纯电动汽车冷却散热特点与需求分析：电机电控高效散热挑战

纯电动汽车冷却散热特点与需求分析：电机电控高效散热挑战

1纯电动汽车冷却特点及要求

纯电动汽车的冷却散热要求与燃油汽车有很大不同。燃油车使用的汽油机最高热效率约为40%，而纯电动汽车使用的电机电控热效率一般在90%~95%范围。驱动总成产生的热量远低于燃油车。然而，纯电动汽车的冷却散热有其独特的需求，也面临一些新的挑战：

1）高热负荷工况下发动机水温可达100~120℃。电机电控中电子元件的使用寿命受高温影响较大。一般要求冷却水温度为60~70℃。散热器一般布置在冷凝器后面。当空调在40℃的外部环境下打开时，经过冷凝器加热的气流可达60~70℃。对于燃油汽车来说，发动机散热器冷却液侧与冷却气流侧的温差（以下简称液体温差）仍为40~50℃，而纯电动汽车散热器内的液体温差将低于10℃，甚至为零。温差导致散热困难。

2）充电时间长一直是纯电动汽车的弱点之一。近年来，使用超高功率充电已成为一种趋势。目前市场上已经出现了200kW以上的充电功率。超高电流充电时电池组产生的热量大幅增加。早期，采用循环冷却液将电池组的热量传递至前端散热器。电池组内部空气对流换热的方式已经不能满足电池组的散热要求。使用空调制冷剂来冷却电池组已成为主流技术。这部分热量最终传递到冷凝器，导致怠速充电时冷凝器的热负荷大大增加。在高温环境下，超大功率充电和空调制冷同时开启（以下简称“双开”工况）时，冷凝器的热负荷远高于空调制冷时的热负荷。燃油车的。但就地充电时，没有迎面风，冷凝器散热条件较差，成为纯电动汽车冷却散热的一大挑战。

3）为了提高充电功率，充电电压也随之提高。车辆需要配备“升压”系统，实现充电桩与电池组之间的电压转换。这个过程也会产生热量，需要通过冷却系统散发出去。图1为空调与“升压”系统在阳光照射下同时工作时，不同充电功率的制冷模块的综合热负荷；随着直流充电功率的增加，冷却模块的热负荷呈现线性上升趋势。

4）纯电动汽车对能耗、抗风能力要求较高。前舱格栅的进气面积比燃油车小很多，不利于冷却散热。

5）由于纯电动汽车不受发动机噪声的影响，怠速时冷却风扇的噪声变得突出。因此，电动汽车对怠速风扇噪声的要求更加严格。

综上所述，针对纯电动汽车的冷却特点和需求，开发专用的冷却模块在满足整车热管理性能要求的同时，兼顾风阻、NVH等其他性能要求是非常有必要的。

2现状及问题

2.1 行业现状

目前在售的纯电动车型大多采用与传统燃油车型结构相同的冷却模块，冷凝器和散热器前后排列（以下简称“散热器后方案”），如图2所示至 3 .

通过这种布置，从前格栅进入的冷却气流首先被冷凝器加热，然后被散热器冷却。如前所述，纯电动汽车“双开”工况下，从冷凝器出来的空气温度可达60~70℃，高于散热器内的冷却液温度。空气侧不但不散热，反而出现“风加热水”的现象，如图4所示。

解决“双开”工况下电驱动总成水温高的问题，往往只能通过降低冷凝器出风温度来实现。对于冷凝器的传热过程，其公式如下：

Qevp代表蒸发器传递给制冷剂的热量，即乘客室的制冷能力

Qbat 代表从电池组传递到制冷剂的热量

Wcmp 表示压缩机消耗的电功率

Qloss代表空调系统沿线的热损失（如管道热损失等）

表示流过冷凝器的气流从制冷剂吸收的热量

表示流经冷凝器的空气的比热容

mair 表示流过冷凝器的空气质量流量

表示流经冷凝器的空气温度

表示流过冷凝器的入口空气的温度

根据上式，为了降低冷凝器出口空气温度，主要有两种方法：

1）采用更高性能的电子风扇，增加冷却系统的送风量，降低流经冷凝器的空气温度。怠速工况下没有迎面风，因此增加散热模块的进风量只能依靠增加电子风扇的功率和转速，但这会带来NVH风扇噪音增大的问题。

