汽车电机冷却系统热管理策略优化分析

汽车电机冷却系统热管理策略优化分析

韩志锋

三一海洋重工有限公司 519050

摘要：热管理系统是在汽车运行过程中保障动力系统、空调系统以及电池系统等始终保持安全平稳状态的关键，通过创建虚拟仿真模型，仿真分析汽车电机冷却系统的运行工况，并对电机冷却系统的设计合理性进行研究。进而对电机冷却系统热管理在运行过程中的能耗问题进行充分考虑，进而设计优化了冷却系统中的电动水泵，从而通过优化后的应用结果进行分析发现，汽车电机在应用城市季节循环工况之后，降低了能耗问题，实现了更加低能耗的热管理作用。

关键词：汽车；电机；冷却系统；热管理

引言：节能减排是我国在新时期经济发展过程中所高度关注的话题，而作为我国经济的重要支柱性产业，汽车产业具有更加广阔的产业链。其中燃油以及排放则成为了社会对汽车行业所关注的重点问题，在全面提倡降低能耗的背景下，汽车的各项节能设计也成为了必然要求。而在汽车进行全新研发的过程当中，基于多种复杂的动力运行模式，对整车进行有效的控制则是最为关键的内容，这就需要充分借助于热管理展开。因此热管理优化对于汽车电机冷却系统的节能具有直接影响作用。

1 汽车热管理系统研发

以笔者以往从事设计的电动汽车为例，为其设计了完整的电机冷却系统热管理，从而对动力系统、空调系统以及电池系统展开合理的协调统筹，确保符合汽车的动力运行需求。

图1 电机冷却系统热管理结构图

如图1所示则表示为该电动汽车的热管理结构图，在该系统中的冷却回路为4个。相较于传统的燃油汽车而言，通过在发动机冷却与空调采暖系统的暖风支路上增加三通阀、水加热PTC以及电机水泵单向阀，进而促使电动汽车仍旧能够在满足运行的基础上提供采暖需求。并且通过将板式换热器并联在暖风支路上，确保动力电池在任何状态下都能够满足升温需求[1]。

而在电机冷却回路的设计中，则将其设定为独立冷却回路，其中囊括了电机水泵、电机、控制器以及散热器等结构。通过电机水泵驱动回路中的冷却液进行运行，进而在低温换热器与冷空气进行交换的过程中带走发热件的热量。

空调制冷回路中含有两个制冷支路，且两个支路为并联状态。其中一个支路负责满足动力电池的降温需求，进而避免动力电池过热。而另一支路则需要满足电动汽车驾驶室内部的降温需求，则设定为蒸发器与热力膨胀阀。两个支路的并联状态要求同步运行，同时满足两个要求，则设计电磁截止阀的方式对支路的并联与断开进行控制。

动力电池的升温以及降温回路中包含动力电池冷却器、电子水泵、板式换热器等结构。该回路与发动机冷却及空调采暖回路之间通过板式换热器形成耦合换热效果，进而能够快速升温动力电池，而与空调制冷系统之间依靠于动力电池冷却器进行耦合换热从而进行降温。

该整体热管理系统基于分层布置方式将包括散热器、电机风扇以及冷凝器等众多前端模块在电动汽车的前保险杠后进行安装，进而在汽车运行过程中借助于空气对流以及风扇运行等，展开换热处理，从而通过热管理系统带走各回路的热量，保障汽车运行中各部件均处于稳定温度范围内。

2 匹配汽车电机冷却系统

作为独立的冷却回路，电机冷却系统在前端模块中布置散热器，而保障前端模块具有更为良好的密闭性，将会促使以等同于环境温度的参数完成低温散热器的进风[2]。电机冷却系统展开换热的过程单独完成，因此也可以通过对该冷却系统进行设计评估，从而研判是否能够满足整车的冷却热管理需求。

基于笔者的工作经验，按照以往整车热平衡展开实验以及行业相关标准，要求在试验过程中维持9%的坡度要求汽车按照60km/h的速度进行爬坡运行。这是由于该状态下电动汽车具有较高的运行负荷，则相对应的电机以及其控制器可能会产生较多的散热量。并且在该工况状态下的电动汽车运行速度相对较低，则不会产生较大的散热进风量，从而更加挑战电机冷却系统本身的冷却能力。

