现代动力总成的热管理

摘要

到 2030 年，全球 80%的轻型车辆的销量将是混合动力系统（包括 48V 轻度混合动力），其动力总成系统将包括内燃机和至少一个驱动电机（EMotor）[1]。随着整个汽车市场上电气化程度的不断提高，冷却回路的复杂程度也将不断提高。

对于纯内燃机动力汽车，热管理主要贡献在于冷启动阶段降低内燃机以及变速箱的摩擦以及暖机后的内燃机温度控制以提高热效率，换句话说根据不同工况的需求进行冷却以保证内燃机最佳效率，例如防爆，冷却 EGR等。

对于纯电动汽车，需要考虑电池加热和冷却需求，以及减少客舱加热和冷却所消耗的电能，从而尽可能减少其对续航里程的影响。

混合动力汽车（系统由内燃机、变速器和电池组成）将涵盖上述所有冷却回路。对于高压

（HV）电气部件，通常需要对应于不同于内燃机的温度范围的附加冷却回路。混合动力汽车热管理策略的复杂性是系统设计中面临的主要挑战。

针对热管理上各种不同的需求，必须开发与之对应的系统拓扑结构、控制策略以及产品（图1）。为了系统性地概述动力总成热管理的需求以及边界条件，我们开发了一套收集和分析所有部件热需求的方法，该方法允许为所考察的动力总成推导出需要的流量控制策略和相关产品。

热管理系统开发过程中的优化

我们将以插电式混合动力电动汽车（PHEV）为例进行研究，因为它的系统复杂性涵盖了另外其它两种系统。本文所研究的动力总成系统不仅包括涡轮增压发动机、自动变速器、电机、电力电子设备以及电池，同时也包括用于动力电池冷却的热泵以及换热器等。该 PHEV 的优势是在纯内燃机模式下运行时具有足够的纯电气范围和良好的燃油消耗，相对应的其热管理系统也更加复杂，需考虑的因素也更多样化。图 2 显示了系统研发过程：

1. 产品 (Products)：所有的一切通常从预热管理相关的组建列表或矩阵开始，该列表一般按冷却回路进行分类，并且在最后列出可选的热管理执行器（水泵以及阀门）。

内燃机相关产品属于高温回路，可选配零流量阀与机械水泵或者全可变电动水泵相结合的方案。

电气方面，电动机（EMotor），高压电子设备以及散热器属于中温循环。并联 - 串联开关阀可以将中温冷却回路与低温电池的低温冷却回路连接，以提供热量辅助电池预热（低温冷启动）。

电池水套位于低温回路内，其组件通常包括风扇、冷却板。一个额外的PTC 加热装置还可用于帮助电池预热。为主动强制冷却电池，通常会使用制冷剂循环里的冷凝器 Chiller。供暖，通风和空调（HVAC）也在热管理考虑范围之内。一个在高温冷却回路之外独立运行的高压 PTC 加热回路，能够在内燃机停机时依然持续给车厢供暖。最后，带有客舱暖通和电池主动冷却功能的热泵也属于整车热管理系统的一部分。

2.冷却回路 Coolingcircuits：所有的产品以及组件需要连接在一起形成回路，并使用传热流体实现热传递。对于内燃机而言，其传热流体是废气，发动机油和变速箱油（高于 100℃），而电气部件通常使用冷却水作为传热媒介（低于 75℃）。

3.汽车道路工况 Drivingcycle：热管理开发中的第三步是根据已知的测试工况来制定管理策略。针对不同的工况阶段、不同的冷却回路必须采用相应的冷却/供暖策略。

4.热管理系统功能 Systemfunctions：系统功能是对管理策略的具体化，其准确定义和描述了系统控制的具体行动以及该行动的目标预期。如表 1所示。

在 WLTC 工况循环下，对于具有自动变速箱的动力总成系统，冷启动阶段的发动机冷却液零流量（Zero Flow）控制对节油的贡献可占所有热管理效果的 20％，而主动加热发动机油和变速器油则可额外增加 30％的效果。预热阶段以后，具有精确和灵活的气缸壁温度控制的分流冷却可以占 20-25％[2]。其余的热管理效果则与电池预热以及优化水泵功率有关。凭借全域可控流量的变频电动泵，上述系统功能可在 WLTC 工况循环中实现高达 2％的节油效果[3]。需要注意的是，自动变速箱机油主动加热的介入时间和加热方法对节油效果影响显著。比如在 FTP 循环中，高速工况比 WLTC 早得多，因此在进入高速工况之前的就完成主动加热可以提供 1.0％ 的节油贡献。相反的，如果在城市工况部分的迟迟不开始主动加热，则效益会降至 0.8％以下[4]。

5.组件功能 Componentfunctions：阀门是最终实现上述冷却系统功能所必需的执行器。一般来说，它们分为两段式和连续可控两种。例如，开关阀是典型的两段式阀，而电子辅助恒温器属于连续比例可控类型。

