一种弱混混合动力汽车冷却系统布置研究

摘要：混合动力汽车是指同时装备两种动力来源――热动力源（由传统的汽油机或者柴油机产生）与电动力源（电池与电动机）的汽车。汽车冷却系统，是一种用来防止发动机过热的系统。冷却系统的主要功用是把受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。本文对一种弱混混合动力汽车冷却系统的布置进行了研究，该冷却系统通过将 BSG 电机并联在发动机冷却水泵进、出水口的冷却布置方式，在不影响发动机冷却系统散热的情况下，可以满足进水温度及发动机冷却水流量要求。

关键词：弱混 冷却系统 混合动力

混合动力汽车，一般是指油电混合动力汽车，即采用传统的内燃机和电动机作为动力源。通过在混合动力汽车上使用电机，使得动力系统可以按照整车的实际运行工况要求灵活调控，而发动机保持在综合性能最佳的区域内工作，从而降低油耗与排放。随着全球汽车工业的发展，能源消耗、环境污染等问题也相继发生，新能源汽车的开发和应用已经成为社会关注的焦点和汽车发展的一种趋势。混合动力汽车是目前诸多新能源解决方案中成功实现产业化的有效途径之一。在技术、经济和环境等方面混合动力汽车都具有很好的综合优势。

1 混合动力汽车的分类

混合动力汽车以其节省燃油，降低污染物排放，不受电池续驶里程限制的优势得到越来越广泛的研究和应用。根据在混合动力系统中混合度的不同，混合动力系统还可以分为弱混、中混和强混。首先，弱混合动力系统。这种混合动力系统在传统内燃机上的启动电机上加装了皮带驱动启动电机（简称BSG系统）。该电机为发电启动一体式电动机，用来控制发动机的启动和停止，从而取消了发动机的怠速，降低了油耗和排放。弱混合动力系统的混合度一般在20%以下。弱混混合动力即发动机启停技术，由于具有成本相对较低以及技术复杂程度不高的优势在市场上得到广泛应用。有研究表明该技术可以实现 2.6% 左右的节油率。其次，中混合动力系统。该混合动力系统采用了集成启动电机（简称ISG系统）。与弱混合动力系统不同，中混合动力系统采用的是高压电机。另外，中混合动力系统还增加了一个功能：在汽车处于加速或者大负荷工况时，电动机能够辅助驱动车轮，从而补充发动机本身动力输出的不足，从而更好的提高整车的性能。这种系统的混合程度较高，可以达到30%左右。最后，强混合动力系统。该系统采用了272-650v的高压启动电机，混合程度更高。与中混合动力系统相比，强混合动力系统的混合度可以达到甚至超过50%。技术的发展将使得强混合动力系统逐渐成为混合动力技术的主要发展方向。

2 汽车冷却系统及BSG电机布置

2.1 冷却系统

汽车冷却系统，是一种用来防止发动机过热的系统。冷却系统的主要功用是把受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证发动机在最适宜的温度状态下工作。冷却系统按照冷却介质不同可以分为风冷和水冷，如果把发动机中高温零件的热量直接散入大气而进行冷却的装置称为风冷系统。而把这些热量先传给冷却水，然后再散入大气而进行冷却的装置称为水冷系统。由于水冷系统冷却均匀，效果好，而且发动机运转噪音小，目前汽车发动机上广泛采用的是水冷系统。

2.2 BSG电机布置

BSG电机正常工作时需要一定量的冷却液来完成散热及进水温度超过限时对电机进行保护。水冷因其具有更小的体积，是BDG电机冷却中最为常见的冷却方式。根据冷却布置的方式不同，BSG电机水冷包含了与发动机共用冷却回路和单独的冷却回路两种。其中，与发动机共用冷却回路的冷却布置方式成本低、结构紧凑；单独的冷却回路需要额外增加小型的电子水泵、散热器和膨胀水箱等部件。

BSG电机冷却布置。BSG电机连续工作时的平均热负荷与发动机的热负荷相比差了一个数量级。与发动机相比较，BSG电机的冷却水进水温度要求比较严格，对冷却水的流量要求比较低。要求冷却进水在发动机冷却进水之前，即冷却水先冷却BSG电机。冷却水流量方面，最佳流量值为 3～5 L/min。基于以上BSG电机冷却特点，所研究的弱混混合动力汽车冷却系统布置方案为冷却系统并联在发动机冷却水泵进、出水口。

水泵壳体集成在缸体上，该发动机缸体水套进口即为水泵蜗壳出口，该BSG电机冷却系统布置，为了不降低缸体强度，在水套进口位置采用带螺纹内孔的凸台设计，增加电机冷却水出口。BSG电机冷却水进水通过一个带外螺纹的中空螺栓引出。4个出水口分布在中空螺栓四周，冷却水经水孔汇集到三通，经管路进入到BSG电机为其冷却。

3 BSG电机冷却性能及影响分析

3.1 流量分析

流量分析是为了对比分析增加BSG电机冷却系统及未增加BSG电机冷却系统两种情况下冷却水分配的详细变化情况。对不同发动机转速下BSG电机流量的分析结果如下：发动机转速为800r/min时，冷却水小循环流量为0.7L/min，冷却水大循环流量为0.7L/min；发动机转速为2000r/min时，冷却水小循环流量为2.5L/min，冷却水大循环流量为2.3L/min；发动机转速为4000r/min时，冷却水小循环流量为5.7L/min，冷却水大循环流量为5.1L/min；发动机转速为6000r/min时，冷却水小循环流量为9.0L/min，冷却水大循环流量为7.9L/min；不同发动机转速下BSG 电机冷却水流量值，可以满足设计要求。增加BSG电机冷却使小循环暖风流量下降0.37%，大循环缸盖流量下降0.7%～1.3%可见对原发动机冷却系统的冷却水流量分配影响不大。

3.2 热平衡水温分析

对冷却系统进行热平衡水温计算的主要目的是为了分析在冷却系统最恶劣工况下，增加BSG电机冷却系统对系统热平衡水温的影响，BSG电机进水温度是否满足设计要求。系统热平衡水温计算结果显示，在50 km/h，7.2%坡度的计算工况下，BSG电机进水温度为104.7℃，无BSG电机冷却系统时，散热器进水105.0℃，增加BSG电机冷却系统时，散热器进水温度为108.0℃，散热器进口温差为3.0℃；在90km/h，7.2%坡度的计算工况下，BSG电机进水温度为100.3℃，无BSG电机冷却系统时，散热器进水101.2℃，增加BSG电机冷却系统时，散热器进水温度为103.3℃，散热器进口温差为2.1℃。系统热平衡水温分布显示BSG电机进水温度不超过105 ℃，同时增加BSG电机冷却散热器进水温度2～3℃，二者均满足设计要求。

综上所述，由于弱混混合动力汽车的BSG电机具有冷却水流量要求不大，持续工作的热负荷不高等特点，将BSG电机冷却并联在发动机冷却水泵进、出水口的冷却布置方式在不影响发动机冷却系统散热的情况下，可以满足进水温度及发动机冷却水流量要求。

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