封金鳳，陳曉飛，劉長振，白書戰(zhàn)*

1.山東大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061；2.中國北方發(fā)動機(jī)研究所，天津 300400

0 引言

近年來，隨著能源短缺、原油價(jià)格持續(xù)上漲、環(huán)境污染等問題的凸顯，人們對新能源汽車技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的關(guān)注越來越多[1]。純電動汽車在行駛過程中有零排放的優(yōu)勢，但電池價(jià)格昂貴、續(xù)航里程短、充電時(shí)間長、充電不便利等缺點(diǎn)極大地限制了純電動汽車的普及[2]。與純電動汽車相比，配置增程器的混合動力汽車?yán)m(xù)航里程長，電池性能要求低；與傳統(tǒng)燃油車相比，混合動力汽車燃油經(jīng)濟(jì)性好[3]。因此在汽車發(fā)展的轉(zhuǎn)型期，混合動力汽車是目前理想的過渡產(chǎn)品。

混合動力汽車存在能源轉(zhuǎn)換效率低的問題[4]，制定合理有效的能量管理策略對混合動力汽車至關(guān)重要。能量管理策略主要分為基于規(guī)則、基于優(yōu)化及基于學(xué)習(xí)3類[5]，目前基于規(guī)則的控制策略應(yīng)用較廣泛，如恒溫器型控制策略、功率跟隨控制策略、電力輔助型控制策略、定點(diǎn)控制策略[6-8]等。苗強(qiáng)等[9]針對恒溫器型控制策略在某些時(shí)刻點(diǎn)懲罰函數(shù)取值不合適問題，提出了一種可變荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)參照的能量管理策略，在維持電量平衡方面取得了與基于固定SOC參照的等效燃油最小控制策略相同的結(jié)果，避免了因懲罰力度過大引起的燃油消耗量增加。賀俊杰等[10]研究了一種基于模糊控制的功率跟隨和恒溫器相結(jié)合的能量管理策略，在Matlab/Simulink和AVL CRUISE中分別建立控制系統(tǒng)模型和增程式電動汽車整車模型，可以快速、準(zhǔn)確地響應(yīng)電動汽車動力性需求，并保證動力電池組SOC的穩(wěn)定性，有效改善了增程器的效率和排放。

本文中對水泵、風(fēng)扇這兩大耗功元件的水阻及風(fēng)阻功耗進(jìn)行計(jì)算，分析冷卻系統(tǒng)最小總功耗；針對不同運(yùn)行工況，利用GT-Cool軟件對水泵、風(fēng)扇進(jìn)行功耗仿真，在Simulink中搭建控制模型，判斷不同運(yùn)行工況下冷卻系統(tǒng)水泵及風(fēng)扇的最小功耗，實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)控制。

1 冷卻系統(tǒng)功耗計(jì)算

熱管理系統(tǒng)的首要控制目標(biāo)是確保出口水的溫度在合理范圍。冷卻系統(tǒng)消耗的功率主要包括水泵和風(fēng)扇消耗的功率。

水泵消耗的功率[11]

(1)

式中：qm，w為水泵質(zhì)量流量，kg/s；pw為水泵泵水壓力，Pa；ηw為水泵總效率。

風(fēng)扇供氣壓力，即冷卻系統(tǒng)空氣通道的阻力

pa=pR+pL，

(2)

式中：pR為散熱器的阻力，Pa；pL為除散熱器外所有空氣通道的阻力，Pa,對于一般的汽車，pL=apR，a=0.4～1.1。

風(fēng)扇所消耗的功率

(3)

式中：qm，a為風(fēng)扇質(zhì)量流量，kg/s；ηa為風(fēng)扇總效率。

冷卻系統(tǒng)總功耗

P=Pw+Pa。

(4)

由式(1)～(4)可得：

(5)

2 冷卻系統(tǒng)一維仿真模型建立

以某增程式混動汽車作為計(jì)算車型，在GT-Cool軟件中調(diào)用相應(yīng)模塊建立發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)模型和電機(jī)冷卻系統(tǒng)模型，如圖1所示。

a)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng) b)電機(jī)冷卻系統(tǒng)圖1 混動汽車?yán)鋮s系統(tǒng)模型

