某混合动力车型热管理系统开发与研究

摘要：混合动力车辆热管理系统是确保车辆电机、电池、控制器、发动机处于最佳工作温区系统，并在极限工况下处于许用工作温区的系统。文章以某在研混合动力车型为研究对象，通过对电机、电池、控制器和发动机的散热需求进行分析，设计了覆盖三温区的热管理系统循环回路。文章基于一维仿真软件 Flowmaster 和 CFD 软件 STAR-CCM+对系统在设计工况的性能进行了仿真分析，确保各单元在设计工况运作时散热良好。文章对充电时热管理系统对电池降温需求的响应速率进行了分析，以防止充电过程中热累积引起热失控的发生，并提出了影响响应速率的关键因素和改善方法。

前言

混合动力车辆热管理系统功能是确保车辆驱动电机、电池、控制器、发动机等处于最佳工作温区，并在极限工况下处于许用工作温区的系统。相关方面国内外已有大量的研究，相关研究表明，电池的温度对电池的性能有着重要影响[1]。动力电池由过充、短路等因素发生热失控时会产热大量热量，如果这些热量得不到均匀释放将会对整个动力电池系统的均衡性和电池的整体性能产生影响[2]。李文元、Ohshima 等对电池热失控也进行了大量研究工作，指出电池的冷却装置需要能够吸收掉热失控过程中产生的热量，并且维持整个电池系统的安全性和稳定性[3-4]。Ahmed 等对驱动电机不同转矩下发热和温升的关系进行了相关研究[5]，指出转矩与发热量和温升速率正相关。

热管理系统对各元器件的散热需求的响应速率是决定元器件安全工作的重要因素。电池在热失控发生前热管理系统的及时响应，可提升整车的安全性。

本文对各元器件的产热机理及整车工况对热管理系统性能需求进行了分析，结合一维仿真软件 Flowmaster 和 CFD 软件 STAR-CCM+对热管理系统进行性能匹配与电池静态充电模式时电池进液温度降温响应进行了分析计算。

1 热管理系统的性能需求

热管理系统性能满足电机、电池、控制器、发动机等处于爬坡工况下散热需求，本文结合爬坡工况进行系统匹配分析计算，结合充电工况进行电池冷却响应速率分析计算。设计工况定义如表 1 所示。

1.1 发动机散热需求分析

以爬坡工况下单独由发动机输出动力计算发动机扭矩需求，通过发动机散热需求 MAP 查得发动机散热量需求。

空调制冷系统采用电驱动制冷压缩机，发动机不对压缩机做工，发动机扭矩与车速、传动比、车轮半径、扭矩传输效率、风阻系数、车辆迎风面积、整车满载重量、滚动阻力系数、坡道角度等参数相关。代入相关参数至公式 1 计算得出发动机扭矩，再根据发动机散热需求 MAP[6]，解析获得发动机散热需求为 23.23kW。

1.2 驱动电机及控制器散热需求分析

驱动电机散热途径为机舱空气对流传热、辐射传热和本体散热通道至冷却液的传热。由于极限工况机舱温度较高、发动机本体温度较高、变速器本体温度也较高，极限工况下机舱空气、发动机本体、变速器本体、均向电机传到热量。驱动电机需冷却液带走散热量应包含本体的电磁损耗、内部摩擦产生的热量和来自机舱空气、发动机本体、变速器本体传到的热量。

在转速一定情况下，驱动电机扭矩越大发热量越高，对于混合动力汽车驱动电机来说，在冷却条件一定的情况下，在峰值转矩至少连续工作 30s[7]；为避免局部过热影响寿命，电机内部温度场均匀性要求冷却液流过电机水道后温差需低于 10K[8]。

本车型所采用驱动电机额定转矩持续输出发热量 3.65kW，峰值输出 7.30kW。在峰值扭矩工况冷却液流量不低于 12L/min，额定转矩持续输出工况冷却液流量不低于 6L/min 可满足电机内部温度场均匀性需求。

控制器散热需求与电机同步，电机额定转矩持续输出时，控制器散热量 2.4kW，电机峰值扭矩输出时控制器散热量 3kW。

1.3 电池及充电机散热需求分析

所采用电池组为锂离子电池，电池工作过程中热量的来源主要是其内部发生的反应热、副反应热、极化热和焦耳热 [9]，不同温度和充放电倍率下产热功率不同。电池散热需求随充放电情况变化，同时在充电模式下充电机产生散热需求。电池及充电机散热需求详见表 3。

2 热管理系统匹配分析

电池、电机、发动机等关键单元采用液冷冷却，根据零部件散热需求温度组合各单元，结合各单元布置位置分配各单元至不同循环回路，系统根据温区不同分为高温区发动机循环回路、低温区电机循环回路、电池冷却循环回路。

电池冷却循环回路中冷源为空调制冷循环回路，一维仿真软件 Flowmaster 中搭建热管理系统模型如图 2 所示。

图中元件 1、2、3、4、5 及相关管路构成低温区电机循环回路，元件 7、8、9、10、11、12、13 及相关管路构成空调制冷循环回路，元件 16、17、18、1、10 构成电池冷却循环回路，空调制冷循环通过电池冷却换热器与电池循环回路进行热交换，共同构成电池冷却循环回路。所开发混动车型基于成熟车型开发，故系统模型中发动机循环回路简化。

