崔保平，李 勇，解德杰

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

氣候變暖是當今全球性問題，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)特別重視新型電動汽車的研究?；旌蟿恿囕v，既可以實現電動汽車的低排放，也能發(fā)揮石油燃料的高比能量和比功率，在由純燃油車輛向純電動車輛的轉變過程中，起著承上啟下的作用。

增程式混合動力車輛包括增程器與動力電池2個動力源。主要熱源部件有增程器及控制器、驅動電機及控制器，其中增程器包含發(fā)動機及發(fā)電機。針對某增程式混合動力車輛，設計1款集發(fā)動機中冷器、發(fā)動機水散熱器、發(fā)電機水散熱器、驅動電機水散熱器共用1個電子風扇的集成散熱器，滿足設計散熱需求，節(jié)省了車輛內部空間，簡化了散熱控制程序，保證增程器及驅動電機在合理溫度范圍內工作。

1 增程式混合動力系統

增程式混合動力系統采用串聯式混合動力形式，如圖1所示。增程器與動力電池兩個動力源可單獨及同時給驅動電機供電提供動力，一方面可實現只通過動力電池的純電行駛；另一方面通過增程器發(fā)電可對動力電池進行充電及對驅動電機提供動力，增加了續(xù)駛里程；增程器與動力電池同時供電提供動力時，此時整車功率最大。

圖1 增程式混合動力系統示意圖

2 冷卻系統設計要求

針對某增程式混合動力車輛，需要進行冷卻的部件有增程器（發(fā)動機、發(fā)電機）、動力源控制器、4個驅動電機及2個驅動控制器。冷卻系統的主要組成有散熱器總成（散熱器及電子風扇）、電控水泵、過濾器、膨脹水箱及相應的冷卻管路。

對于4個驅動電機最大需求散熱量分別為1.5KW，工作溫度不大于120℃，2個電機控制器最大需求散熱量分別為1KW，工作溫度不大于60℃，整理其余相關散熱器的散熱設計需求如表1所示。

表1 集成化散熱器散熱需求參數表

3 集成化散熱器總成設計

3.1 設計方案

由于發(fā)電機與驅動電機為2個獨立的熱源部件，因此將發(fā)電機散熱器與驅動電機散熱器獨立設計，同時加上發(fā)動機的水散熱器及中冷器，設計為4個冷卻循環(huán)回路，4個散熱器集成化安裝，匹配共用1個電子風扇，可節(jié)省空間、簡化控制程序，提高冷卻系統的工作效率，使各個部件在最佳溫度下工作。

由于各控制器與相關電機的水阻差別較大，采用先控制器再電機的串聯方案，可避免電機與控制器并聯時導致水阻大的水路流量小的風險；針對該型號增程式混合動力車輛，驅動電機水路采用先串聯1個驅動電機控制器，再并聯2個驅動電機的方案，同時2個驅動電機冷卻水路管路在整車進行對稱布置，保證水阻一致，設計原理圖如圖2所示。