由圖1a)可知：發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)主要由發(fā)動機(jī)機(jī)體、水泵、風(fēng)扇、主熱交換器、從熱交換器、機(jī)油冷卻器、補(bǔ)償水箱等組成。當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻液溫度低時(shí)，氣缸蓋出水口的高溫冷卻液經(jīng)副閥門進(jìn)入水泵，由水泵加壓后流入發(fā)動機(jī)水套。當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻水溫度超過85 ℃時(shí)，主閥門打開，副閥門關(guān)閉，高溫冷卻液通過散熱器與外界空氣進(jìn)行熱交換，經(jīng)水泵流入發(fā)動機(jī)水套；補(bǔ)償水箱可以使冷卻系統(tǒng)中水、汽分離，保持系統(tǒng)內(nèi)壓力穩(wěn)定，緩沖冷卻液的熱脹冷縮，避免空氣進(jìn)入，減少機(jī)件氧化腐蝕；機(jī)油冷卻器模塊用于模擬發(fā)動機(jī)輔助裝置的熱量散失情況[12]。

由圖1b)可知：電機(jī)冷卻系統(tǒng)主要由電機(jī)機(jī)體、水泵、風(fēng)扇和散熱器等組成，冷卻液經(jīng)電機(jī)機(jī)體出口進(jìn)入散熱器冷卻，再由水泵加壓流入電機(jī)冷卻回路中。電機(jī)散熱量較小，因此冷卻回路中不需使用節(jié)溫器，使用功率較小的水泵和風(fēng)扇即可滿足冷卻需求。

發(fā)動機(jī)冷卻回路與電機(jī)冷卻回路相互獨(dú)立，車輛運(yùn)行過程中，發(fā)動機(jī)和電機(jī)的散熱量不斷變化。因此需研究不同散熱量下2個(gè)冷卻回路中水泵及風(fēng)扇運(yùn)行情況對冷卻效果的影響，并根據(jù)仿真結(jié)果制定合理的冷卻策略。

3 冷卻系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)與仿真

3.1 計(jì)算流程

發(fā)動機(jī)和電機(jī)的散熱量確定后，控制出口溫度處于合理范圍，通過不同的水泵和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速組合可以達(dá)到幾乎相同的冷卻效果。因此，確定熱源散熱量后，利用GT-Cool中的試驗(yàn)設(shè)計(jì)(design of experiment,DoE)仿真得到符合冷卻要求的不同水泵和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速組合，選擇能夠達(dá)到冷卻系統(tǒng)最小功耗的最優(yōu)組合，實(shí)現(xiàn)不同散熱量下冷卻系統(tǒng)控制?？紤]風(fēng)速對風(fēng)扇進(jìn)風(fēng)量的影響，匹配計(jì)算過程如圖2所示。

圖2 冷卻系統(tǒng)計(jì)算匹配過程圖

3.2 功率分配對總功耗的影響

增程式混合動力汽車的增程器僅在動力電池電量較低時(shí)開啟，且發(fā)動機(jī)只在充電過程時(shí)工作。汽車在新標(biāo)歐洲循環(huán)測試(new European driving cycle，NEDC)工況運(yùn)行時(shí)，1次充電過程中發(fā)動機(jī)散熱量隨時(shí)間的變化情況如圖3所示。由圖3可知：發(fā)動機(jī)的散熱量主要為12.1、20.4、30.9 kW。

電機(jī)散熱量與電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，電機(jī)轉(zhuǎn)速受整車需求功率影響，車輛在不同運(yùn)行工況時(shí)電機(jī)的散熱量不同。1個(gè)NEDC循環(huán)中電機(jī)散熱量的變化如圖4所示。由圖4可知：電機(jī)散熱量為0～5.8 kW，遠(yuǎn)小于發(fā)動機(jī)散熱量，選取電機(jī)散熱量為2、4、6 kW進(jìn)行研究。

圖3 發(fā)動機(jī)散熱量隨時(shí)間的變化情況 圖4 電機(jī)散熱量隨時(shí)間變化情況

考慮到風(fēng)扇迎風(fēng)冷卻現(xiàn)象，在仿真模型中引入風(fēng)速模塊，汽車行駛速度變化時(shí)，相對風(fēng)速隨之變化。為簡化計(jì)算過程，仿真過程中認(rèn)為風(fēng)力等級為0，即風(fēng)速和車速大小相等。在NEDC中車速為0～120 km/h，以此作為風(fēng)速的變化范圍。為保證發(fā)動機(jī)和電機(jī)正常運(yùn)行，發(fā)動機(jī)出口溫度應(yīng)保持在90～95 ℃，電機(jī)出口溫度不高于40 ℃[13]。