6.流量类型 Flowtypes: 根据阀门控制流量的效果，流量类型可分为零流量、微流量（与全流量相比的限制小流量模式）、分流（通常指闭环反馈中使用的连续变化流量，比如发动机缸体缸盖分流冷却splitcooling）以及全流量（冷却系统满负荷工作状态）。

道路工况下的传统动力系统的热管理

按照上述的系统开发流程，可以针对具体的动力总成推导出热管理所需要的阀门产品。以一个带涡轮增压发动机、自动变速器和电子水泵的传统动力车辆为例，图 3 显示该传统动力车辆冷却回路拓扑结构。冷却系中，发动机具有分体冷却功能阀（BRV）和一个双腔结构的阀体组。阀体用于控制气缸盖、集成排气歧管水套的流量，也控制主散热器和油冷却器的冷却水流量。

图 3：传统动力系统例子的冷却系统拓扑结构

接下来，我们可以在某个汽车道路工况下，绘制出预期的升温过程（见图 4）。汽车的行驶工况如下：从 0 km / h（阶段）启动，然后进入低负载部分（阶段‚）和随后的中高 - 超高负载循环部分（ƒ）。在高负荷结束后是一段下坡路程（„）。在下坡路程结束后，车辆停止并进行辅助散热降温（…）。整个行驶中会出现以下的系统功能需求：

A.发动机水套零流量的快速冷启动（启动阶段）：道路工况刚启动的时候，流入发动机的冷却水为零流量，以实现快速的发动机升温。缸体缸盖的分流冷却Splitcooling阀关闭，缸盖和缸体的水套部分均为零流量。嵌入在发动机ECU的温度模型可以预测何时可能发生沸腾。如果这个时候还没有立即的车厢加热需求，则电子水泵以最低速度运行，通过涡轮增压器的冷却分支上产生非常微小的流动，以允许冷却回路中的温度传感器感知到温度。如果启动的时候就需要给车厢加热，那么水泵会提供一定的流量，通过排气歧管和涡轮增压器水套流过，利用废气的热量给车厢加热。

B.开启旁通支路 Bypass的微小流量（低负荷行驶工况阶段‚）：一段时间后，车辆进入低负荷行驶工况的部分，发动机气缸盖部分的水套达到了在零流量条件下的沸腾临界点。这个时候ECU温度模型从零流量切换到微流量；旁通支路开启，水泵向气缸盖和集成排气歧管输送小流量，以防止沸腾并感知冷却剂温度。冷却水再通过旁通支路返回水泵。此时，分流冷却阀门仍然处于关闭状态。

C.没有分体冷却的主动机油加热（低负荷行驶工况阶段‚）：当车辆进入中高负荷循环部分时，冷却液温度已经升高到足够高（例如> 65°C），排气歧管的废热可用于发动机油和变速箱油的主动加热。分流冷却阀门仍然处于关闭状态。

D.带分流冷却的主动机油加热（中高负荷行驶工况阶段ƒ）：当气缸盖温度进一步升高到某个阈值以上时，温度模型开启分流冷却阀，冷却缸体水套部分。与此同时，发动机油和变速箱油的主动加热仍在继续。发动机的分流冷却将气缸盖保持在最佳的温度水平，以实现最佳的动态燃烧相位调整和预防爆震。根据散热量的需求，主散热器可以稍微打开，以保持水套温度在最佳的热力学范围内。

E.带分流冷却和主动机油冷却（中高负荷行驶工况阶段ƒ）：当车辆进入中高负荷部分之 后，发动机机油和变速箱油可能已上升得太高，以至于发动机后的冷却液可能不再能够冷却油。为了避免油温过高出现油裂变，需要最好直接使用主散热器出口的冷却水对机油和变速箱油进行主动冷却。这个时候，从散热器出口可以直接引一个支路通向机油中冷器。当车子处于超高负载运行的时候，例如上坡爬行，所有的部件可能达到非常高温度了，那么这时候需要最大冷却。

F.发动机关闭和维持油温（下坡滑行阶段„）：在下坡滑行下，发动机可以处于倒拖刹车制动模式：气缸里的气体被倒拖的活塞压缩从而实现刹车制动。由压缩气体产生的热量可以向机油和变速器油传热，以保持油温。这个模式下散热器应关闭，旁通支路打开。如果机油和冷却液在刹车时候过热了，则散热器稍微打开，旁通支路略微关闭。

G.停车后的辅助冷却 After run（停车阶段…）：当车辆停下来后，发动机的部件如排气歧管和涡轮增压器还非常热，必须用电子水泵进行辅助降温。散热器必须全开，旁通支路必须全关。