圖2 冷卻系統原理圖

3.2 系統參數

根據表1所列各熱源部件散熱量及冷卻液流量需求，計算出各部件進出口冷卻水溫度。

3.3 發(fā)動機水散熱器設計計算

已知：額定工況下需要的散熱量為18kW。

散熱帶散熱面積計算

散熱帶數量：n1=18；波數：n2=193；

單個波長度：L1=0.01714（m）；

帶寬：L2=0.056（m）；

散熱帶散熱面積：

散熱管冷側散熱面積計算

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

散熱管冷側總面積：

散熱總面積計算

Fr=S1+S2=6.67+1.07=7.74（m2）。

散熱量計算

傳熱系數：K=86.7；對數平均溫差：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算

注：通常散熱器進出風溫差Δta=10℃～30℃，此處根據以往實測經驗選取Δta=20℃。

冷卻液溫升計算

3.4 發(fā)動機中冷器設計計算

設計參數

已知：額定工況下需要的中冷散熱量為8kW。

散熱帶散熱面積計算

散熱帶數量：n1=11；波數：n2=131；

單個波長度：L1=0.020024（m）；

帶寬：L2=0.062（m）；

散熱帶散熱面積：

散熱管冷側散熱面積計算

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

散熱管冷側總面積：

散熱總面積計算

散熱量計算

傳熱系數：K=47.1；對數平均溫差：ΔT=47.7℃；

散熱所需冷卻空氣流量計算

注：通常散熱器進出風溫差Δta=10℃～30℃，此處根據以往實測經驗選取Δta=15℃。

熱側空氣溫差計算

3.5 發(fā)電機水散熱器設計計算

設計參數

已知：額定工況下需要的散熱量為5kW。

散熱帶散熱面積計算

散熱帶數量：n1=9；波數：n2=193；

單個波長度：L1=0.01714（m）；

帶寬：L2=0.056（m）；

散熱帶散熱面積：

散熱管冷側散熱面積計算

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

散熱管冷側總面積：

散熱總面積計算

Fr=S1+S2=3.3+0.5=3.8（m2）。

散熱量計算

傳熱系數：K=90.3；對數平均溫差：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算

注：通常散熱器進出風溫差Δta=10℃～30℃，此處根據以往實測經驗選取Δta=12℃。

冷卻液溫升計算

3.6 驅動電機水散熱器設計計算

設計參數

已知：額定工況下需要的散熱量為9kW。

散熱帶散熱面積計算

散熱帶數量：n1=14；波數：n2=193；

單個波長度：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）。

散熱管冷側散熱面積計算

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

散熱管冷側總面積：

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

散熱總面積計算

Fr=S1+S2=5.19+0.819≈6（m2）。

散熱量計算

傳熱系數：K=93.14；對數平均溫差：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算

注：通常散熱器進出風溫差Δta=10℃～30℃，此處根據以往實測經驗選取Δta=12℃。

冷卻液溫升計算

3.7 冷卻風扇匹配及各散熱器風量計算

綜合上述計算可得：整個冷卻模塊所需的風量為：

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

已選定的軸流風扇性能曲線如圖2所示。

圖2 軸流風扇性能曲線圖

根據以上風扇曲線圖，當風扇轉速為1800rpm，風壓200pa時，風量近似取10600m3/h＞9072m3/h；當風扇轉速為2000rpm，風壓200pa時，風量近似取14000m3/h＞9072m3/h。

故此風扇可滿足散熱需求。

由于4個散熱器是采用并列安裝方式，其中發(fā)動機水散熱器、發(fā)電機散熱器、驅動電機散熱器芯體結構相同，中冷器芯體結構雖然略有區(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)風量分配中，近似將其風阻看做與其他3個散熱器一致，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表總結歸納有：

整個冷卻模塊的迎風面積：S≈3.45m2（其中：中冷器占27%，發(fā)動機水散熱器占31.6%，發(fā)電機水散熱器占16.5%，驅動電機水散熱器占24.9%）。

按上述各散熱器迎風面積占比進行風量分配有：

通過中冷器的風量：

通過發(fā)電機水散熱器的風量：

通過驅動電機水散熱器的風量：

將上述風量分別代入計算式：

得中冷器進出風溫差：

發(fā)動機水散熱器進出風溫差：

發(fā)電機水散熱器進出風溫差：

驅動電機水散熱器進出風溫差：

4 散熱面積校核計算

已知各散熱器所需提供的散熱量，所需的散熱面積可由式：

計算中冷器所需散熱面積：

發(fā)動機水散熱器所需散熱面積：

發(fā)電機水散熱器所需散熱面積：

綜合上述計算過程可知：各散熱器設計散熱面積均大于散熱所需的散熱面積，所選風扇的風量滿足散熱器的散熱需求。

針對該集成化散熱器總成，通過控制器對電子風扇進行控制，具體控制策略如表2所示。

以上4個散熱器的控制策略，以溫度先到為準。4個散熱器集成化安裝并共用一個電子風扇，簡化了控制系統策略。

5 結束語

對于增程式混合動力車輛，車內空間緊湊時，可集成化設計安裝發(fā)動機中冷器、發(fā)動機水散熱器、發(fā)電機水散熱器、驅動電機水散熱器，并匹配共用同一個電子風扇，簡化了散熱控制程序；采用先控制器再電機的串聯冷卻水路，避免并聯時因水阻不均導致流量不均的現象，滿足車輛各部件在最大熱負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