除此之外，对车速设定在6km/h的蠕动状态，尽管并未产生较大的运行负荷，但是在这一过程中主要以地面或是部分热回流空气为主作为进风，具有较高的进风温度。并且仅仅是依托于风扇完成进风，风量较小，促使电机冷却系统同样面临着严峻的考验。因此在对电机冷却系统展开试验分析时，选定了基于9%坡度的60km/h爬坡工况，进而对电机冷却系统的热管理设计是否合理进行研判。

本试验基于CFD三维仿真模拟的方式结合平面系统仿真分析，对电机冷却系统处于典型工况以及纯电动状态下产生的热流量以及温度进行计算统计。基于三维仿真实验，对当前工况下的电机冷却系统散热器进风温度以及进风量进行计算。从而为平面仿真分析提供边界输入数据。通过创建整车CFD模型之后，在其另一侧创建模拟环境风洞。速度入口则设定为风洞的入口边界，且入口风速与车速保持相一致的状态。多孔介质设定为前端模块的换热器，并利用多重坐标方式对发热改善进行模拟分析，设定为2000r/min的转速。

基于三维CFD的仿真分析之后，则可以在仿真模型中更加清晰的获取换热器的流场信息情况。在电动汽车处于低速运行的状态下，除了小部分的区域具有不均匀的散热进风情况，其余部分均处于均匀分布状态，从而能够快速满足低温散热器的换热需求。并且均匀分布的温度也能够证明前端模块具有良好的密封表现。能够对机舱内的热回流到进风面进行有效控制，从而实现散热换热处理。确保能够形成最佳的换热状态

[3]。

而根据在散热机舱内创建的三维仿真模拟分析结果来讲，在低速运行状态时，散热器中的流场信息表示为为45℃的环境温度、51℃的平均进风温度以及0.27kg/h的进风量，而在9%坡度的60km/h爬坡状态下散热器的流场信息则对应表示为38℃的环境温度、38.5℃的平均进风温度以及0.36kg/h的进风量。

根据一般电动汽车的运行要求，按照电机MAP效率效率图来讲，对两种不同工况状态下的散热量进行估算。则作为边界输入条件，电机冷却系统的部件进水温度在低速运行状态下能够控制在49℃~54.2℃之间，而在9%坡度的60km/h爬坡工况下能够控制在57.8℃~60.2℃之间，进而符合目标要求，证明当前电机冷却系统具有合理的运行表现。

3 电机冷却系统热管理控制优化

3.1分析电机水泵耗能

基于上文中对电动汽车的电机冷却系统创建仿真模型进行分析之后，需要对其处于电动运行模式以及城市循环工况下的水温情况进行计算，从而基于满足热管理需求的角度对其节能降耗表现进行优化升级，确保电动汽车的电机冷却系统热管理能耗降低。因此需要对电机水泵的能耗进行详细分析研究。基于在实际当中的情况来讲，可以首先设定为包括电机、电机控制器在内的任何结构出现超过40℃以上的进水温度之后，则电机水泵需要在6500r/min的额定运行转速状态，进而对电机水泵起到一定的控制作用。而在城市循环30次以上之后，消耗了3960s的总运行时间，实际运行里程超过19km。

对城市循环工况下的不同季节环境温度进行设定，其中春秋按照20℃的环境温度进行计算，而夏季根据笔者的工作经验，需要按照45℃进行计算，此时对电机冷却系统的进水温度以及电机水泵功耗进行研究分析。

根据对比分析，发现当处于春秋季节当中，在城市循环工况状态下，具有17~19℃范围内的电机控制器进水温度，而电机本身则具有40~45℃的进水温度，均能够保持在65℃以下[4]。而处于夏季温度较高的环境状态下，城市循环工况下的电动汽车的也能够保持在55℃以下的电机控制器进水温度，电机则最高具有56.5℃的进水温度范围，因此同样也能够控制在65℃以下的水温目标状态。

而通过进一步研究分析，在城市循环工况状态下春秋季节由于温度相对较低，则电机水泵大多数情况下处于闲置状态。而达到40℃的进水温度之后，则电机水泵开始运转，驱动冷却液进行运行，进而在促使散热器与环境冷空气进行置换达到散热作用。在这一过程当中，则能够促使电机控制器以及电机本身快速实现降温表现，促使电机冷却系统的水温快速降低，最终达到40℃以下的状态后，电机水泵再次恢复为0转速状态停止运行，此时的电机水泵具有相对较低的输出功率。而进入到夏季环境之后，由于环境温度相对较高，则当电动汽车处于城市循环工况状态下，电机水泵需要以额定转速状态加以运行，则电机水泵本身将会处于相对较为稳定的输出功率状态。

