摘 要：為了降低新能源汽車熱管理系統(tǒng)多通電子水閥內(nèi)部泄漏量，分析泄漏產(chǎn)生原因，通過(guò)模擬仿真分析和實(shí)物樣件試驗(yàn)測(cè)量，研究密封結(jié)構(gòu)對(duì)泄漏量的影響。結(jié)果表明，通過(guò)優(yōu)化閥芯、閥體、密封墊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加密封墊的壓縮量，提高零件尺寸精度減小變形可以大幅降低閥的內(nèi)部泄漏量，減少各通道之間串液和熱交換，從而減少能量損失，對(duì)于提高熱管理系統(tǒng)的能量利用率降低新能源汽車能耗有非常大的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 熱管理 熱泵 電子水閥 密封 泄漏

1 引言

新能源汽車（New energy vehicle， NEV）市場(chǎng)滲透率不斷提升，汽車電動(dòng)化的技術(shù)趨勢(shì)越發(fā)明顯，但是由于動(dòng)力電池能量密度和補(bǔ)能效率以及充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)問(wèn)題，純電動(dòng)汽車用戶的續(xù)航焦慮和補(bǔ)能焦慮特別突出。如何降低純電動(dòng)汽車的能耗、提高續(xù)航里程成為各大汽車廠重點(diǎn)研究的對(duì)象。

當(dāng)前新能源汽車行業(yè)內(nèi)通過(guò)熱管理系統(tǒng)的集成模塊化設(shè)計(jì)、合理進(jìn)行能量分配和廢熱利用，采用熱泵方案盡可能從外界環(huán)境中吸取更多的熱量[1-2]，成為降低能耗的主要研究技術(shù)方向之一。特斯拉的熱管理系統(tǒng)方案為行業(yè)標(biāo)桿[3]，采用直接式熱泵系統(tǒng)、八通閥、集成模塊化設(shè)計(jì)。熱管理集成模塊化[4-6]不但可以實(shí)現(xiàn)能量的合理利用，同時(shí)由于集成化減少系統(tǒng)零件數(shù)量，節(jié)省和簡(jiǎn)化布置空間，減少裝配工作量，從而降低系統(tǒng)成本；同時(shí)由于冷卻液和制冷劑循環(huán)系統(tǒng)對(duì)外連接端口數(shù)量減少，從而減少對(duì)外滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。集成模塊核心技術(shù)之一為使用多通電子水閥（以下簡(jiǎn)稱多通閥，通常＞4個(gè)通道）代替多個(gè)常規(guī)的三通閥或者四通閥，實(shí)現(xiàn)不同模式之間的切換，為動(dòng)力系統(tǒng)、電池系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)在各種工況下良好的運(yùn)行提供保障[7-9]。多通閥的應(yīng)用關(guān)鍵和難點(diǎn)在于如何保證多通閥內(nèi)部通道之間的密封性能，避免各模式通道之間相互串液、熱量交換導(dǎo)致能量損失。本文通過(guò)分析多通閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和密封機(jī)理[10-11]，重點(diǎn)研究如何減小多通閥內(nèi)部泄漏量，保證產(chǎn)品性能，從而提高熱管理系統(tǒng)總成的效率，降低整車能耗。

2 多通閥的密封和影響分析

2.1 結(jié)構(gòu)原理

多通閥通常指連接通道多于兩個(gè)的閥，常見(jiàn)的三通和四通閥，本文重點(diǎn)研究通道大于四個(gè)的多通閥。多通閥總成包含的零件有閥芯、內(nèi)部密封墊、閥體、外部密封墊、閥蓋、密封圈、控制器等，如圖1所示。工作方式為通過(guò)控制器帶動(dòng)閥芯旋轉(zhuǎn)到不同角度，閥芯上通道與閥體上通道相連接，實(shí)現(xiàn)不同模式的聯(lián)通和切換；由于閥芯角度位置的不同，當(dāng)閥芯通道與閥體通道之間完全重疊時(shí)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制；當(dāng)閥芯通道與閥體通道之間不重疊時(shí)存在角度時(shí)，實(shí)現(xiàn)比例控制；滿足新能源汽車電池、電驅(qū)、電控、乘客艙等不同功能模塊的熱管理需求。