以發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)為研究對象。設(shè)置水泵和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速范圍，每組進(jìn)行50次試驗(yàn)，系統(tǒng)根據(jù)所選的匹配方式得出二者的轉(zhuǎn)速組合，在滿足發(fā)動機(jī)出口溫度的要求下，獲得不同轉(zhuǎn)速組合下水泵及風(fēng)扇耗功情況。不同的散熱量下，水泵和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速范圍如表1、2所示。

表1 不同散熱量下水泵轉(zhuǎn)速

表2 不同散熱量下風(fēng)扇轉(zhuǎn)速

不同散熱量和風(fēng)速下，冷卻附件功耗變化情況相似。隨著散熱量的降低，冷卻附件總功耗下降。在同一散熱量下，存在總功耗最小的轉(zhuǎn)速組合。由于市區(qū)車速約為40 km/h，因此以風(fēng)速為40 km/h為例，通過DoE計(jì)算篩選出發(fā)動機(jī)出口水溫為93 ℃的轉(zhuǎn)速組合，研究不同散熱量下水泵和風(fēng)扇的功率分配對總功率的影響，不同散熱量下風(fēng)扇功率和總功率隨水泵功率的變化如圖5所示。

a)風(fēng)扇功率 b)總功率圖5 不同散熱量下總功率和風(fēng)扇功率隨水泵功率的變化情況

如圖5可知：隨著冷卻系統(tǒng)散熱量降低，風(fēng)扇功耗與冷卻系統(tǒng)總功耗都有所降低。由于水泵功耗較低，冷卻系統(tǒng)總功耗與風(fēng)扇功耗變化趨勢相似；相同散熱量時(shí)，隨著水泵功耗增加，風(fēng)扇及冷卻系統(tǒng)總功耗先下降后上升，其中最低點(diǎn)即為所求最小功耗點(diǎn)[14]。對比最大功耗點(diǎn)，散熱量為12.1、20.4、30.9 kW時(shí)風(fēng)扇功耗分別降低90%、74%、25%，冷卻系統(tǒng)總功耗分別降低84%、66%和22%，散熱量越小，由功率分配帶來的節(jié)能潛力越大。

3.3 冷卻系統(tǒng)最小功耗表

根據(jù)表1中的冷卻系統(tǒng)散熱量及風(fēng)扇、水泵轉(zhuǎn)速范圍，通過DoE計(jì)算不同風(fēng)速下冷卻系統(tǒng)中滿足冷卻需求的風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速，得到最小總功耗轉(zhuǎn)速組合。

發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)不同散熱量及風(fēng)速的水泵、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及總功耗如表3所示。由表3可知：散熱量相同時(shí)，隨風(fēng)速增大，冷卻系統(tǒng)總功耗逐漸降低，風(fēng)扇迎風(fēng)加強(qiáng)空氣與散熱器熱交換；當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱量較低時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速較高，冷卻效果明顯，轉(zhuǎn)速最高為3415 r/min；當(dāng)發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱量升高至30.9 kW時(shí)，受散熱器尺寸限制，提升風(fēng)扇轉(zhuǎn)速無法有效冷卻高溫冷卻液。此時(shí)，需提升水泵轉(zhuǎn)速，保證冷卻液有效流通，達(dá)到冷卻效果。

表3 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)不同散熱量及風(fēng)速下的水泵、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及總功耗

電機(jī)冷卻系統(tǒng)不同散熱量及風(fēng)速下的水泵、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及總功耗如表4所示。

表4 電機(jī)冷卻系統(tǒng)不同散熱量及風(fēng)速下的水泵、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及總功耗

由表4可知：電機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱量少，冷卻系統(tǒng)總功耗低;受風(fēng)速影響，總功耗隨風(fēng)速的升高而降低。當(dāng)冷卻系統(tǒng)散熱量降低至2 kW時(shí)，只需水泵低速運(yùn)轉(zhuǎn)保證冷卻液流動即可滿足冷卻效果；當(dāng)散熱量較高風(fēng)速較低時(shí)，需提高水泵轉(zhuǎn)速保證冷卻液與散熱器間的熱交換。

3.4 冷卻系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

當(dāng)增程式電動汽車運(yùn)行在不同工況時(shí)，針對電機(jī)和發(fā)動機(jī)的即時(shí)散熱量，通過主動干擾的方式調(diào)節(jié)水泵和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，使二者在達(dá)到冷卻效果的前提下，在任何工況下都工作在最小功耗點(diǎn)。為達(dá)到這一目的，在Simulink中搭建控制模型，計(jì)算和控制水泵及風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。Simulink接受到來自GT-Suite的散熱量和風(fēng)速信息后，計(jì)算對應(yīng)的水泵和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，反饋給GT-Suite完成對二者的控制[15]，Simulink控制模型如圖6所示。