2）减少乘客室冷却量Qevp或减少用于电池组冷却的热量Qbat，从而减少冷凝器的热负荷，降低流过冷凝器的空气的温度。但这会导致乘客舱冷却效果不佳或电池组冷却能力不足。电池组冷却能力不足。当电芯温度过高时，系统策略会限制充电功率，防止电池温度过高，导致充电时间变长。

对市场上几款主流纯电动竞品车型在“双开”工况下进行了对比测试。试验在高温环境模拟舱内进行。测试环境温度为38℃，空调设置为最大制冷模式，阳光辐射强度为1000W/m2，充电功率为车辆允许的最大充电功率。测试结果如图5所示。可以发现，“双开”工况下，存在散热器水温高、散热效果差、充电时间长等行业内普遍存在的问题。竞品大多牺牲“双开”工况下的空调制冷效果，以保证最大可能的充电功率，减少充电时间。

注：由于不同车企的测试方法和评价标准不同，充电时间和空调面部温度不进行评价。一般情况下，乘客面部温度在24℃~28℃时较为舒适。这仅供参考。

2.2 大数据研究

“双开”工作状况与车辆使用的地理区域、环境温度、用户使用习惯、充电条件等因素有关。为了研究用户实际使用中“双开”工况的频率，我们重点关注了比亚迪的两款量产纯电动汽车。对电动车型进行了大数据调查。其中A型在华南地区销售较多，B型则在全国范围内销售。通过大数据分析，得到用户驾驶两款车型的实际环境温度分布如图6~7所示。环境温度≥35℃时，A型“双开”工况比例为0.5%； B型“双开”工况比例为0.03%。

综上所述，用户实际使用中存在一定比例的高温条件下的“双开”工况，需要将这种工况纳入热管理性能的设计评价体系中。纯电动汽车。

3 可行性方案评价

与内燃机相比，电机热效率高、总发热量小，纯电动汽车散热器液体温差小。分析某纯电动汽车散热器散热特性测试数据，如图8所示，发现影响散热器换热能力的三个主要因素（液温差、气体（侧流量、液体侧流量），液体温差对散热能力影响最大，而气体侧流量和液体侧流量影响较小。增大散热器液温差是提高换热能力最有效的方法。考虑到在高温环境下，冷凝器中介质的平均工作温度高于散热器中介质的工作温度，因此可以考虑将散热器放置在冷凝器前面。从前格栅进入的冷却气流首先进入散热器，增大了散热器液体与空气之间的温差。被散热器加热的气流然后进入冷凝器。但这样会导致冷凝器散热不良。可以减小散热器的尺寸，以减少对冷凝器的屏蔽，如图9所示。为了验证散热器前置放置方案对冷凝器进风量和进风温度的影响，进行了三维仿真采用前舱流场和冷却系统一维仿真进行研究。

4模拟验证

4.1 前舱流场三维仿真分析

前舱流场模拟中风扇风量的模拟精度非常重要。前人在仿真软件中对不同的风扇模型进行了大量的仿真和基准测试工作，如MRF模型、风扇动量源模型和风扇瞬态模型[5,6,7,8]。本文采用STAR-CCM+软件进行仿真，风扇仿真采用业界常用的MRF模型。该仿真方法在某车型的环境风洞试验中进行了模拟和对标，采用阵列排列（8叶片叶轮，测量范围0.5m/s~30m/s，精度±1.5%）叶轮式风速计。布置位置在冷凝器前面，如图10所示，风速模拟误差平均在10%左右，如图11~12所示。

基于某纯电动A级轿车车型前舱流场仿真，对采用“散热器在前”方案和“散热器在后”方案的冷却模块进风量进行了仿真。对“散热器在前”方案进行了模拟。 “该方案中，散热器芯体尺寸较传统方案减小一半，进行CFD仿真分析对比。随后，基于一维冷却系统仿真模型，细化了散热器后的芯体尺寸要求，进行匹配分析。

