汽车冷却系统设计介绍

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发动机输入
• 功率 • 冷却液散热量 • 水泵流量特性及冷却液流量 • 水温限值（持续，短暂，极端） • 发动机油散热量（Opt：大多和集成在发动机上） • 发动机油流量（Opt：大多和集成在发动机上） • 发动机油温限值 • 节温器特性
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传统动力总成冷却系统集成
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工况
最大功率 低速爬坡
环境温度
中冷器进 口温度
进气流量
换热量需求
中冷器出口温 中冷系统压降 通风量
度要求
要求
需求
工况
最大功率 低速爬坡
环境温度
进水温度
进水流量
换热量需求
出口水温要求
冷却液压降要 求
通风量 需求
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内容
传统动力总成冷却系统集成
• 动力总成冷却系统输入要求 • 发动机散热需求分析 • 变速箱散热需求分析 • 涡轮增压器散热需求分析 • 动力总成冷却系统设计工况定义 • 动力总成冷却系统负荷计算 • 动力总成冷却系统回路设计 • 动力总成冷却系统控制
同一发动机，相同功率下，散热相同？
同一发动机，相同功率下，效率相同？
同一发动机，相同功率下，油耗相同？ 同一发动机，同一辆车，不同档位，油耗相同？
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传统动力总成冷却系统集成
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发动机水流量
• 发动机水流量可近似认为和发动转速是线性关系 • 注意大小循环影响 • 可以通过台架实验或者模拟获取 • 为减小附件损失，水泵选型趋向减小，相同功率不同转速下的水
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传统动力总成冷却系统集成
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工况定义源于销售区域的客户需求
• 温度：关键因素 • 湿度：次要因素，通过冷凝器负荷影响前端散热，通过压缩机负
荷影响发动机工作（不显著） • 坡度：关键因素 • 车速：关键因素 • 负载（含拖车）：关键因素 • 持续时间（距离）：重要因素
流量可能成为瓶颈，但增加某些特征会导致水泵能力提升，如 IEM、EGR等 • 1L/KW侧传统选型原则，大排量过设计， 小排量不足，可通过Benchmark、模拟 及台架确认
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内容
传统动力总成冷却系统集成
• 动力总成冷却系统输入要求 • 发动机散热需求分析 • 变速箱散热需求分析 • 涡轮增压器散热需求分析 • 动力总成冷却系统设计工况定义 • 动力总成冷却系统负荷计算 • 动力总成冷却系统回路设计 • 动力总成冷却系统控制
摩擦 Friction
泵 Pumping
附件 Accessories
有效功 Brake Power
传动 Transmission
车辆损失 惯性 Inertia Vehicle 空气阻力Aerodynamic Drag Losses 滚动阻力 Rolling Resistance
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传统动力总成冷却系统集成
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传统动力总成冷却系统集成
项目输入 工程语言
动力总成 发动机系列？排量？最大功率？PFI or SIDI? -- 水箱大小 涡轮增压？水冷 or 风冷？ -- 中冷系统 手动、DCT、自动变速箱？ -- 油冷系统
车型区间和载荷
A/B/C, Van Trailer…
销售市场：国内/中东/东南亚/印度/墨西哥 /澳大利亚/欧洲？
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内容
纯电动车冷却系统集成
● 纯电动车冷却系统特点 ● 纯电动车冷却系统负荷计算 ● 纯电动车工况定义 ● 混合动力车冷却回路设计范例
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内容
传统动力总成冷却系统集成 新型热管理系统 混合动力车冷却系统集成 纯电动车冷却系统集成
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不同考核工况，尤其热区特殊要求
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传统动力总成冷却系统集成
项目输入 工程语言
竞争车型
Mass 比较 Cost 比较 Package 比较
产地
供应商数量、生产地规划 模具和物流成本平衡
销量
模具核算 冷却模块Matrix优化（平衡销量过低的配置？）
成本：
系统成本分解 零部件成本核算
传统动力总成冷却系统集成
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发动机散热
进气
燃油
燃烧室
化学能转化
• 附件损失
热能
机械 功
排气
本体 冷却液
车轮
润滑
环境
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传统动力总成冷却系统集成
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燃油热能 Fuel Energy
排气散热 Exhaust Heat
冷却散热 Cooling
指示功 Indicated Power
• Full Face的中冷器压降更加明显。 通常轿车Brick形式中冷器压降 约6~8Kpa, Full Face形式中冷器 压降可达到12~20Kpa