2.2 密封機(jī)理

多通閥各通道之間密封由閥芯、閥體通過(guò)壓縮墊密墊實(shí)現(xiàn)密封，影響密封效果的因素有：閥芯直徑、圓度和軸向方向直線度；閥體孔直徑、圓度和軸線方向直線度；密封墊的壓縮量和彈性，等。閥芯和閥體的尺寸和輪廓度偏差可以通過(guò)密封墊的壓縮量補(bǔ)償，加大密封墊的壓縮量可以提高密封效果，但是密封墊的壓縮量越大閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩越大，對(duì)于控制器的輸出力矩要求越高，在控制器電機(jī)不變的情況下增大齒輪傳動(dòng)比可以實(shí)現(xiàn)降速增扭，即扭矩越大轉(zhuǎn)速越低，閥的響應(yīng)時(shí)間越慢，因此通過(guò)增加密封墊壓縮量來(lái)改善閥的密封性，需要確保閥的響應(yīng)性和旋轉(zhuǎn)力矩基本不受影響。

2.3 泄漏量

當(dāng)前市場(chǎng)上主要幾種多通閥泄漏量控制范圍要求如表1所示，由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、應(yīng)用環(huán)境、測(cè)試壓力不同，泄漏量差異很大；可以看出壓力越大泄漏量越大，且耐久后泄漏量遠(yuǎn)大于耐久前，意味著車輛行駛一定里程（耐久）后熱管理性能衰減嚴(yán)重。

2.4 影響分析

多通閥內(nèi)部泄漏量越大，各通道之間相互串液和能量交換越多，不但影響相關(guān)通道流量和功能，同時(shí)由于串液導(dǎo)致能量損失影響系統(tǒng)效率。根據(jù)熱量計(jì)算公式：

Q=cmΔt

式中：Q表示熱量（J），c表示比熱容（J/g℃），m表示質(zhì)量（g），Δt表示溫變化（℃）。

常用冷卻液為50%乙二醇和50%水的溶液，其比熱容c=3.3 J/g℃，25℃時(shí)密度為1.071g/cm3。如冬季行車工況，乘員艙暖風(fēng)需求冷卻液溫度為t=60℃，電池包冷卻需求的冷卻液溫度t=20℃，兩者溫差Δt=40℃，假定新車多通閥的泄漏量為100ml/min時(shí)，每分鐘由于串液導(dǎo)致能量損失為Q=14.137kJ；假定車輛耐久后泄漏量為300ml/min時(shí)，每分鐘由于串液導(dǎo)致能量損失Q=42.411kJ。當(dāng)車輛平均車速為60km/h，平均能耗為15kWh/100km，通過(guò)計(jì)算可知由于泄漏串液導(dǎo)致的新車能耗增加0.393kWh/100km，耐久后能耗增加1.179kWh/100km，分別增加2.62%和7.86%。由此可知降低多通閥的泄漏量，尤其是耐久后的泄漏量，對(duì)于提高能量利用率、降低車輛能耗具有重要意義。

如何降低多通閥的泄漏量，提高耐久性能為新能源汽車熱管理集成模塊的關(guān)鍵。

3 解決方案

由于多通閥內(nèi)部通道之間的密封結(jié)構(gòu)主要由閥芯、內(nèi)部密封墊、閥體三部分組成，因此解決密封性問(wèn)題的關(guān)鍵在于該三個(gè)件之間的配合。密封功能區(qū)域包含閥芯與密封墊之間的密封，兩者存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)；密封墊與閥體之間的密封，兩者不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)；密封墊通過(guò)閥芯的過(guò)盈壓縮和彈性，補(bǔ)償由于閥芯的壓縮以及閥芯與閥體之間的尺寸公差和輪廓度，基于以上分析，提出如下優(yōu)化解決方案。