从进气格栅到冷却模块的进气通道采用传统的密封方案，即顶部、底部、左、右设计独立的拼接挡板，如图13~14所示。结果发现，“散热器前置”方案可以显着增加冷凝器的通风量，如图15所示。

虽然散热器布置在前后，但它会部分遮挡冷凝器。不过，由于散热器的减少，冷却模块由原来的两层换热器变成了一层半。整个模块的流阻有所降低，冷凝器的通风量有所增加。 。

纯电动汽车通常对风阻要求较高。为了减少前舱内的流动阻力，进气格栅的开口面积明显小于燃油车。通常，进气格栅仅设计在前保险杠的下部，并且只有冷却模块的下部正对着。迎风气流导致冷却模块表面风速均匀度低于燃油车。风速均匀度的降低会减少冷却模块的通风量，因此如何提高散热器和冷凝器表面的风速均匀度也很重要。采用密封效果较好的全密封导风板是一种非常有效的措施，可以减少前格栅冷却气流的泄漏，提高流经冷却模块的气流利用率。如图16、图18所示，导风板采用一体密封成型，密封效果比传统拼接导风板更好。同时，本文还考虑了冷却模块倾斜布置的方案（简称“散热器正面+全密封盖+倾斜”方案，图17）。图19为不同方案冷却模块的进风量。图20～图23为车速为0km/h和140km/h、冷却风扇全开时冷却模块倾斜方案对模块风速均匀性的影响。

综上所述，可以看出：

1）采用前散热器方案的冷凝器进风量比后散热器方案高4%~8%。当车速为0km/h（对应“双开”工况）时，进气量最多增加6%。在不增加风机功率的情况下，可以有效增加冷凝器的进风量。

2）采用“散热器前部+全密封盖”方案，可减少前格栅至冷却模块流道漏风，冷凝器进风量可增加约17%。

3）采用“前置散热器+全密封盖+倾斜布置”方案，冷凝器表面风速均匀性显着提高，冷凝器进风量可增加20.5%~22.6%。

4.2 冷却系统一维仿真分析

利用软件建立了电动动力总成冷却系统和空调系统的一维模型，研究了不同冷却模块布局方案对空调能耗的影响。由于研究重点是不同冷却模块布置对散热器散热、冷凝器散热和压缩机功耗的影响，为了提高仿真效率并减少不必要的变量，本文没有建立电池组内部的详细冷却系统模型。这个模拟模型。 ，仅建立电池组板式换热器模型来模拟电池组热负荷传递至空调制冷剂系统的传热模型，如图24所示。

一维仿真模型考虑环境温度、车速、动力总成热负荷等变量，综合评价不同车辆载荷下的车辆热管理性能。首先，为了确定散热器前磁芯尺寸的实际要求，采用一维仿真验证了不同散热器磁芯尺寸下电驱动总成的水温，如图25所示。综合考虑后减小前散热器尺寸对冷凝器的屏蔽作用、“双开”工况下电驱动总成的水温以及高速重载时电驱动总成的散热要求，最终选定了前散热器的核心。计划将车身尺寸缩小 1/2。

为了验证前后散热器对空调系统散热能力的影响，选择大负载高速爬坡工况（环境温度43℃，车速80km/h，坡度5%） ，太阳光照射强度1000W/m2）、不同制冷条件下对该方案进行一维模拟对比分析。

高速爬坡工况对电驱动总成的输出功率有更大的需求，从而对散热器的散热要求也更大。因此，分析高速爬坡工况下不同冷却模块方案对空调系统压缩机能耗的影响具有很强的可比性。性别和代表性。

在一维软件中，分析了“散热器前置布置方案”结合不同导流密封方案和倾斜布置方案对空调系统能耗的影响。仿真结果表明，高速爬坡工况下采用“散热器前置+传统导流方案”。 “流密封”方案压缩机能耗仅略微增加0.1%，而“散热器前+全密封”和“散热器前+全密封+倾斜”方案压缩机能耗可降低3%分别为5%，如图26。这主要得益于“全密封”提高导流冷却模块导流密封性能和“倾斜布置”提高冷却模块入口风速均匀性两个方面。最终，冷凝器的进气量显着增加，如图19所示。

