电动汽车串联/并联冷却系统架构分析与评价

汪 爽,雍安姣,徐曼曼,俞志伟,付永宏,张林波

(1.奇瑞汽车股份有限公司 汽车工程技术研发总院，安徽 芜湖 241006；2.安徽工程大学 机械工程学院，安徽 芜湖 241000)

电动汽车以电能为驱动力，与传统车相比在使用过程中不会产生废气污染环境，是实现“碳达峰”和“碳中和”的关键[1-3]。传统燃油车的汽油发动机热效率在40%左右，而纯电动汽车的电机热效率在90%～95%区间范围内，其动力总成冷却需求低于传统燃油车[4]。但纯电动汽车同时还要保证电池、Conversion and Distribution Unit(CDU)和Motor Control Unit(MCU)等部件的冷却需求，因此其冷却系统更复杂，给设计和分析工作带来了挑战。

水冷冷凝器替代传统空调回路的冷凝器，与电机冷却系统共用一个散热器是电动汽车现阶段热门布置方案。基于该布置方案，水冷冷凝器与电机冷却系统存在两种布置架构，一种为并联架构，即冷却液从散热器流出后通过三通阀分别流入水冷冷凝器与电机冷却系统；另外一种为串联架构，即冷却液从散热器流出后先流入电机冷却系统再流入水冷冷凝器。两个架构存在各自的优缺点，并联架构流阻比串联架构要低，但控制复杂，合理分配各支路流量是难题。但是在系统冷却性能方面，两者的差异目前还未深入进行研究。串联/并联架构对电动汽车冷却能力和能耗有何影响，是否能满足整车冷却需求等是电动汽车热管理开发过程中亟待解决的难点问题。

综上所述，针对水冷冷凝器与电机冷却系统串联和并联两种架构，本文采用系统仿真的方法进行了研究。首先在KULI 15.0中建立串联和并联仿真模型，选取驻车、驻车充电、匀速行驶和爬坡行驶等4种典型考核工况，对串联和并联两种架构的性能进行分析和评价，研究结果将为电动汽车冷却系统设计和开发工作提供重要参考。

1 仿真模型及考核工况

1.1 仿真模型

采用KULI 15.0建立电动汽车冷却系统串联和并联模型，其冷却系统架构分别如图1、2所示，建立的并联架构仿真模型如图3所示。两个模型都包括空调回路、电池回路和电机系统-水冷冷凝器回路，除电机系统-水冷冷凝器回路存在串联和并联差异外，无其他区别。电池回路与空调回路通过Chiller(板式换热器)实现换热，对动力电池组进行降温。空调回路蒸发器吸收的热量通过水冷冷凝器传递到电机系统-水冷冷凝器回路的冷却液中，再通过散热器释放到车外。

空调回路包括电动压缩机、水冷冷凝器、热力膨胀阀、蒸发器、鼓风机、电子膨胀阀和Chiller。电池回路包括动力电池组、水泵1和Chiller。冷却液在串联冷却系统的电机系统-水冷冷凝器回路流向依次为散热器、电机系统、水泵2、水冷冷凝器、散热器。冷却液在并联冷却系统的电机系统-水冷冷凝器回路流向依次为散热器、三通阀1、两个并联支路(支路1：水泵2、水冷冷凝器；支路2：电机系统)、三通阀2、散热器。考虑到前电机入口冷却液水温有限制，两个架构中电机系统内前电机与后电机采用并联方案，即一个支路为CDU(ADAS)、MCU和RMotor(后电机)，另一个支路为FMotor(前电机)。串联架构中电机系统-水冷冷凝器回路总流量为20 L/min，两个电机流量均为10 L/min。并联架构中电机系统-水冷冷凝器回路总流量为35 L/min，水冷冷凝器流量为15 L/min，两个电机支路流量均为10 L/min。

1.2 考核工况

选取驻车、驻车充电、匀速行驶和爬坡行驶等4种典型考核工况，对串联/并联两种架构的冷却系统进行分析和评价，各个考核工况环境温度均为40 ℃、太阳辐射1 050 W/m2、空调设置为内循环、压缩机转速6 500 r/min、电池组流量15 L/min、环境相对湿度50%、空调回风口湿度35%，其他边界参数设置如表1所示。此外，不同车速下散热器迎面风速通过STAR CCM+分析得到，如图4所示。