（1）優(yōu)化閥芯與密封墊接觸面的結(jié)構(gòu)，減小接觸面積增加單位面積受力，從而改善閥芯與密封墊之間的密封效果，減小旋轉(zhuǎn)摩擦力矩。如圖2所示，閥芯與密封墊接觸位置分別為方案a方形、方案b全圓弧形、方案c三角形加圓弧過(guò)渡，在相同壓縮量的情況下，方案c受力面積最小壓力最大，方案a受力面積最大壓力最小。同時(shí)，由于閥芯旋轉(zhuǎn)半徑相同、密封墊壓縮量和壓力相同，方案c閥芯與密封墊接觸面積最小，摩擦力最小，閥芯旋轉(zhuǎn)阻力矩最小。

提取圖2模擬分析結(jié)果如表2所示，當(dāng)3種方案的密封墊壓縮量均為0.7mm，方案c閥芯與密封墊之間壓力約比方案a和方案b分別大17.6%、7.1%；因此對(duì)應(yīng)密封效果方案c要優(yōu)于方案a和方案b。

（2）優(yōu)化密封墊與閥體接觸面的結(jié)構(gòu)，采用雙筋結(jié)構(gòu)的線密封取代平面結(jié)構(gòu)的面密封，如圖3所示：相同閥芯結(jié)構(gòu)、相同密封墊壓縮量情況下，由于方案d密封筋寬度小于方案c密封面，因此對(duì)應(yīng)的壓力方案d大于方案c，密封墊與閥體之間貼合度和密封效果更好。同時(shí)，由于兩條筋之間形成懸空結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的閥芯壓縮量的情況下，由于密封墊正對(duì)閥芯位置沒(méi)有支撐，閥芯與密封墊壓力變小，因此當(dāng)保持閥芯與密封墊之間的壓力與方案c一致時(shí)，可以增加將壓縮量進(jìn)一步提升如方案e，從而使密封墊筋與閥體之間的壓力進(jìn)一步增大，更有利于密封。

提取圖3模擬分析結(jié)果如表3所示，壓縮量為0.7mm時(shí)，方案d與方案c比：密封墊與閥體之間壓力增加300%，同時(shí)閥芯與密封墊之間壓力降低18.3%，由此可知閥體與密封墊之間的密封效果改善明顯，但閥芯與密封墊之間密封差，閥芯轉(zhuǎn)阻力矩減?。环桨竐為在方案d的基礎(chǔ)上壓縮量由0.7mm增加到0.8mm，與方案c相比，閥芯與密封墊的壓力基本相當(dāng)，即閥芯與密封墊密封效果相當(dāng)，閥芯轉(zhuǎn)動(dòng)力矩相當(dāng)，但此時(shí)密封墊與閥體的壓力增加333%，密封效果進(jìn)一步改善。

（3）合理設(shè)計(jì)和分布密封墊密封筋，使整個(gè)密封帶受力均勻，由于筋的數(shù)量增加相同壓縮量的情況下，筋的壓力變小，可以降低閥芯旋轉(zhuǎn)阻力矩；同樣，當(dāng)保持閥芯旋轉(zhuǎn)力相同的情況下，可以增大壓縮量，改善密封效果。如圖4所示，以某八通閥密封墊為例，密封墊壓縮量同為0.7mm時(shí)，方案g比方案f受力更加均勻，且密封筋上平均壓力減小約30%；當(dāng)保持與方案f平均受力相當(dāng)時(shí)，在方案g的基礎(chǔ)上壓縮量可以由0.7mm提高到0.8mm，如方案h。由于密封區(qū)域受力均勻，且壓縮量的增加，墊片與閥體之間的密封效果將得到改善。

（4）采用雙層材料結(jié)構(gòu)的密封墊，提高產(chǎn)品耐久性。由于閥芯與密封墊存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此密封墊與閥芯結(jié)合面采用特氟龍（PTFE）材料，提高耐磨性，且由于PTFE材料表面光滑摩擦力小，可以降低閥的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；而密封墊與閥體之間相對(duì)靜止，密封墊與閥體之間采用乙丙橡膠（EPDM），該材料回彈特性好，可以保證密封性能。同時(shí)優(yōu)化調(diào)整密封墊材料硬度，保證密封墊壓縮后與閥芯、閥體之間接觸和包覆性良好。

