第３７卷第４期２０２２年８月
安㊀徽㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报J o u r n a l o fA n h u i P o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y V o l ．３７．N o ．４A u g
．,２０２２文章编号:１６７２Ｇ２４７７(２０２２)０４Ｇ０００１Ｇ０９收稿日期:２０２２Ｇ０１Ｇ１８㊀基金项目：安徽省高校自然科学研究基金资助项目(K J ２０２１A ０４８７)；安徽工程大学引进人才科研启动基金资助项目(２０２０Y Q Q ０３２)；汽车新技术安徽省工程技术研究中心开放基金资助项目(Q C K J ２０２００８)作者简介：汪㊀爽(１９９２Ｇ
汪㊀爽１,２，雍安姣１，徐曼曼２，俞志伟１，付永宏１，张林波１
(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㊀２４１００６;２．安徽工程大学机械工程学院，安徽芜湖㊀２４１０００
)摘要：高温工况下电动汽车不仅要满足乘员舱的降温需求，还要保证电机㊁电池㊁C D U 和M C U 等部件的冷却
需求，部件繁多导致电动汽车冷却系统架构十分复杂.本文以乘员舱降温能力和压缩机功率为评价指标，针
对驻车㊁驻车充电㊁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水冷冷凝器与电机系统串
联/并联冷却系统两种架构的性能差异，并基于分析结果提出串联/并联切换式冷却系统和半并联式冷却系统
两种新方案，分析结果将为电动汽车热管理系统设计工作提供重要参考与指导.
博克斯特关㊀键㊀词：电动汽车；冷却系统；串联和并联架构；系统仿真
宝马新车标中图分类号:T P ３９１㊀㊀㊀㊀文献标志码:A 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[１Ｇ３].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㊁C o n v e r s i o n a n dD i s t r i b u t i o nU n i t (C D U )和M o t o rC o n t r o lU n i t (M C U )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.福克斯论坛
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K U L I １５ ０中建立串联和并联仿真模型,
选取驻车㊁驻车充电㊁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.
１㊀仿真模型及考核工况
１．１㊀仿真模型
采用K U L I 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１㊁２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㊁电池回路和电机系统Ｇ水冷冷凝器回路，除电机系统Ｇ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C h i l l e r (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Ｇ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㊁水冷冷凝器㊁热力膨胀阀㊁蒸发器㊁鼓风机㊁电子膨胀阀和C h i l l e r .电池回路包括动力电池组㊁水泵１和C h i l l e r .冷却液在串联冷却系统的电机系统Ｇ水冷冷凝器回路流向依次为散
热器㊁电机系统㊁水泵２㊁水冷冷凝器㊁散热器.冷却液在并联冷却系统的电机系统Ｇ
水冷冷凝器回路流向依次为散热器㊁三通阀１㊁两个并联支路(支路１：水泵２㊁水冷冷凝器；支路２：电机系统)㊁三通阀２㊁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C D U (A D A S )㊁M C U 和R M o t o r (后电机)，另一个支路为F M o t o r (前电机).串联架构中电机系统Ｇ水冷冷凝器回路总流量为２０L /m i n ，两个电机流量均为１０L /m i n .并联架构中电机系统Ｇ水冷冷凝器回路总流量为３５L /m i n ，水冷冷凝器流量为１５L /m i n ，两个电机支路流量均为１０L /m i n .图１㊀
串联冷却系统架构
图２㊀并联冷却系统架构１．２㊀考核工况
选取驻车㊁驻车充电㊁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４０ħ㊁太阳辐射１０５０W /m ２㊁
空调设置为内循环㊁压缩机转速６５００r /m i n ㊁电池组流量１５L /m i n ㊁环境相对湿度５０％㊁空调回风口湿度３５％,
其他边界参数设置如表１
２ 安㊀徽㊀工㊀程㊀大㊀学㊀学㊀报第３７卷
锋范2015所示.此外，不同车速下散热器迎面风速通过S T A RC C M＋分析得到，如图４所示.图３㊀K U L I 仿真模型(
并联架构)表１㊀考核工况边界参数
工况序号模式车速/坡度[(k m /h )/％]舱内初始
温度/ħ电池是否降温电池初始温度/ħA D A S ＋M o t o r ＋M C U＋C D U 热负荷/k W １空调A U T O ０/０６５否４００．３２空调A U T O＋电池降温０/０４０是５５０．３３空调A U T O＋电池降温＋B O O S T ０/０４０是５５３．５４空调A U T O ６０/０２５否４０１．４５空调A U T O
１１０/０２５否
４０３．５６空调A U T O
６０/９２５否
４０４７空调A U T O １１０/３
２５否４０４．
３㊀㊀图４㊀不同车速下散热器迎面风速
２㊀仿真结果及分析
２．１㊀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６５ħ，环境温度４０ħ，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１３００s 后舱内温度达到２５ħ,
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
３ 第４期
新速腾1.4t汪㊀爽，等：电动汽车串联/并联冷却系统架构分析与评价
系统舱内平均温度低０ ２ħ，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１００W 左右,
吉利帝豪ex8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２０L /m i n 的流量，此时散热器流量为３５L /m i n ，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
.图５㊀驻车空调A U T O 工况下串联/并联冷却系统性能比较２．２㊀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５５ħ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B O O S T 工况下充电(升压快充)时电池达到５５ħ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A U T O＋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C h i l l e r 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７０W 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 ２ħ，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A U T O＋电池降温工况串联架构优于并联架构.
驻车空调A U T O＋电池降温＋B O O S T 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C h i l l e r 冷媒制冷量变化规律和大小基本一致，在１５０s 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,１５０s 之前串联架构乘员舱内平均温度比并联架构低１ħ左右，之后逐渐趋近一致.此外,１５００s 时舱内平均温度为２６ ５ħ，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B o o s t 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A U T O＋电池降温工况下串联架构优于并联架构.２．３㊀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６０k m /h ，代表日常通勤，第５个工况车速为１１０k m /h ，代表高速行驶.针对这两个工况，研究空调A U T O 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６０k m /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,２００s 之前温度基本一致,２００s 以后并联架构比串联架构温度低约０ ２ħ，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㊁空
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图６㊀驻车空调A U T O＋电池降温工况下串联/
并联冷却系统性能比较
图７㊀驻车空调A U T O＋电池降温＋B O O S T 工况下串联/并联冷却系统性能比较
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汪㊀爽，等：电动汽车串联/并联冷却系统架构分析与评价
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