通过分析不同季节环境下的电动汽车运行过程中电机冷却系统的运行状况，发现其中电机水泵在春秋将会产生12.56kJ的能耗，而在夏季则相对会产生188.84kJ的能耗。

3.2优化电机水泵的有效举措

基于对电机水泵的运行能耗进行调查分析，则发现其在夏季运行环境中的能耗相对较高，为了能够充分满足电机冷却系统的热管理需求的基础上实现节能降耗表现，就需要展开相应的优化控制，促使其具有良好的节能表现。

因此对电机水泵展开优化处理，则首先应当对控制逻辑进行更改，通过设定为占空比模式，进而基于不同范围内的温度参数对电动机以及电机控制器的进水温度进行控制，对电机水泵差异性的占空比状态相互对应，则表示为电机水泵应处于差异性的转速状态。

如表1所示则表示为不同部件在电机水泵处于占空比状态下的水温范围值统计表。

表1 电机冷却系统差异性部件水温范围与电机水泵占空比统计表

基于该表中的数据对比研究，对电机水泵展开优化之后，则处于全新的控制策略状态下，电动汽车在城市循环的运行工况下电机冷却系统每一部件的实际进水温度情况如图2所示。

图2 优化后的电机冷却系统各部件进水温度情况

基于图2中的内容进行研究，发现当电动汽车处于城市循环运行状态下，处于春秋季节当中，电机控制器具有18~18.5℃的进水温度范围，而电机则始终保持在40℃的稳定进水温度参数。证明电机冷却系统中的各构件均符合低于65℃的进水温度要求。而处于夏季环境温度状态下，电机控制器也能够保持在51℃以内的进水温度，电机具有56℃以内的进水温度，均符合不高于65℃的水温要求。而通过更进一步的研究分析后，发现当处于不同的季节环境状态下，电机水泵控制经过优化之后，能够始终控制在975~3250r/min之间的转速状态，相较于优化之前电机水泵频繁出现启动与停止的控制现象而言，当前经过优化之后的电机水泵具有相对更加良好的稳定运行表现，不仅降低了运行能耗，同时促使水泵运行噪音有所降低。

相较于优化之前，水泵具有更低的输出功率，在电动汽车处于城市循环工况下，仅消耗5.78kJ，降低了54%左右的能耗。而在进入到夏季环境之后，经过控制优化之后，试验电动汽车的电机冷却系统，检测发现其初始温度状态处于45℃左右，并以3250r/min的转速启动电机水泵，在运行200s之后，检测电机的进水温度，发现其能够维持在54~56℃之间，温度区间为40~60℃阶梯。处于该状态下的电机冷却系统不仅能够满足电动汽车的城市循环运行需求，降低各系统运行温度，且相较于优化之前的6500r/min转速状态，显著降低了运转速率，大幅度降低输出功率，基于充分满足运行要求的基础上，电机水泵在城市循环运行状态下仅需要27.58kJ的能耗，降低能耗程度达到85%以上，具有有效的节能作用。

结束语：本文以某电动汽车为例，对其电机冷却系统的热管理设计进行研究分析，以保障电动车在各种不同的工况下所涉及到的系统结构均处于安全运行状态。考虑到汽车电机冷却系统这一独立系统的运行影响将会直接影响到汽车的热管理效果，对其进行仿真分析，分别计算了两种不同状态下系统的冷却应用可行性。进而考虑到热管理的能耗问题，设计了控制优化策略，通过对电机水泵展开优化设计，发现其分别处于春秋季以及夏季环境中均能够形成良好的节能降耗表现。

参考文献：

[1]孔令洋. 一种新型纯电动汽车电机冷却系统研究[J]. 汽车工业研究,2023,(02):46-50.

[2]赵亮,朱建新,储爱华. 混合动力汽车镍氢电池热管理策略研究[J]. 机械设计与制造,2020,(09):301-304.

[3]易舒,刘慧军,徐作文. 某PHEV汽车电机冷却系统热管理策略优化[J]. 车辆与动力技术,2020,(02):25-30+35.

[4]张春秋,徐振鹏. 纯电动车热管理系统构建研究[J]. 汽车文摘,2020,(03):31-36.