一种电动商用车热管理系统的设计研究

摘 要

一种纯电动重型商用车热管理系统，采用电控三通阀方案控制 PTC 加热循环系统和电机冷却循环系统回路的开启及关闭，将驱动电机冷却循环系统作为辅助采暖装置。采用此方案后，可有效降低 PTC 的开启时间，从而降低整车在特定工况下的能耗，有效延长车辆在特定工况下的续航里程。

引言 

汽车纯电动化已经是全球汽车产业的一种主流发展方向，但续航里程焦虑的问题一直未得到有效改善，纯电动汽车主流热管理系统采用 PTC 水加热器对乘员舱及电池包进行加热，从而达到与传统燃油车辆类似的热管理效果，但 PTC能耗相对较大，长期开启对纯电动汽车续航里程会产生严重的影响，尤其是北方城市冬季开启暖风后，车辆续航里程往往只有夏季的一半多，部分司机为了达到长续航的目标，甚至不开暖风，导致新能源汽车在冬季的舒适性严重下降。

1 电动商用车热管理系统现状 

目前新能源商用车热管理系统主要有两种方案：1、将电机控制器、驱动电机、PTC、暖风芯体串联在一起，开启暖风后，整个循环系统中的冷却液由 PTC 和电机水套共同进行加热，由于此种循环系统较为庞大，电机高功率运行时可以辅助 PTC 给冷却液进行加热，但在冷车启动或电机低功率运行工况时，电机散热量较小，主要依靠 PTC 加热冷却液，会导致整车热管理系统能耗严重增高；2、PTC 加热系统和电机冷却系统完全独立，此种循环系统相对于第一种系统的优势在于，暖风循环系统冷却液容量较小，开启暖风后 PTC 只需要加热独立出的暖风系统的冷却液，但电机冷却液无法参与暖风系统循环，无法有效利用电机高功率工况时产生的热量，耗能比前一种略低，但整套热管理系统开启暖风后综合能耗依然很高。

根据目前商用车驱动电机及电机控制器现状，电机的最佳工作温度在 60~120 度之间，最高允许温度不超过 140 度，电机控制器的最佳工作温度在 40~60 度之间，最高允许温度不超过 80 度，温度过高会严重影响整套系统硬件的使用寿命和运行效率，图 1 所示为现有纯电车型驱动电机和控制器温度采集数据。

如图 2 所示，将电机控制器冷却循环系统独立出来；如图 3 所示，将驱动电机、PTC、暖风芯体纳入一整套热管理系统，将电机的正常工作温度提升至 80~100 度，基于冷却液温度传感器实时采集的冷却液温度信息，由整车控制器分别控制 PTC、电动水泵的开启和关闭、控制电控三通阀的开启方向（即冷却液的流向），从而最大限度的采用电机冷却液给驾驶室采暖，有效降低 PTC 的使用频率，达到降低整车能耗的目的。

整套热管理系统在原车基础上，只需要增加电控三通阀和冷却液温度传感器即可，根据冷却液温度传感器采集的实时温度信息，由整车控制器实时控制 PTC、电动水泵、电控三通阀的开启和关闭，控制逻辑简单，对原车的硬件、控制模块改动较小，具有易于实现，能效优异的特点。2.2 方案原理介绍 

本套系统由两部分独立的循环系统构成，其中，图 3 所示系统的主要功能是冷却驱动电机、通过 PTC 或驱动电机加热的冷却液给驾驶室提供暖风，根据不同工况，由 VCU 控制电控三通阀 V1/V2/V3 的开启方向，冷却液通过循环 1 至循环 4，分别流经不同循环系统；图 2 所示系统的主要功能是冷却驱动电机控制器，冷却液流经循环 5/循环 6，达到单独对电机控制器进行冷却的目的。

图 3 所示系统有以下几种工况：

工况 1：未开启暖风，温度传感器 T 的温度低于预设最高温度值，此时电动三通阀V1开启1/2口，电动三通阀V2/V3关闭，电动水泵 1/2 均关闭，PTC 关闭，冷却液流经循环 1/2，以此快速达到电机的正常工作温度。

工况 2：未开启暖风，温度传感器 T 的温度超过预设最高温度值，此时电动三通阀V1开启1/2口，电动三通阀V2/V3均关闭，电动水泵 1 工作，电动水泵 2 关闭，PTC 关闭，冷却液流经循环 1/2；当温度传感器 T 的实时温度值低于预设的最低温度值时，再次进入工况 1 模式。

工况 3：开启暖风，温度传感器 T 的实时温度低于预设中值，此时电动三通阀 V1 开启 1/2 口，电控三通阀 V2/V3均开启 1/2/3 口，电动水泵 1 关闭，电动水泵 2 工作，PTC开启，冷却液分别流经循环 1/2 和循环 3/4，此时由 PTC 作为暖风的唯一热量来源；当温度传感器 T 的实时温度超过预设中值时，进入工况 4 模式。

工况 4：开启暖风，温度传感器 T 的实时温度超过预设中值，此时电动三通阀 V1/V2 均开启 1/3 口，电动三通阀 V3开启 1/2/3 口，电动水泵 1 工作，电动水泵 2 关闭，PTC 关闭，冷却液流经循环 1/4，此时由电机冷却液作为暖风的唯一热量来源；当温度传感器 T 的实时温度低于预设中值时，再次进入工况 3 模式，当温度传感器的实时温度高于预设最高值，进入工况 5 模式。

工况 5：开启暖风，温度传感器 T 的实时温度超过预设最高值，此时电动三通阀 V1/V3 均开启 1/2/3 口，电动三通阀 V2 开启 1/3 口，电动水泵 1 工作，电动水泵 2 关闭，PTC关闭，冷却液流经循环 1/2/4，此时由电机冷却液作为暖风的唯一热量来源；当温度传感器 T 的实时温度低于预设中值时，再次进入工况 4 模式。

图 2 所示系统的工作情况如下：

驱动电机控制器从原有的冷却系统中独立出来，根据控制器自带的温度传感器采集的温度信息，由整车控制器控制电动水泵的开启和关闭，达到给驱动电机控制器冷却的目的。

本文主要内容是针对现有纯电动商用车热管理系统的不足之处，作出一些针对性的改善，根据实验数据，可得出以下结论：

本文描述的这种类型的热管理系统，在车辆正常运行工况下，可以使电机的常用工作温度提升至 70 到 90℃之间，冷却液流经暖风芯体后，基本满足驾驶室的采暖需求。