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电动汽车热管理系统水路选型计算

对于一套整车热管理水路系统来说,我们最终要的架构完成之后就进入部件选型细化的工作了,而水路部件的细化工作中涉及到匹配计算的除了系统的换热能力,也就只剩下膨胀水壶容积的计算和水泵的选型计算。以下分别介绍下系统水壶容积的计算方法和水泵选型的方法。(仅供参考,具体计算数值请自行研究)

膨胀水壶容积的计算

整车热管理系统,我们常用的是50%:50%的乙二醇水溶液。对于一套水路系统,我们需要设计一个膨胀水壶的目的在于如下几个:

  1. 保证系统的正常运行,即使车辆按照一定的倾斜角爬坡或者侧倾
  2. 保证一段时间的渗漏损耗之后,系统内水量仍能保持整车正常的水路循环换热
  3. 吸收冷却液正常的热涨冷缩

对用以上主要目的,水壶的设计总容积包括残留容积储备容积膨胀容积

残留容积计算

水壶承担了热管理系统的储水、补水功能,我们需要水液面高度始终高于整个热管理系统部件的最高点。水壶在车上,我们一般会按照一定的整车倾斜角度考虑,当车辆倾斜的时候水壶内的液面高度仍然要高于水壶的出口,否则水壶内冷却液无法即使回补到系统中。

如下图,是淘宝上找到的大众车的水壶。图中红色的点是假设的旋转中心,水壶底下是出水口,无论水壶绕旋转中心顺时针旋转还是逆时针旋转一定角度之后,水壶的液面都应该高于出水口。这个倾斜的角度,对于SUV、普通的三厢轿车还有所区别,各主机厂一般都有自己定义的要求可以引用,水壶供应商也会有相应的行业经验参考。

膨胀水壶示例

对应按照如上设计计算之后,我们会得到一个水壶内冷却液的容积,这个容积就是我们的残留容积,这个容积是保证系统运行的最低容积。为了提醒用户方面维护,一般会在水壶上设定一条min线来标识这个最小容积时候的液面,当液面低于min线的时候也就提示用户该去4S店维护了。

储备容积计算

对于所有的水路系统来说,都有正常的蒸散损耗,使用时间越长损耗量越大。汽车产品一般使用周期都是5年起步,为了保障用户在5年的使用周期内能够正常使用车辆,我们不仅需要保证系统的最低运行水量,还需要额外补充5年或者一定年限正常损耗的冷却液。

具体的耗损,通常会根据整车耐久试验获得数据,然后预测使用5年后的蒸散量,当然也有很多客户、供应商会沿用既往的经验数据,毕竟多一点冷却液对整车成本的影响几乎可以忽略。

这个5年或者多少年的正常损耗,对应水壶里面的储备容积,同样为了方便生产管控,水壶上一般会有一条Max线对应,冷却液的加注量不应该超过Max线。

膨胀容积计算

对于膨胀容积,主要是在水壶的正常储水范围以外,预留一定容积吸收冷却液的热胀冷缩带来的容积变化。因为电动车冷却液会运行在-40~80℃的温度下,120℃的温度变化会带来冷却液体积的变化。

我们可以在如下网址找到不同比例不同温度下乙二醇水溶液的密度情况如图:https://www.engineeringtoolbox.com/ethylene-glycol-d_146.html

乙二醇水溶液密度

根据使用的冷却液型号,以及对应的使用温度,再加上已知的整个水路系统的容积,我们可以计算最终的体积变化,在设计水壶的时候把这部分吸收热胀冷缩的容积增加进去。

水泵的选型

对于电子水泵而言,最重要的目标是满足特定的最大水流量。而为了满足特定的最大流量我们需要根据系统的水阻来进行选型匹配。

简单的说,如果系统阻力很大,水泵必须选大从而保证水流量。这就像我们用一个水泵把水泵到高层建筑楼顶,和泵送到6层楼的楼顶,需求的水泵能力肯定是不一样的。

如下是某电子水泵的能力曲线示例,其中横坐标是水流量,左边纵坐标是系统阻力。不同的水泵会对应不同的特性图。

电子水泵流量特性曲线

如图,可以知道特定水泵,当我们需要一定的水流量时,允许的最大系统压力。或者我们已知系统压力,可以知道这时候最大的水流量范围。当我们获知水路系统各部件的不同流量下的流阻之后,再根据不同水泵的曲线,即可知对应的水流量。再根据我们系统所需要的水流大小选择对应的水泵即可。

当然,通常水泵厂家提供的能力曲线还会有电功率、效率曲线集成在一张图里,用于客户理解水泵运行状态。

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