一种电动商用车热管理系统的设计研究

宋峰伟 苏楠 范浩

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。

关键词：纯电动;PTC;电机;热管理系统

中图分类号：U469.7  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）17-66-03

Design and Research of the Utility Model Relates to An Electric Commercial

Vehicle Thermal Management System

Song Fengwei， Su Nan， Fan Hao

（ Shaanxi Fast Auto Drive Engineering Research Institute， Shaanxi Xian 710119 ）

Abstract： The utility model relates to a pure electric heavy commercial vehicle thermal management system， which adopts the electrically controlled three-way valve scheme to control the opening and closing of the PTC heating cycle system and the motor cooling cycle system loop， and USES the drive motor cooling cycle system as an auxiliary heating device. After adopting this scheme， the opening time of PTC can be effectively reduced， so as to reduce the energy consumption of the vehicle under specific working conditions and effectively extend the mileage of the vehicle under specific working conditions.

Keywords： Pure electric; PTC; Motor; Thermal management system

CLC NO.： U469.7  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）17-66-03

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能耗相對较大，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。

2 一种新型的热管理系统研究

2.1 方案概述

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。

2.3 方案具体实施方式

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熱量来源;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。

3 应用效果分析

台架测试电机和控制器实时温度数据如图4所示，电机的常用工作温度在70到90℃之间，冷却系统温度足够达到给驾驶室采暖的目的。

4 结论

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。

参考文献

[1] 王芳，夏军等.电动汽车动力电池系统设计与制造技术：科学出版社：180-180.

[2] 王伟民，徐人鹤等，纯电动汽车整车热管理系统集成仿真技术研究及展望，2017年IDAJ中国CAE/CFD技术大会论文集，2017.

[3] 徐善红，聂永福.纯电动车用动力电池热管理系统设计：时代汽车： 2019.

[4] 李晓燕，祁春雷等.纯电动汽车电机热管理仿真分析及优化：时代汽车：2019.