为了全面验证“散热器前置”、“全密封盖”和“倾斜”方案对电驱动总成散热的影响，基于“双开”工况、低速爬坡、高速爬坡和高速工况下，在多维冷却系统匹配模型中进行仿真分析，评估结果如图27~28所示。

电驱总成散热器采用“散热器前置+全密封罩+倾斜”的方案。虽然在不同车辆工况下进气量比“后置散热器方案”低50%~70%。 ，但同时可降低进风温度15℃~20℃。在水温最高的“双开”工况下，水温可降低19.6℃。在其他重载行驶工况下，水温可降低4~8℃。

综上所述，采用“散热器前置”方案不仅避免了“双开”工况下的“风加热水”问题，而且对空调的能耗也基本没有影响。 “前散热器+全密封罩”方案在不同热负荷工况下可显着提高空调能耗3%~5%。如果布置能进一步倾斜，空调能耗可降低5%至10%。

5 实车验证

5.1 测试计划

冷却模块倾斜布置对前舱总布局空间要求较高，车辆改装难度大。以下测试部分仅关注前散热器和全密封导流罩方案，并通过更换冷却模块在实车上进行测试。验证方案及内容如图29所示。

笔记：

a) 高温能耗测试方法指EV-TEST测试方法；

b) 空调制冷性能试验方法参见《QC/T658-2009 汽车空调制冷系统性能道路试验方法》；

c) 热天平性能测试方法采用企业标准。

d)○代表本次性能测试对应的解决方案

e)●表示对应方案未进行本次性能测试

为了提高对比测试的有效性并减少变异，单一解决方案的验证确保了以下对比因素：

1）使用同一辆车

2）同一环境室

3) 相同的测试传感器

4）测试前对车辆进行充分隔热，确保乘客舱和电池组的启动温度一致。

5）两轮对比试验的间隔时间应尽可能短

5.2“前散热器”解决方案

(1)整车热平衡性能

为了评估“散热器前置”方案电驱动总成的散热能力，首先进行了整车热平衡性能测试。测试工况包括高速、高速爬坡、中速爬坡、低速爬坡、快速加减速和“双开”工况，以验证“散热器前置”解决方案对市场的适用性。针对不同的环境温度，针对中国市场和中东市场进行了测试对比，如图30所示。在散热器与冷凝器之间、冷凝器前面未被遮挡的地方布置3个T型热电偶。散热器，测量冷凝器前的进风温度，如图31所示。分析数据可知：

1）驱动热平衡工况下，“散热器前置”方案中，冷凝器部分（散热器覆盖部分）入口温度升高1.5℃~2℃，电驱动总成水温变化+2℃~-3℃。如图32~33所示。

2）“双开”工况下，“散热器前置”方案中电驱动总成水温可降低10℃至20℃，如图33所示。

3）驱动热平衡工况下，压缩机能耗增加0.2%~0.4%，如图34所示。

“前散热器”方案中，在高速行驶和高速爬坡工况下，水温略高于“后散热器”方案。这主要是由于电驱动总成产生的热量相对于其他工况而言较大，而散热器的尺寸水温相对较小，但水温在要求的范围内，可以满足中东市场的环境温度要求是全球环境最严酷的。在“双开工况”下，电驱动总成水温明显降低，可以解决“散热器后”方案中东市场电驱动总成水温报警的问题，并且在同时有利于提高乘客舱冷却和电池冷却效果，如图33~35所示。

(2)车用空调的冷却性能

整车冷却性能测试在整车环境模拟舱内进行，采用HIOKI功率分析仪采集压缩机输入电压和电流（功率测量精度±0.05%）。从制冷效果和空调系统能耗两个方面对“散热器锋”方案进行对比测试和分析。评价分项指标主要包括：制冷率、行驶温度维持率、怠速温度维持率和压缩机能耗等，通过实验对比分析得出结论如下：