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传统动力总成冷却系统集成
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涡轮增压器散热
• 水冷式中冷系统：间接冷却，成本高，增加低温水箱，水泵，冷 却水路。
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内容
传统动力总成冷却系统集成
• 动力总成冷却系统输入要求 • 发动机散热需求分析 • 变速箱散热需求分析 • 涡轮增压器散热需求分析 • 动力总成冷却系统设计工况定义 • 动力总成冷却系统负荷计算 • 动力总成冷却系统回路设计 • 动力总成冷却系统控制
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水泵转向发电机压缩机等附件损失不包含在内logostudy42传统动力总成冷却系统集成附件损失修正获取整车质量负荷参考近似车型的滑行曲线计算出该工况下的发动机功率计算出该工况下的发动机功率获取整车质量负荷获取整车风阻系数cd和迎风面积获取滚阻系数确定设计工况附件损失修正确定设计工况工作点计算方法二工作点计算方法一logostudy43传统动力总成冷却系统集成用设计工况下计算出的功率查曲线获取发动机功率散热数据表根据实际工况筛选数据把散热和功率无量纲化拟合曲线得到发动机散热量发动机散热计算方法二发动机散热计算方法一确定发动机转速查表获取发动机功率散热数据表根据计算出的功率查表得出多个工作点获取换挡策略根据车速变速箱速比节气门开度和换挡策略确定对应档位得到发动机散热量logostudy44传统动力总成冷却系统集成发动机散热计算修正动力总成提供进气温度为室温下的数据实际进气温度升高点火角变化影响功率需要修正补偿散热量
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内容
传统动力总成冷却系统集成
• 动力总成冷却系统输入要求 • 发动机散热需求分析 • 变速箱散热需求分析 • 涡轮增压器散热需求分析 • 动力总成冷却系统设计工况定义 • 动力总成冷却系统负荷计算 • 动力总成冷却系统回路设计 • 动力总成冷却系统控制
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冷却系统能量平衡
整车性能要求（Cd）
质量
性能
空间尺 寸匹配
Cooling Performance
Mass Cost Package Warranty Cd Electric Power
重量
成本
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传统动力总成冷却系统集成
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项目输入
动力总成 车型区间： A/B/C, Van… 销售市场：国内/中东/东南亚/印度/墨西哥/澳大利亚/欧洲？ 竞争车型 产地 销量 成本 。。。
• 中冷器水冷，无需迎面风，因此可以尽可能缩短进气路径，甚至 集成在进气歧管中，从而有效改善扭矩迟滞现象
• 水冷中冷系统的冷却泵通常由ECM 控制，和排放相关，需要满足国6 OBD诊断要求。
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传统动力总成冷却系统集成
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涡轮增压器散热
• 中冷系统通常按发动机最大功率点进行设计（考虑限功率），校 核低速爬坡工况下的风量情况，其他工况下，仅需要考虑可能对 水箱等带来的负荷。
发动机转速 发动机负荷 扭矩
功率
冷却液进水 温度
冷却液出水 温度
冷却液流量
增压器出口 温度
中冷器后温 度
空气流量
1000 100.00%
2000 100.00%
3000 100.00%
4000 100.00%
5000 100.00%
5500 100.00%
6000 100.00%
1000 90.00%
最大功率 行驶功率
散热
发动机转速 节气门开度
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传统动力总成冷却系统集成
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无量纲化处理的优点
• 通过建立数据库，总结参数规律，对不同发动机散热需求进 行评估。
• 早期缺乏发动机数据的情况下，尤其是发动机和整车同步开 发的项目，根据发动机类型、配置及名义功率，对发动机可 能的散热需求进行早期评估，确定冷却模块框架尺寸，指导 初期项目开发。
Study
整车驱动冷却系统集成
2017-12-22
内容
传统动力总成冷却系统集成
• 动力总成冷却系统输入要求 • 发动机散热需求分析 • 变速箱散热需求分析 • 涡轮增压器散热需求分析 • 动力总成冷却系统设计工况定义 • 动力总成冷却系统负荷计算 • 动力总成冷却系统回路设计 • 动力总成冷却系统控制
2nd Gear Nm
3rd Gear Nm
4th Gear Nm
5th Gear Nm
Temp C
Turbine Speed RPM
Line Pressure
kPa
Pump Loss Nm
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传统动力总成冷却系统集成
变速箱油流量
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Temp 1
Flow (L/min)
Temp 2
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传统动力总成冷却系统集成
变速箱输入
• 变速箱类型 • 各档速比 • 液力变矩器效率 • 换挡策略 • 变速箱油流量 • 变速箱油温限值 • 油冷系统压降
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传统动力总成冷却系统集成