（5）優(yōu)化閥芯和閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和注塑工藝，保證密封件的尺寸精度，減小變形量。閥芯和閥體配合處的直徑、圓度和直線度直接影響密封效果。閥芯和閥體均為加玻璃纖維的塑料材料，由于塑料材料的變形特性，導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸精度和輪廓度較難保證，因此需要在產(chǎn)品和模具設(shè)計(jì)上充分考慮反變形設(shè)計(jì)方案，減小變形量，提高圓度和輪廓度。通常有如下幾種方案：產(chǎn)品薄壁化設(shè)計(jì)避免局部壁厚不均勻，合理分布加強(qiáng)筋，以保證密封部位圓周方向收縮一致；通過(guò)模流分析優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和模具設(shè)計(jì)、模具冷卻流道分布；采用合適噸位和精度的注塑設(shè)備、注塑工藝參數(shù)優(yōu)化，保證產(chǎn)品尺寸和輪廓精度。圖6所示閥體內(nèi)孔直徑φ70.0mm，優(yōu)化前樣件圓度約為0.5mm，優(yōu)化后圓度達(dá)到0.1mm。

4 驗(yàn)證結(jié)果

以某新能源純電動(dòng)車型為例，該車型熱管理系統(tǒng)方案從分布式改為集成模塊式，通過(guò)采用1個(gè)八通閥的方案取代2個(gè)三通、1個(gè)四通閥，實(shí)現(xiàn)電池、電驅(qū)、電控以及乘客艙的熱管理合理分配和控制。車輛參數(shù)如表4：

以該車型八通閥為研究對(duì)象，改進(jìn)前方案閥芯為全圓弧結(jié)構(gòu)，密封墊為雙筋非均勻布局，壓縮量0.7mm，閥芯和閥體模具沒(méi)有反變形設(shè)計(jì)；改進(jìn)后方案閥芯為三角形加圓弧結(jié)構(gòu)，密封墊為雙筋均勻布局、壓縮量0.8mm，芯和閥體模具采用反變形設(shè)計(jì)。在60kPa的壓力下測(cè)量改進(jìn)前、后不模式對(duì)應(yīng)各通道的泄漏量，結(jié)果如表5所示：改進(jìn)前內(nèi)部泄漏量平均值為169.1ml/min，最大值為320ml/min，優(yōu)化改進(jìn)后泄漏量平均值為43.2ml/min，最大值為85ml/min。即改進(jìn)后泄漏量平均值降低74.45%，最大值降低73.44%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化改進(jìn)方案可行，且效果良好。

5 結(jié)論和建議

通過(guò)以上分析和測(cè)試，優(yōu)化閥芯、閥體、密封墊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制尺寸精度可以大幅度降低多通閥的泄漏量，從而降低整車能耗。具體建議如下：

（1）優(yōu)化閥芯設(shè)計(jì)，采用三角形加圓弧結(jié)構(gòu)，可以減小閥芯與密封墊接觸面積，在相同壓縮量的情況下，可以提高密封墊的壓緊力。

（2）優(yōu)化密封墊設(shè)計(jì)，采用雙筋密封均勻分布，可以使壓力分布更加均勻，降低壓力幅值，從而可以在不增加閥芯旋轉(zhuǎn)阻力矩的情況下通過(guò)增加密封墊壓縮量，增加密封墊與閥芯和閥體的貼合度。

（3）閥芯和閥體壁厚設(shè)計(jì)均勻，優(yōu)化筋的分布，使塑料件在圓周方向收縮量均勻；通過(guò)模具反變形設(shè)計(jì)、采用合適的注塑設(shè)備和工藝，可以提高密封部位的尺寸精度和輪廓度，有利于改善閥芯、閥體與密封墊的貼合度。

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