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        增程式混合動(dòng)力車輛集成化散熱器總成設(shè)計(jì)與計(jì)算

        2020-03-13 23:10:28崔保平解德杰
        建筑機(jī)械 2020年1期
        關(guān)鍵詞:散熱量集成化冷器

        崔保平,李 勇,解德杰

        (徐工集團(tuán)工程機(jī)械股份有限公司江蘇徐州工程機(jī)械研究院,江蘇 徐州 221004)

        氣候變暖是當(dāng)今全球性問題,其主要原因是過度排放二氧化碳,在排放的有害氣體中,占據(jù)近25%高比例的是汽車的排放尾氣。因此,全球汽車工業(yè)特別重視新型電動(dòng)汽車的研究?;旌蟿?dòng)力車輛,既可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的低排放,也能發(fā)揮石油燃料的高比能量和比功率,在由純?nèi)加蛙囕v向純電動(dòng)車輛的轉(zhuǎn)變過程中,起著承上啟下的作用。

        增程式混合動(dòng)力車輛包括增程器與動(dòng)力電池2個(gè)動(dòng)力源。主要熱源部件有增程器及控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及控制器,其中增程器包含發(fā)動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)。針對(duì)某增程式混合動(dòng)力車輛,設(shè)計(jì)1款集發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器、發(fā)動(dòng)機(jī)水散熱器、發(fā)電機(jī)水散熱器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)水散熱器共用1個(gè)電子風(fēng)扇的集成散熱器,滿足設(shè)計(jì)散熱需求,節(jié)省了車輛內(nèi)部空間,簡(jiǎn)化了散熱控制程序,保證增程器及驅(qū)動(dòng)電機(jī)在合理溫度范圍內(nèi)工作。

        1 增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)

        增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)采用串聯(lián)式混合動(dòng)力形式,如圖1所示。增程器與動(dòng)力電池兩個(gè)動(dòng)力源可單獨(dú)及同時(shí)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電提供動(dòng)力,一方面可實(shí)現(xiàn)只通過動(dòng)力電池的純電行駛;另一方面通過增程器發(fā)電可對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行充電及對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力,增加了續(xù)駛里程;增程器與動(dòng)力電池同時(shí)供電提供動(dòng)力時(shí),此時(shí)整車功率最大。

        圖1 增程式混合動(dòng)力系統(tǒng)示意圖

        2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

        針對(duì)某增程式混合動(dòng)力車輛,需要進(jìn)行冷卻的部件有增程器(發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī))、動(dòng)力源控制器、4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及2個(gè)驅(qū)動(dòng)控制器。冷卻系統(tǒng)的主要組成有散熱器總成(散熱器及電子風(fēng)扇)、電控水泵、過濾器、膨脹水箱及相應(yīng)的冷卻管路。

        對(duì)于4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大需求散熱量分別為1.5KW,工作溫度不大于120℃,2個(gè)電機(jī)控制器最大需求散熱量分別為1KW,工作溫度不大于60℃,整理其余相關(guān)散熱器的散熱設(shè)計(jì)需求如表1所示。

        表1 集成化散熱器散熱需求參數(shù)表

        3 集成化散熱器總成設(shè)計(jì)

        3.1 設(shè)計(jì)方案

        由于發(fā)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)為2個(gè)獨(dú)立的熱源部件,因此將發(fā)電機(jī)散熱器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱器獨(dú)立設(shè)計(jì),同時(shí)加上發(fā)動(dòng)機(jī)的水散熱器及中冷器,設(shè)計(jì)為4個(gè)冷卻循環(huán)回路,4個(gè)散熱器集成化安裝,匹配共用1個(gè)電子風(fēng)扇,可節(jié)省空間、簡(jiǎn)化控制程序,提高冷卻系統(tǒng)的工作效率,使各個(gè)部件在最佳溫度下工作。

        由于各控制器與相關(guān)電機(jī)的水阻差別較大,采用先控制器再電機(jī)的串聯(lián)方案,可避免電機(jī)與控制器并聯(lián)時(shí)導(dǎo)致水阻大的水路流量小的風(fēng)險(xiǎn);針對(duì)該型號(hào)增程式混合動(dòng)力車輛,驅(qū)動(dòng)電機(jī)水路采用先串聯(lián)1個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器,再并聯(lián)2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的方案,同時(shí)2個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻水路管路在整車進(jìn)行對(duì)稱布置,保證水阻一致,設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

        圖2 冷卻系統(tǒng)原理圖

        3.2 系統(tǒng)參數(shù)