1）乘客室内的制冷效果基本相同；如图36所示，乘客面部平均温度降温曲线

2）由于两次测试中电池组冷却的启动时间和能耗不同，“散热器前置”方案的压缩机能耗略低，但这不能表明其与冷却模块布局方案的关系；

3) 冷凝器（散热器屏蔽部分）前入口空气温度升高<1℃。

(3)高温能耗测试

根据EV-TEST电动汽车高温耐久性测试标准要求，对两种解决方案进行了高温能耗测试。本次测试共行驶了10个NEDC循环（1个NEDC循环约11km）进行对比测试。

为了采集测试过程中的能耗数据，采用HIOKI功率分析仪（功率测量精度±0.05%）采集输入输出端的电池组输出、压缩机输入、电控输入、低压直流输出配电箱的两端。进行电压和电流，如图 37 所示。

测试车型的电池组冷却采用液冷方案，即先用空调制冷剂在板式换热器中对电池组的冷却液进行冷却，然后再循环冷却液对电芯进行冷却。

为了避免测试过程中电池组冷却状态不一致可能导致的能耗差异，增加了屏蔽式电池组液冷对比测试。测试表明，“散热器前置”方案在能耗方面表现优于屏蔽电池组。冷却后，热管理系统能耗（包括压缩机能耗、电子风扇能耗、空调鼓风机能耗、电子水泵能耗）可降低5%左右，如图38所示。

综上所述，“散热器前置”方案在整车热平衡性能、整车空调冷却性能以及高温能耗方面均具有较大优势，能够满足中东等高温市场的冷却需求。空调制冷量相当，空调可以更低的消耗。

5.3“全密封盖”解决方案

继续对“全密封盖”方案进行实验对比验证。在冷凝器前下格栅中部和冷凝器上1/4处各布置3个测点，如图39所示。测试表明，采用全密封盖可显着改善散热和空调能量消耗：

1）高温能耗测试中，空调系统能耗降低8%，如图40所示；

2）低速爬坡工况下，电气总成水温下降6℃，压缩机功率下降17%；

3）“双开”工况下，空调制冷效果明显提升，电池温度明显降低，充电时间缩短42%，如图41所示。这是由于“双开”工况下没有迎面气流，风扇排出的部分热风会回流到散热器前方，造成“热回流”。全密封的护罩可以显着改善热量回流，冷凝器前的空气温度会显着下降。 ，图 42。

4）

5.4“散热器正面+全密封盖”的综合影响

将“散热器前部”与“全密封盖”结合验证，在散热器与冷凝器之间布置3个T型热电偶，测量散热器前冷凝器局部进风温度，如图图43.测试计划和流程与前两轮测试保持一致。

最终解决方案验证结论如下：

1）高温能耗工况下，热管理系统能耗可降低11.5%，如图44所示。

2）在“双开放”工作条件下，可以将压缩机功率降低10％，并且电动驱动组件的水温可以降低15°C，如图45所示。

3）在热平衡较大的负载攀爬条件下，压缩机的能量消耗可以减少7％〜7.88％，如图46所示。

4）在驱动热平衡条件下，冷凝器部分的入口温度（散热器屏蔽部分）上升约0.5〜1.5°C，如图47所示。

综上 - 温度热管理系统。另外，“前后”核心的“散热器”的大小可以减少一半，这有助于减轻体重和降低冷却模块的成本。此外，使用“前散热器 +完全密封的解决方案”不需要电子风扇速度和功率增加，也不会影响整个车辆的NVH性能。

6摘要

本文始于纯电动汽车的热管理特性和需求，再加上用户大数据信息，以确定纯电动汽车在“双开放”操作条件下面临的严重散热挑战。为了开发用于纯电动汽车的冷却模块架构，基于实际车辆的模拟分析和测试比较用于进行完全详细的演示。最后，发现“前散热器 +完全密封的盖”解决方案可以非常适合纯电动汽车。它不仅可以解决“双开放”工作条件的散热挑战，还可以帮助减少高温热管理系统的能源消耗。