成箱熱量計算

對于動力合成箱需要散熱的熱量來源分析結(jié)果表明，直接計算需要冷卻的熱量，難度很大，但是另一方面所有的熱量全部等效的傳遞給冷卻油液，假設(shè)單位時間內(nèi)冷卻系統(tǒng)散熱量Qh使得油液溫度上升Δt。因此：

式中：qf為流量，試驗中測得流量為即0.6 m2/h；Cf為油比熱容， 計算時取 2.1 kJ/（kg·K）；ρf為油密度，計算時取 0.865×108kg/m2；Δt為進出油口溫差，試驗中控制Δt為10℃。

這樣得到的動力合成箱中需要散熱的熱量是需要滿足流量和溫差要求的，具有一定的局限性，計算得到是單位時間內(nèi)需要散熱的熱量，即散熱功率是3.028 kW。

2.2.2 油泵

油泵是動力合成箱部分冷卻系統(tǒng)的動力源，電源是動力電池，其電壓300 V，流量0.6 m3/h。

系統(tǒng)介質(zhì)ATF（DX-Ⅵ）同時是潤滑油，冷卻時溫差10℃以上可滿足散熱要求，入口壓力0.15 MPa，揚程 0.5 MPa。

油泵功耗可以按照公式Ph=U·I計算，按照流量為0.6 m3/h時的電流計算，功耗是0.3 kW。

2.2.3 散熱器的設(shè)計計算

動力合成箱冷卻系統(tǒng)的散熱器是以銅管作為介質(zhì)進行熱傳導的，熱導動力是散熱器內(nèi)的油與外部冷卻液的溫差，熱傳導進行時熱量先傳到散熱器管筒，再傳到外部的冷卻液。這種散熱方式要求其散熱器具有較大的熱傳導系數(shù) 、表面積以及較小的厚度，對于實際零件厚度不變，在能夠取得最佳的水浸冷卻效果的情況下，其外徑還必須小于電機控制器散熱器水室截面。

關(guān)系式V=q·t表明液體的體積可以通過流量和時間獲得，假定一定時間內(nèi)流動液體的熱量全部傳導到管筒上，即 C1V1ρ1=C2V2ρ2，那么：

式中：C1為銅的比熱容，0.39 kJ/kg℃；ρ1為銅的密度，8.96×102kg/m2；C2為油的比熱容，2.1 kJ/（kg·K）；ρ2為油的密度，0.865×103kg/m2；q2為油的流量，計算時取10 L/min。

式（4）表明，以某一典型流量值在單位時間（取1分鐘）內(nèi)通過的體積值與銅管散熱器的體積成一定的比例關(guān)系，計算得到銅管體積是0.005 2 m3，如果外徑取φ16 mm，壁厚1 mm，銅管長度達到51 mm時，它的內(nèi)徑表面積達到0.002 2 m2，外徑表面積達到0.002 6 m2。

事實上，銅的導熱系數(shù)是401 w/m℃，在1分鐘的時間內(nèi)傳導過1 mm的銅管時，如果長度超過51 mm，它即具有充分的散熱能力。

2.3 電機控制器部分的計算

混合動力汽車增加的電機控制器是控制電動機的電機模式或者發(fā)電機的發(fā)電模式轉(zhuǎn)換，即電能的輸出與存儲之間轉(zhuǎn)換，存在瞬時極大電流，伴隨產(chǎn)生熱量，這一部分的熱量對于電機控制器具有不良的影響，需要進行冷卻。

2.3.1電機控制器的熱量計算

混合動力汽車運行時動力模式的切換取決于路況。按照電學能量守恒原理，電能轉(zhuǎn)化為機械能輸出時產(chǎn)生較大的熱量損耗Q，是輸入電能的部分轉(zhuǎn)化效能，相對于輸入電能存在損耗因子φ，大約是0.15～0.25；當機械能轉(zhuǎn)化為電能存入電池時也存在熱量損耗，它是機械能的部分轉(zhuǎn)化效能，相對于機械能存在損耗因子τ，大約是0.15～0.25；能量的轉(zhuǎn)化都與路況表現(xiàn)出函數(shù)關(guān)系，冷卻系統(tǒng)需要進行冷卻的熱量即：