        根據(jù)表1所列各熱源部件散熱量及冷卻液流量需求,計(jì)算出各部件進(jìn)出口冷卻水溫度。

        3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)水散熱器設(shè)計(jì)計(jì)算

        已知:額定工況下需要的散熱量為18kW。

        散熱帶散熱面積計(jì)算

        散熱帶數(shù)量:n1=18;波數(shù):n2=193;

        單個(gè)波長(zhǎng)度:L1=0.01714(m);

        帶寬:L2=0.056(m);

        散熱帶散熱面積:

        散熱管冷側(cè)散熱面積計(jì)算

        散熱管數(shù)量:n1=34;散熱管截面外周長(zhǎng):L1=0.05428(m);管長(zhǎng)L3=0.58(m)。

        散熱管冷側(cè)總面積:

        散熱總面積計(jì)算

        Fr=S1+S2=6.67+1.07=7.74(m2)。

        散熱量計(jì)算

        傳熱系數(shù):K=86.7;對(duì)數(shù)平均溫差:ΔT=30.45℃;

        散熱量:Q=Fr×K×ΔT÷1000

        =7.74×86.7×30.45÷1000≈20.5(kW)。

        散熱所需冷卻空氣流量計(jì)算

        注:通常散熱器進(jìn)出風(fēng)溫差Δta=10℃~30℃,此處根據(jù)以往實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)選取Δta=20℃。

        冷卻液溫升計(jì)算

        3.4 發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器設(shè)計(jì)計(jì)算

        設(shè)計(jì)參數(shù)

        已知:額定工況下需要的中冷散熱量為8kW。

        散熱帶散熱面積計(jì)算

        散熱帶數(shù)量:n1=11;波數(shù):n2=131;

        單個(gè)波長(zhǎng)度:L1=0.020024(m);

        帶寬:L2=0.062(m);

        散熱帶散熱面積:

        散熱管冷側(cè)散熱面積計(jì)算

        散熱管數(shù)量:n1=10;散熱管截面外周長(zhǎng):L1=0.13084(m);管長(zhǎng)L3=0.59(m)。

        散熱管冷側(cè)總面積:

        散熱總面積計(jì)算

        散熱量計(jì)算

        傳熱系數(shù):K=47.1;對(duì)數(shù)平均溫差:ΔT=47.7℃;

        散熱所需冷卻空氣流量計(jì)算

        注:通常散熱器進(jìn)出風(fēng)溫差Δta=10℃~30℃,此處根據(jù)以往實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)選取Δta=15℃。

        熱側(cè)空氣溫差計(jì)算

        3.5 發(fā)電機(jī)水散熱器設(shè)計(jì)計(jì)算

        設(shè)計(jì)參數(shù)

        已知:額定工況下需要的散熱量為5kW。

        散熱帶散熱面積計(jì)算

        散熱帶數(shù)量:n1=9;波數(shù):n2=193;

        單個(gè)波長(zhǎng)度:L1=0.01714(m);

        帶寬:L2=0.056(m);

        散熱帶散熱面積:

        散熱管冷側(cè)散熱面積計(jì)算

        散熱管數(shù)量:n1=16;散熱管截面外周長(zhǎng):L1=0.05428(m);管長(zhǎng)L3=0.58(m)

        散熱管冷側(cè)總面積:

        散熱總面積計(jì)算

        Fr=S1+S2=3.3+0.5=3.8(m2)。

        散熱量計(jì)算

        傳熱系數(shù):K=90.3;對(duì)數(shù)平均溫差:ΔT=17.49℃;

        散熱量:Q=Fr×K×ΔT÷1000

        =3.8×90.3×17.49÷1000≈6(kW)。

        散熱所需冷卻空氣流量計(jì)算

        注:通常散熱器進(jìn)出風(fēng)溫差Δta=10℃~30℃,此處根據(jù)以往實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)選取Δta=12℃。

        冷卻液溫升計(jì)算

        3.6 驅(qū)動(dòng)電機(jī)水散熱器設(shè)計(jì)計(jì)算

        設(shè)計(jì)參數(shù)

        已知:額定工況下需要的散熱量為9kW。

        散熱帶散熱面積計(jì)算

        散熱帶數(shù)量:n1=14;波數(shù):n2=193;

        單個(gè)波長(zhǎng)度:L1=0.01714(m);

        帶寬:L2=0.056(m);

        散熱帶散熱面積:

        S1=n2×L1×2×L2×n1=193×0.01714×2×0.056×14≈5.19(m2)。

        散熱管冷側(cè)散熱面積計(jì)算

        散熱管數(shù)量:n1=26;散熱管截面外周長(zhǎng):L1=0.05428(m);管長(zhǎng)L3=0.58(m)。

        散熱管冷側(cè)總面積:

        S2=L1×L3×n1=0.05428×0.58×26≈0.819(m2)。

        散熱總面積計(jì)算

        Fr=S1+S2=5.19+0.819≈6(m2)。

        散熱量計(jì)算

        傳熱系數(shù):K=93.14;對(duì)數(shù)平均溫差:ΔT=17.29℃。

        散熱量:Q=Fr×K×ΔT÷1000

        =6×93.14×17.29÷1000≈9.7(kW)。

        散熱所需冷卻空氣流量計(jì)算

        注:通常散熱器進(jìn)出風(fēng)溫差Δta=10℃~30℃,此處根據(jù)以往實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)選取Δta=12℃。

        冷卻液溫升計(jì)算

        3.7 冷卻風(fēng)扇匹配及各散熱器風(fēng)量計(jì)算

        綜合上述計(jì)算可得:整個(gè)冷卻模塊所需的風(fēng)量為:

        VA=0.87+0.55+0.42+0.68=2.52m3/s=9072m3/h

        已選定的軸流風(fēng)扇性能曲線如圖2所示。

        圖2 軸流風(fēng)扇性能曲線圖

        根據(jù)以上風(fēng)扇曲線圖,當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1800rpm,風(fēng)壓200pa時(shí),風(fēng)量近似取10600m3/h>9072m3/h;當(dāng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2000rpm,風(fēng)壓200pa時(shí),風(fēng)量近似取14000m3/h>9072m3/h。

        故此風(fēng)扇可滿足散熱需求。

        由于4個(gè)散熱器是采用并列安裝方式,其中發(fā)動(dòng)機(jī)水散熱器、發(fā)電機(jī)散熱器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)散熱器芯體結(jié)構(gòu)相同,中冷器芯體結(jié)構(gòu)雖然略有區(qū)別,但是其芯厚尺寸及散熱帶尺寸非常接近,因此在后續(xù)風(fēng)量分配中,近似將其風(fēng)阻看做與其他3個(gè)散熱器一致,集成化散熱器總成模型如下圖3所示。

        圖3 集成化散熱器總成模型圖

        由前面的各散熱器芯體參數(shù)表總結(jié)歸納有:

        整個(gè)冷卻模塊的迎風(fēng)面積:S≈3.45m2(其中:中冷器占27%,發(fā)動(dòng)機(jī)水散熱器占31.6%,發(fā)電機(jī)水散熱器占16.5%,驅(qū)動(dòng)電機(jī)水散熱器占24.9%)。

        按上述各散熱器迎風(fēng)面積占比進(jìn)行風(fēng)量分配有:

        通過中冷器的風(fēng)量:

        通過發(fā)電機(jī)水散熱器的風(fēng)量:

        通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)水散熱器的風(fēng)量:

        將上述風(fēng)量分別代入計(jì)算式:

        得中冷器進(jìn)出風(fēng)溫差:

        發(fā)動(dòng)機(jī)水散熱器進(jìn)出風(fēng)溫差:

        發(fā)電機(jī)水散熱器進(jìn)出風(fēng)溫差:

        驅(qū)動(dòng)電機(jī)水散熱器進(jìn)出風(fēng)溫差:

        4 散熱面積校核計(jì)算

        已知各散熱器所需提供的散熱量,所需的散熱面積可由式:

        計(jì)算中冷器所需散熱面積:

        發(fā)動(dòng)機(jī)水散熱器所需散熱面積:

        發(fā)電機(jī)水散熱器所需散熱面積:

        綜合上述計(jì)算過程可知:各散熱器設(shè)計(jì)散熱面積均大于散熱所需的散熱面積,所選風(fēng)扇的風(fēng)量滿足散熱器的散熱需求。

        針對(duì)該集成化散熱器總成,通過控制器對(duì)電子風(fēng)扇進(jìn)行控制,具體控制策略如表2所示。

        以上4個(gè)散熱器的控制策略,以溫度先到為準(zhǔn)。4個(gè)散熱器集成化安裝并共用一個(gè)電子風(fēng)扇,簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)策略。

        5 結(jié)束語

        對(duì)于增程式混合動(dòng)力車輛,車內(nèi)空間緊湊時(shí),可集成化設(shè)計(jì)安裝發(fā)動(dòng)機(jī)中冷器、發(fā)動(dòng)機(jī)水散熱器、發(fā)電機(jī)水散熱器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)水散熱器,并匹配共用同一個(gè)電子風(fēng)扇,簡(jiǎn)化了散熱控制程序;采用先控制器再電機(jī)的串聯(lián)冷卻水路,避免并聯(lián)時(shí)因水阻不均導(dǎo)致流量不均的現(xiàn)象,滿足車輛各部件在最大熱負(fù)荷下的冷卻散熱要求,使車輛能夠正常行駛及工作。

        表2 集成化散熱器總成控制策略表

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