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变速箱散热量
• Pump Loss：规定油温下，和油泵转速和油压相关 • Spin Loss：规定油温下，和Turbine转速、油压、档位相关 • TCC：和液力变矩器特性有关，受变速箱标定策略影响极大。
动力总成系统和空调 系统散热
平衡
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动力总成冷却系 统要求
热量散入环境
产生热量
换热器 + 前端风量
冷却液，制冷剂，润滑油
带走热量
前端风量
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传统动力总成冷却系统集成
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集成的核心：平衡
Balance with Cost， Package， Quality，Mass，Cd, Safety, Elec. Power budget, Studio…
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传统动力总成冷却系统集成
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销售区域的工况参数收集是定义工况的前提条件
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传统动力总成冷却系统集成
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通常不同销售区域的工况参考
• 欧洲：常温，高速（德国 Max Speed）平路；常温，中速，大坡度， 大拖车
• 北美：高温，中等坡度，拖车，中速（Performance Car 除外） • 中国：较高温，中等坡度，无拖车 • 中东：极端高温，高速平路 • 南美：常温，中速，大坡度
2000 90.00%
3000 90.00%
4000 90.00%
5000
……
90.00%
……
PFI： Port Fuel Injection SIDI: Spark Ignition Direct Injection Turbo IEM EGR
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传统动力总成冷却系统集成
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发动机散热量数据无量纲化分析处理
传统动力总成冷却系统集成
• 动力总成冷却系统输入要求 • 发动机散热需求分析 • 变速箱散热需求分析 • 涡轮增压器散热需求分析 • 动力总成冷却系统设计工况定义 • 动力总成冷却系统负荷计算 • 动力总成冷却系统回路设计 • 动力总成冷却系统控制
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传统动力总成冷却系统集成
通常选型主要考虑TCC Lock情况，滑擦作为瞬态考虑。后期开发 时要和TCM标定工程师紧密联系
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传统动力总成冷却系统集成
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变速箱散热量： Spin Loss & Pump Loss
Temp C
Turbine Speed RPM
Line Pressur
e kPa
1st Gear Nm
• 实际操作中可考虑分段拟合
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传统动力总成冷却系统集成
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无量纲化处理的缺点
• 没有考虑相同功率下，发动机不同转速下的发动机效率不同，从 而散热量不同
• 没有发动机转速，无法确定水泵流量 • 数据点散差较大，处理复杂，工程师需要具有一定整车开发经验 • 后期信息完备后需要进一步校核
涡轮增压器散热
• 中冷系统的作用：当空气进入涡轮增压后 其温度会大幅升高，密度也相应变小， 中冷器冷却高温空气，保证进气量， 防止因空气温度过高导致发动机爆震。
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传统动力总成冷却系统集成
涡轮增压器散热
• 风冷式中冷系统：有成本优势。缺点是 扭矩反应迟滞。由于风冷式中冷器需要 布置在前端，依靠前端风量进行冷却， 因此冷却管道长，内容积大，系统压降 大，导致踩油门和车辆加速存在时间差， 影响驾驶体验。
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内容
新型热管理系统
• 新型热管理系统背景和特点 • 载荷新型热管理系统的回路设计 • 新型热管理系统的控制 • 新型热管理系统的诊断需求
LSOtuGdOy3容 混合动力车冷却系统集成
● 混合动力车冷却系统特点 ● 混合动力车驱动电机散热需求 ● 混合动力车电池冷却回路散热需求 ● 混合动力车电子模块冷却回路散热需求 ● 混合动力车工况定义 ● 混合动力车冷却系统的负荷计算 ● 混合动力车冷却回路设计
WTOC放在水箱出水侧
RPM
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传统动力总成冷却系统集成
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系统压降 Vs. 流量
• 变速箱油冷在指定工况下的压降，是保障油冷的必要条件。 • 对于既有WTOC，又有ATOC的串联系统，压降非常重要。 • 对有ATOC的系统，推荐使用TVB阀
Pressure Drop
Flow
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内容