表1 考核工况边界参数

2 仿真结果及分析

2.1 驻车工况结果及分析

驻车工况为表1中的第1个工况，舱内起始温度65 ℃，环境温度40 ℃，该工况通常称为最大降温能力考核工况，通过分析该工况来评价乘员舱的最大降温能力。驻车工况下串联/并联冷却系统的性能比较如图5所示。从图5a中可以看出，串联/并联冷却系统舱内平均温度下降曲线基本一致，大约1 300 s后舱内温度达到25 ℃，两种架构均能很好地保证乘员舱的热舒适性。通过比较可以看出，串联系统比并联系统舱内平均温度低0.2 ℃，降温能力略占优势。从图5b中可以看出，随着乘员舱温度下降，两种架构下压缩机功率都呈现缓慢减小的规律，其中串联系统压缩机功率比并联系统要低100 W左右，另外串联系统少一个水泵工作也会带来系统功率的下降。串联和并联出现差异的原因是由于在驻车工况下，电机系统热负荷小但仍有20 L/min的流量，此时散热器流量为35 L/min，导致水冷冷凝器入口水温比串联模式高，从而引起空调系统功率相对较高。因此，从节能和乘员舱热舒适性的角度来说，驻车工况下串联架构优于并联架构。

2.2 驻车充电工况结果及分析

驻车充电工况为表1中的第2个工况和第3个工况，第2个工况代表充电时(慢充或快充)电池温度达到55 ℃需要降温且乘客舱同时开空调，对其进行分析可评估充电工况下电动汽车的降温能力。第3个工况代表BOOST工况下充电(升压快充)时电池达到55 ℃需要降温且乘客舱同时开空调，此时电机系统存在较大的热负荷，在该工况下是否能满足乘员舱的热舒适性对电动汽车降温能力是一个大的考验。

驻车空调AUTO+电池降温工况下串联/并联系统性能比较如图6所示。从图6a中可以看出，串联架构与并联架构Chiller冷媒制冷量基本一致，但是串联架构的蒸发器冷媒侧制冷量比并联制冷量架构高70 W左右，因此乘客舱降温性能相对较好。从图6b中可以看出，串联架构乘客舱平均温度比并联架构低约0.2 ℃，与图6a蒸发器制冷量呈现的规律一致。从图6c中可以看出，串联架构压缩机功率比并联架构低，与此同时串联架构空调回路冷媒制冷量更大，所以驻车空调AUTO+电池降温工况串联架构优于并联架构。

驻车空调AUTO+电池降温+BOOST工况下串联/并联冷却系统性能比较如图7所示。从图7a中可以看出，两种架构蒸发器和Chiller冷媒制冷量变化规律和大小基本一致，在150 s之前串联架构蒸发器冷媒制冷量比并联架构高200W左右。从图7b中可以看出，150 s之前串联架构乘员舱内平均温度比并联架构低1 ℃左右，之后逐渐趋近一致。此外，1 500 s时舱内平均温度为26.5 ℃，乘客舱降温能力略差，可通过增大压缩机速度或更换大排量压缩机来提高乘客舱的热舒适性。从图7c中可以看出，串联架构压缩机功率比并联架构略低一点，此时两种冷却系统空调路制冷量大小基本相同，此外考虑到串联架构比并联架构少一个水泵工作。将图6的结果与图7的结果比较可以看出，在驻车工况下，由于Boost模式下电机系统热负荷增加，串联架构的优势不再明显，但仍然要优于并联架构。因此，综合分析结果可认为驻车空调AUTO+电池降温工况下串联架构优于并联架构。

2.3 匀速行驶工况结果及分析

匀速行驶工况为表1中的第4个工况和第5个工况，在匀速行驶状态下电机系统会产生余热进而影响到散热器的入口温度。第4个工况车速为60 km/h，代表日常通勤，第5个工况车速为110 km/h，代表高速行驶。针对这两个工况，研究空调AUTO模式下乘员舱的降温性能和能耗，评估串联/并联架构在匀速行驶状态下的优劣。

行车60 km/h工况下串联/并联冷却系统性能比较如图8所示。从图8a中可以看出，两种架构下舱内平均温度变化趋势一致，200 s之前温度基本一致，200 s以后并联架构比串联架构温度低约0.2 ℃，意味着在舱内平均温度这个指标上并联架构略优于串联架构。从图8b可以看出，两个架构在匀速行驶、空调AUTO工况下，压缩机功率的变化趋势基本相同，随着舱内温度降低，压缩机功率逐渐下降，且并联架构比串联架构压缩机功率低约65 W。