散熱器惡劣工況需要它具備能量儲備，取儲備系數(shù)ω為1.15～1.25，則此即為需要散熱量：

按照上述關(guān)系式，以及車輛運行工況的功率要求，需要散熱器的散熱功率大于4.06 kW。

2.3.2 水壺儲水量

這里可以通過熱量平衡關(guān)系估算總的冷卻液的體積［6］是 ：

式中：Δte為冷卻液在發(fā)動機中循環(huán)時的允許溫升，一般取6～12℃；γw為冷卻液的密度，取近似值1 000 kg/m2；Cw為冷卻液的比熱容，可取 4.2 kJ/（kg·℃）。

計算得到該系統(tǒng)的熱平衡循環(huán)水流量是160 ml，系統(tǒng)最小儲水量由此可以確定。

2.3.3 電子水泵

電子水泵的電壓采用12 V電壓 （電壓范圍8～12 V），流量21 L/min。水泵揚程應該達到0.6 bar。冷卻劑是體積比50%水+50%乙二醇溶液，溫度-40～128℃，功耗應該按照水泵功率來計算，大約是0.3 kW。

2.3.4 散熱器面積

這部分的散熱器的特點是其水室中夾帶了動力合成箱的散熱器，因此按照公式計算時，Qmax的值應該是電機控制器散熱器需要耗散熱量的功率和動力合成箱需要耗散熱量的功率的總和。

計算所的散熱器的面積大約是0.112 m2。

2.4 電子風扇的設(shè)計計算［2，3，5］

臺架試驗時，可以通過一定的空氣量與空氣流速，按照SR=Va/μa來計算散熱器的迎風面積SR，式中：Va為冷卻空氣的需要量m2；μa為散熱器正面積的空氣流速m/s，與前述散熱器的散熱面積比較，校核散熱器的面積是否滿足要求。

計算時取冷卻空氣體積為100 L，空氣流速10 m/s，得到散熱面積0.01 m2。與之前計算值相比較可知，該電子風扇能夠滿足散熱時的冷卻空氣需求量。

3 最終方案及試驗驗證

3.1總布置方案

混合動力汽車的總布置設(shè)計時需要滿足上述的散熱特點，各個零部件在機艙內(nèi)布置時，安裝、維護應該方便，不影響其他功能件的使用。

由于發(fā)動機運行工況改變，散熱需求減少，散熱器面積減少0.001 2 m2；而電機控制器新增需求0.112 m2，因此開發(fā)新的集成型散熱器，如圖1所示結(jié)構(gòu)，布置在原散熱器位置。散熱器本身采用上下結(jié)構(gòu)，上半部分水流橫向流動，水室在左右兩側(cè)，下半部分縱向流動，水室在上下位置。

實際樣車制作時將電機控制器散熱器獨立布置在發(fā)動機、動力合成箱散熱器總成的前方，管路獨立。動力電池冷卻系統(tǒng)獨立布置在后行李艙中。

3.2 試驗驗證

按上述方案搭建動力總成試驗臺架，并組裝樣車，進行標定及可靠性試驗。如圖3、圖4所示。

目前已完成整套混合動力系統(tǒng)進行了400 h臺架可靠性試驗和整車實車運行15 000 km標定，冷卻系統(tǒng)在試驗中正常運行，能夠滿足各熱源的散熱要求。

4 結(jié)論

上述的設(shè)計過程提供了一種比較成功的設(shè)計方法，所得的相關(guān)數(shù)據(jù)已應用于某款混合動力汽車上，臺架試驗和路試表明，冷卻系統(tǒng)能夠滿足整車運行要求。

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