圖6 Simulink控制模型

4 冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

4.1 發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)

傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)中，水泵和風(fēng)扇與發(fā)動機(jī)機(jī)械連接，二者轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速形成固定比[16]，為保證冷卻效果，設(shè)置水泵和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速比分別為1.4及1.3，當(dāng)汽車在NEDC工況下運(yùn)行時(shí)，在1個(gè)充電過程中，優(yōu)化前(傳統(tǒng)邏輯控制)、后水泵和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化如圖7所示。

a)優(yōu)化前 b)優(yōu)化后圖7 發(fā)動機(jī)水泵轉(zhuǎn)速和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化

由圖7可知：優(yōu)化后的水泵和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速明顯降低，當(dāng)發(fā)動機(jī)散熱量為20.4、12.1 kW時(shí)(如圖3所示)，水泵轉(zhuǎn)速明顯降低，小于風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，在滿足散熱量要求的情況下，大大減少了水泵的功耗。

設(shè)置冷卻液初始溫度為75 ℃，優(yōu)化前、后發(fā)動機(jī)出口溫度隨時(shí)間的變化情況如圖8所示。由圖8可知：控制風(fēng)扇及水泵轉(zhuǎn)速后，發(fā)動機(jī)出口溫度在90.1～95.8 ℃內(nèi)波動，達(dá)到冷卻系統(tǒng)出口溫度控制要求[17]。對比傳統(tǒng)冷卻方式，優(yōu)化后的發(fā)動機(jī)出口溫度波動更小，避免了過度冷卻，在1500～3000 s范圍內(nèi)尤其明顯。

圖8 優(yōu)化前、后發(fā)動機(jī)出口溫度隨時(shí)間變化曲線

經(jīng)計(jì)算，在一次充電過程中發(fā)動機(jī)有效做功66 321.80 kJ，優(yōu)化前冷卻附件消耗總功為5 682.88 kJ，優(yōu)化后冷卻附件消耗總功為5 136.51 kJ，分別占發(fā)動機(jī)總功的8.57%和7.74%，優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)對比傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)節(jié)能9.61%。

4.2 電機(jī)冷卻系統(tǒng)

以1個(gè)NEDC循環(huán)為例，分析電機(jī)冷卻系統(tǒng)工作情況。在傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)中，水泵和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與電機(jī)轉(zhuǎn)速之比分別為0.8和0.3，優(yōu)化前、后水泵和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化如圖9所示。

a)優(yōu)化前 b)優(yōu)化后圖9 電機(jī)水泵轉(zhuǎn)速和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化

由圖9可知：由于電機(jī)散熱量小，風(fēng)扇迎風(fēng)冷卻效果明顯，所以當(dāng)散熱量過小或風(fēng)速足夠快時(shí)，風(fēng)扇無需開啟，只需水泵低速轉(zhuǎn)動以保證冷卻液流動即可達(dá)到冷卻效果。

優(yōu)化前、后電機(jī)出口溫度變化情況如圖10所示。由圖10可知，雖然優(yōu)化后電機(jī)出口溫度在大部分情況下高于優(yōu)化前，但仍低于40 ℃，滿足電機(jī)正常工作需要。經(jīng)計(jì)算，在1個(gè)NEDC循環(huán)中，優(yōu)化前電機(jī)冷卻系統(tǒng)消耗功24.06 kJ，優(yōu)化后消耗功17.89 kJ，節(jié)能25.64%。

圖10 優(yōu)化前、后電機(jī)出口溫度隨時(shí)間變化

5 結(jié)語

分析了增程式電動汽車?yán)鋮s過程中水泵和風(fēng)扇的功率計(jì)算過程，計(jì)算了發(fā)動機(jī)和電機(jī)在不同散熱量、不同風(fēng)速時(shí)對應(yīng)的最優(yōu)水泵風(fēng)扇轉(zhuǎn)速組合。以此為基礎(chǔ)在Simulink中建立了水泵和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制模型，完成了Simulink和GT-Suite的聯(lián)合仿真。分析仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)和電機(jī)冷卻系統(tǒng)可節(jié)能9.51%和25.64%。