行车110 km/h工况下串联/并联性能比较如图9所示。从图9a中可以看出，100 s之前两个架构舱内平均温度大小基本一致，100 s之后并联架构舱内平均温度低约0.58 ℃，意味着该工况下在舱内平均温度这个指标上并联架构略优于串联架构；从图9b可以看出，两个架构压缩机功率差异比60 km/h工况大，约为172 W。60 km/h与110 km/h匀速行驶工况出现边界差异的原因在于散热器迎面风速和电机系统热负荷不同，分析结果显示110 km/h工况串联架构与并联架构的差异大于60 km/h工况，意味着电机系统热负荷对串联架构与并联架构的性能优劣有很大影响。此外，图9分析的行车110 km/h工况和2.2节图7分析的驻车空调AUTO+电池降温+BOOST工况的电机热负荷均为3.5 kW，但串联架构与并联架构优劣结论相反，这是散热器风量限制导致的。驻车工况下散热器迎面风速为2.3 m/s，而110 km/h车速下风速可达到4 m/s，因此在开展相关分析工作时不能忽略散热器风量带来的影响。

2.4 爬坡行驶工况结果及分析

本文选择60 km/h 9%坡度与110 km/h 3%坡度两个典型工况作为爬坡行驶分析工况，如表1中的第6个工况和第7个工况所示。图10和图11分别为行车60 km/h 9%坡度与110 km/h 3%坡度连续爬坡工况下串联/并联性能的比较，两个工况边界差异的原因在于散热器迎面风速和电机系统热负荷不同，迎面风速分别为3 m/s和4 m/s，电机系统热负荷分别为4 kW和4.3 kW。

从图10和图11中都可以看出，两个架构下舱内平均温度均能维持低于25 ℃，意味着能很好地满足降温需求，另外舱内温度一直下降的原因是仿真计算过程中压缩机设置为定转速。从两个架构性能对比可以发现，并联架构比串联架构舱内平均温度和压缩机功率低，意味着在爬坡行驶工况下，并联架构优于串联架构。

3 电动汽车热管理架构新方案

3.1 串联/并联切换式热管理架构

从本文第2节的分析结果可以得知，串联架构在驻车工况和驻车充电工况下优于并联架构且压缩机功率较低，而在行车工况下因电机系统热负荷增加,并联架构显露出优势，且随着电机系统的热负荷增大，并联架构的优势逐渐增大。基于该结论本文提出了一种串联/并联切换式热管理架构如图12所示。图12a所示为并联工作模式，冷却液从散热器流出后经过三通阀1分别流向水冷冷凝器和电机系统，在三通阀4处汇合后流向散热器。图12b为串联工作模式，冷却液从散热器流出后经过三通阀1只流向电机系统，从三通阀5流出后经过三通阀6全部流入水冷冷凝器中，再流入散热器。

在应用场景下，通过传感器和对应的算法采集相关数据并分析串联架构和并联架构的优势。在并联架构优势工况下(例如匀速行车和连续爬坡工况)系统切换至并联架构模式，同理在串联架构优势工况下(例如驻车或驻车充电工况等)切换至串联架构模式，通过模式切换来降低电动汽车的能耗。该电动汽车冷却系统通过电磁阀的开闭可以很方便地实现水冷冷凝器与电机冷却系统串联或并联，比单一模式的冷却系统性能更好、能耗更低，能够提高整车的续航能力。

3.2 半并联式热管理架构

串联架构与并联架构的差异主要原因是流量不同，驻车工况下电机系统热负荷小但是因CDU需要降温仍存在20 L/min的流量，导致水冷冷凝器散热减少，引起系统能耗增加。若能保证前电机出口水温不超标，可采用如下图13所示的半并联热管理架构，该架构将前、后电机串联后语水冷冷凝器并联，此时电机系统水流量最小为10 L/min。在驻车或驻车充电等工况下比并联架构有优势，略逊色于串联架构。在匀速行驶和爬坡行驶工况下，通过增大电机系统流量，该架构可起到与并联架构相同的效果。

4 结论

本文以乘员舱降温能力和系统部件冷却效果为评价指标，针对驻车、驻车充电、匀速行驶和爬坡行驶等4种典型工况，采用系统仿真方法探究了水冷冷凝器与电机系统串联/并联两种冷却系统的差异，取得的主要研究结论如下：

(1)串联架构在驻车工况和驻车充电工况下，降温能力优于并联架构且压缩机功率较低，而在行车工况下，因电机系统热负荷增加，并联架构露出优势，且随着电机系统的热负荷增大，并联架构的优势逐渐增大。

(2)串联架构与并联架构性能产生差异主要是流量不同引起的，驻车工况下电机系统热负荷小，但是因CDU需要降温仍存在20L/min的流量，导致水冷冷凝器散热减少，引起系统能耗增加。

(3)针对串联/并联冷却系统的性能差异，本文提出了串联/并联切换式冷却系统和半并联式冷却系统两种新方案，研究结果将为整车厂设计电动汽车热管理系统提供参考与指导。