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長(zhǎng)安汽車 | 通過熱管理仿真優(yōu)化解決電動(dòng)車高溫天氣爬坡動(dòng)力不足問題

2020-03-21 14:27:03·  來源：電動(dòng)學(xué)堂  
　
文章來源：《通過熱管理仿真優(yōu)化解決電動(dòng)車高溫天氣爬坡動(dòng)力不足問題》作者單位：重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司引言隨著政府大力支持電動(dòng)車的相關(guān)政策出臺(tái)，電動(dòng)車逐
文章來源：《通過熱管理仿真優(yōu)化解決電動(dòng)車高溫天氣爬坡動(dòng)力不足問題》
作者單位：重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司
 
引 言
隨著政府大力支持電動(dòng)車的相關(guān)政策出臺(tái)，電動(dòng)車逐漸進(jìn)入人們的日常生活，其市場(chǎng)占比逐年增大?隨著電動(dòng)車的用戶和使用場(chǎng)景的增多，電動(dòng)車暴露出來的問題也在增多?在高溫工況下出現(xiàn)動(dòng)力不足，是常見問題之一?
雖然電動(dòng)車加速性能強(qiáng)于燃油車，但在高溫天氣爬坡時(shí)，電動(dòng)車更容易出現(xiàn)動(dòng)力不足現(xiàn)象?原因在于，電動(dòng)車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)是動(dòng)力電池直接供電驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩輸出，因而電機(jī)?電控對(duì)機(jī)艙熱管理要求較燃油車更高?在高溫天氣下，散熱不充分則會(huì)引發(fā)電機(jī)?電控溫度過高，從而觸發(fā)電機(jī)限矩控制策略，使得電動(dòng)車爬坡動(dòng)力性不足?本文將根據(jù)某電動(dòng)車實(shí)際開發(fā)案例，簡(jiǎn)述在不改變電池和電機(jī)本身的前提下，如何應(yīng)用CFD 三維仿真從熱管理角度優(yōu)化機(jī)艙布置，從而提升電機(jī)應(yīng)用性能，解決電動(dòng)車爬坡動(dòng)力不足的問題?
 
1 優(yōu)化背景
本案例電動(dòng)車在高溫爬坡動(dòng)力性試驗(yàn)進(jìn)行至快結(jié)束時(shí)，車速不能保持原有速度，線性下降，即所謂的爬坡動(dòng)力不足?通過CAN 總線讀取的電機(jī)?電控內(nèi)部溫度和電機(jī)輸出功率?轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)是電控內(nèi)部溫度超溫，觸發(fā)電機(jī)控制策略(當(dāng)電控內(nèi)部監(jiān)測(cè)溫度超過一級(jí)溫度報(bào)警值，電控會(huì)出現(xiàn)一級(jí)過溫報(bào)警，從而限制電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩)，導(dǎo)致電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩受限制(圖1)?在不更換電機(jī)的前提下，要么更改電控溫度限制策略，要么降低電控內(nèi)部溫度?將電控溫度限值上調(diào)，可以解決電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩受限制問題，但是長(zhǎng)期高溫環(huán)境對(duì)電控壽命及穩(wěn)定性有影響，經(jīng)綜合考慮，從降低電控內(nèi)部溫度方面尋找解決方案?下面將闡述如何利用CFD仿真，優(yōu)化機(jī)艙布置來降低電控內(nèi)部溫度，提升電機(jī)應(yīng)用性能，解決電動(dòng)車爬坡動(dòng)力不足問題?
 
2 CFD 三維仿真
2.1 研究方法
機(jī)艙內(nèi)可以視作一個(gè)復(fù)雜流體與熱系統(tǒng)相互作用的耦合場(chǎng)?從傳熱學(xué)角度考慮，熱量的傳播形式只有三種: 熱傳導(dǎo)?熱對(duì)流和熱輻射 ?傳統(tǒng)燃油車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)是利用汽油和空氣在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)混合燃燒產(chǎn)生動(dòng)力做功，并經(jīng)過傳動(dòng)系統(tǒng)將功轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩輸出，其內(nèi)部燃燒溫度可達(dá)1100℃ 以上?而電動(dòng)車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)則是動(dòng)力電池直接供電驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)矩輸出，沒有燃燒這一環(huán)節(jié)?由此可知電動(dòng)車機(jī)艙內(nèi)整體溫度不會(huì)太高?通過傳統(tǒng)車與電動(dòng)車在熱管理角度對(duì)比(表1)，可知熱輻射在機(jī)艙內(nèi)的傳熱占比幾乎可以忽略不計(jì)，故而計(jì)算過程中不考慮輻射模型?
 
分析時(shí)，考慮將模型分為整車模型和整車的外部計(jì)算域兩個(gè)部分?重點(diǎn)是將整車機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)模擬準(zhǔn)確?考慮到該電動(dòng)車是風(fēng)冷式冷卻方式，尤其需要考慮熱源部件電控(圖2綠色部件)?電機(jī)(圖2 紫色部件)?電源變換器(圖2 棕色部件) 模型采用何種方式處理，使得更接近其物理現(xiàn)象?
 