各元器件水力性能参数见图 3、散热器性能 MAP 见图 4，分别参数形式输入 Flowmaster 系统模型中对应单元，其中管路走向复杂，其水力特性由软件 STAR-CCM+计算后导入一维软件。

低温散热器、冷凝器、中冷器、散热器的进风量通过软件 STAR-CCM+基于前机舱流场计算各模块进风量。在计算中前端模块各元器件设定为多孔介质，流体介质为 50%相对湿度空气，相关参数如表 4 所示。从计算结果提取前端模块风速分布如图 5 所示，前端模块各单元进风量如表 5 所示。

空调系统同时满足乘员舱降温与电池冷却需求。空调系统的管路、膨胀阀、压缩机、冷凝器、蒸发器等相关参数输入 Flowmaster 系统模型中对应单元，其中冷凝器、蒸发器性能参数通过 ACSOP 工具计算形状因子，空调制冷循环压焓图如图 6 所示。

综合各参数，通过一维分析软件 Flowmaster 进行仿真分析，提取出在工况一条件下，电池进液、充电机进液、电机控制器进液、电机进液、的温度和流量等参数，如表 6 所示。

从表 6 结果可以得出结论，热管理系统匹配达到性能要求，并有稍许裕量。

3 电池充电工况降温响应时间校核

电池冷却循环回路在充电工况电池散热需求产生时，同步启动水泵与压缩机。快速充电过程中的电池散热需求较大，此时车辆迎面风速为零，冷凝器进风量小，制冷系统性能最低，故校核充电工况下的电池充电工况产生降温需求后，系统完成降温的时间是否满足需求。

在充电工况，为防止电池热失控发生，电池冷却系统要求电池进液温度在 30s 内由 38℃降至 25℃。电池降温速率主要影响因素为制冷系统从压缩机启动到产生制冷效果的制冷系统启动时间、电池冷却换热器至电池的管路流程、冷却液流速、管路沿程热损失、换热器容积、换热器热容量。空调制冷系统从压缩机启动到开始产生制冷效果的时间，经统计约 5s。相关参数如下表所示：

在 Flowmaster 中建立模型进行仿真模拟，设定从 60s 处电池开始进入充电模式，电池、充电机开始产生热量电池内部温度达到触发电池降温模式的阀值，水泵、制冷压缩机开始工作，5s 后制冷系统开始制冷。提取电池进液和充电机进液的温度数据，温度随时间变化曲线如图 7 所示。

从提取结果得出，电池触发电池降温模式后，14.0s 后电池进液温度降至 25℃以下，符合电池冷却系统要求响应速度低于 30s 的要求。同时充电机进液温度过冲至 38.6℃，满足充电机进液温度低于 50℃的要求。

4 试验验证

通过环境舱模拟爬坡工况、充电工况的环境温度、光照强度、行驶阻力、迎面风速，验证车辆热管理系统在设计工况的实际性能。

在爬坡工况，车辆各监测点温度达到平衡后，采集在电池进液、充电机进液、电机控制器进液、电机进液的温度数据。在充电工况监测采集电池进液、出液的温度数据。

通过比对工况一条件下的各点仿真值和实测值，发现电机循环回路仿真值误差较小，在允许范围内。电池冷却循环回路仿真值偏差高达-52.7%，是因为电池循环回路管路为临时改制，管路长度较长，冷却液实际流量低于仿真工况。

充电模式电池进液温度降温时间 20.1s，满足性能目标低于 30s 要求，但高于仿真值 14.0s。充电机进液温度过冲至 46.5℃，低于 50℃的目标值，高于 38.6℃的仿真值。

分析偏差较大原因为试验车辆从电池冷却换热器至电池管路为临时改制，管路长度为 4.58m，较仿真条件中 2.5m 多了 2.08m。管路增长且弯曲段增多，造成流阻增大，实际冷却液流量低于仿真工况。

5 结束语

混合动力车辆热管理系统相较传动动力车辆热管理系统增加了电池和电机的冷却回路，需同时考虑发动机、电池、电机在设计工况的冷却液流量需求、冷却液进液温度等散热需求，根据温区合理分配循环回路。

电池需防止热失控的发生，电池管理端采取手段为超温后限制充电功率，热管理端需考虑电池冷却降温响应速率，在电池充电系统保护动作前把电池进液温度降低至需求值，避免电池超温，多重手段预防电池热失控的发生。

制冷系统中冷媒在储液器后至电池冷却换热器段的管路中流速较大幅度高于冷却液在电池循环管路中流速，减小电池冷却换热器至电池段管路长度有利于提高电池降温响应速率。电池冷却换热器本身热容量及冷却液容积对电池降温响应速率影响程度较大，应采用紧凑型换热器。电池布置在车身后部，为提高电池冷却降温响应速率，电池冷却换热器至电池液管长度应尽量短。电池液管附近若有排气管路，辐射传热量较高，应对冷却后通往电池管路采取隔热棉和铝箔包裹等方法，减少外界高温热源的不利干扰。