从上面的描述的道路工况，我们可以列出所需的系统功能，如：零流量、开启旁通支路下的微流量、发动机分流冷却、变速箱和发动机机油油主动加热与主动冷却、停机后的辅助散热。对于上面的系统功能位置 A-G，我们能推导出这些位置所需的阀门流通截面积。接下来能够将所需的流通截面映射到一个阀体的上，例如映射到一个旋转阀上。当旋转这个阀，就可以在相应的道路工况阶段实现所需要的系统功能。按照这样的开发流程，热管理需要的产品功能逻辑就映射到 3D产品设计上了（见图 4）。

产品成本和性能

阀体在不同控制位置的流量控制精度会影响到最终的热管理效益。在流量控制的诸多要求中， 有一个内漏标准，是针对有水泵运转条件下的快速冷启动零流量阶段的：通常在零流量下，阀门的内密封圈必须承受由水泵产生的高达 1bar的压差。为了评判产品在零流量下有可靠性和燃油经济效益性，通常会要去检测阀门的内漏大小。典型的内漏介于 20ml/min至 80ml/min (1bar压差)，取决于产品应用情况和选定的密封设计。从热管理系统功能来说，并非每个阀门口的内漏会对整车的热管理产生相同的影响。比如主散热器通常在整个系统里是最大的冷源， 而连接缸体出口和水泵入口的旁通支路几乎是绝热等温的。我们通过道路工况模拟看到，在WLTC工况下的启动阶段，旁通支路中的内漏即使达 1000ml/min对油耗的影响非常小（图 5）。反观如果散热器支路的内漏从 30ml/min上升到 400ml/min，预热效益则降低 1.0％之 多。如果内漏可以维持在 50ml/min以下，则只减少 0.2％，可几乎忽略。这是一个基于 1D模型得到的很小的理论计算值，通常并不能通过转股试验台的测量装置检测到的。

PHEV 混合动力汽车中的热管理研究

我们将上面的热管理系统开发的方法进一步扩展到PHEV，以包含高压电器元件和动力电池的使用方式[5]。我们调研的是一辆 P2 混合动力车，它具有可独立运行的高压PT 加热回路，能在发动机关闭的时给车厢提供加热。整个PHEV 的冷却系统布局图如图 6 所示。

在冬季里，动力系统是否具有良好的燃料经济性、足够的电动续航里程还有快速客舱加热功 能，是常见的挑战。我们建立了一个仿真模型，研究在-7°C下是否使用发动机的废热还是使用PTC给车厢加热的策略能否延长续航里程。表2列出所考察的两种策略A和B：策略A首先使用电池和 PTC 给客舱加热，直到电能耗完然后再由内燃机主动介入。策略B则是更早地并且多次启动发动机。在发动机处于关闭的期间，用PTC辅助车厢加热。

模拟的结果是，两种策略下内燃机的燃油消耗最终是相同的，其原因如下：尽管在策略A中， 发动机比在策略B中使用的少，但因为发动机很晚的时候才介入，导致相对更多的发动机和传动摩擦。较冷的发动机在1100s至1800s高负荷运行条件下，产生更多的摩擦损失，这些摩擦损失的积累最终抵消了发动机较少介入的“优势”。另外在策略A中，车厢加热器必须更早地由PTC提供热量，而策略B中因为发动机介入早，发动机出口的冷却剂可以提供一些热量辅助车厢加热。最终与策略A相比，策略B中PTC累积能量消耗减少了50％，在模拟的工况结束时，电池SOC电量高出10％（图7），意味着总的行驶里程增加了。

现代动力总成热管理的系统解决方案

2011 年，舍弗勒推出了第一款用于综合热管理的热管理模块（TMM）。舍弗勒TMM 的核心是一个旋转阀，可以根据需要启动和停止冷却回路，并实现的无级流量调节。在第二代TMM 中， TMM 的执行器从一个扩展到两个：一个用于总流量的调节，另一个用于发动机的分流冷却。用于分流冷却的执行器设计为一个Smart single valve SSV 智能阀。SSV 的优点在于它可以分散地布置在冷却系统的关键点，通过LIN 协议控制开口角度。最新推出的第三代TMM 系列亦包含SSV，最大的亮点是采用双腔体设计可以实现主动机油加热和主动机油冷却功能。

根据舍弗勒预测，下一代用于混合动力汽车的TMM 系统解决方案将具有与纯内燃机不同的架构。在一个复杂的混合动力系统中会非常多的阀门和切换需求。混合动力总成所需要的流量控制是很难全部集成到一个单个TMM 模块中。因此我们认为混合动力的热管理系统将由紧凑集成型TMM 和分散式的阀门组合。此外结合电气化趋势，电子水泵甚至热泵冷却器 Chiller 可以和分散式的阀门集成在一起。图 8 所示的舍弗勒的TMM 列可应用于将来所有动力总成领域。