2.2 網(wǎng)格處理
數(shù)值仿真分析方法中，網(wǎng)格劃分越細(xì)，其節(jié)點(diǎn)信息連續(xù)性越好，越接近真實(shí)的物理現(xiàn)象?但網(wǎng)格越多，其計(jì)算需要的資源也是成比增加?且當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到一定程度后，即使增加網(wǎng)格數(shù)量，其仿真計(jì)算精度也不會(huì)有明顯變化?
經(jīng)過多次網(wǎng)格劃分及仿真計(jì)算，采取如下措施: 對(duì)于熱源部件和前格柵整體網(wǎng)格尺寸采用2 ~4mm，散熱翅片體網(wǎng)格加密1mm?為了整體網(wǎng)格有較好的連續(xù)性，以關(guān)重部件為中心，向外擴(kuò)散區(qū)域進(jìn)行整體網(wǎng)格加密，使網(wǎng)格過渡更均勻?
2.3 模型優(yōu)化
本案例涉及關(guān)重模型有冷卻模塊(散熱器和冷凝器)模型?風(fēng)扇模型?發(fā)熱部件模型?需根據(jù)各部件的幾何尺寸和物理現(xiàn)象，了解部件的工作原理，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，提取并重點(diǎn)捕捉關(guān)鍵因素?以下針對(duì)各模型簡(jiǎn)要說明:
1) 冷凝器，采用多孔介質(zhì)模型?
2) 散熱器，采用多孔介質(zhì)模型?
3) 機(jī)艙內(nèi)部熱源部件(電機(jī)?電控?電源變換器) 本質(zhì)上可視作電路元件工作產(chǎn)生的熱損失Q，通過翅片散熱?因此熱源部件采用固體網(wǎng)格，并將產(chǎn)生的熱損失Q 賦予其中，電源變換器上部風(fēng)扇需做MRF 模型(即Moving Refer-ence frame 移動(dòng)參考系)，對(duì)于部件表面螺釘?字標(biāo)等無關(guān)緊要的小特征可以忽略不計(jì)，減少低質(zhì)量網(wǎng)格?熱損失公式為
 
式中，I 為工作電流；R 為工作電阻?
4) 風(fēng)扇，采用MRF 模型?
2.4 仿真結(jié)果分析
 
根據(jù)仿真結(jié)果得知，電機(jī)?電控?電源變換器均滿足正常工作溫度目標(biāo)?從圖3 所示溫度云圖可知，機(jī)艙內(nèi)空氣溫度并不高，低于電機(jī)?電控?電源變換器的正常工作溫度目標(biāo)值?由圖4 所示速度云圖可知，電機(jī)的下部?側(cè)面和頂部都有大量高速冷風(fēng)幫助其散熱；電源變換器頂部有小風(fēng)扇引入大量高速冷空氣并且下部也有部分高速冷空氣幫助其散熱；僅有少量高速冷空氣從電控側(cè)面經(jīng)過，冷空氣對(duì)其散熱不明顯，還有優(yōu)化空間?
 
3 優(yōu)化改進(jìn)方向
 
根據(jù)以上分析結(jié)合圖4 所示速度云圖可知，電控僅有少量高速冷空氣從其側(cè)面經(jīng)過，如能引流高速冷空氣至電控散熱翅片附件，利用強(qiáng)制對(duì)流換熱原理，強(qiáng)行將電控產(chǎn)生的熱量帶走，則可降低電控內(nèi)部溫度?根據(jù)圖5 所示風(fēng)扇出風(fēng)流線圖可知，因風(fēng)扇在機(jī)艙內(nèi)的布置是偏左的，處于機(jī)艙右側(cè)的電控只有靠近風(fēng)扇側(cè)的局部有冷空氣經(jīng)過?為了讓更多冷空氣經(jīng)過電控，可以采取優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)板或風(fēng)扇出風(fēng)口?增加導(dǎo)風(fēng)管以及移動(dòng)電控位置等方案?因此方案1 是通過在風(fēng)扇罩背部靠近電控區(qū)域開孔，利用風(fēng)管將部分風(fēng)扇出風(fēng)引流至電控，使得更多冷空氣經(jīng)過電控?方案2 是通過優(yōu)化導(dǎo)風(fēng)板，適當(dāng)減弱前端密封性，使得部分冷空氣不經(jīng)過冷卻模塊換熱，而是直接進(jìn)入機(jī)艙?方案3 則是從布置上優(yōu)化，配電盒底部區(qū)域有大量高速冷風(fēng)且配電盒不是主要發(fā)熱源，因此將電控與配電盒位置互換，使得電控處于大量高速冷風(fēng)流經(jīng)區(qū)?
4 驗(yàn)證結(jié)果
4.1 仿真優(yōu)化結(jié)果
根據(jù)上述優(yōu)化改進(jìn)方向，對(duì)上述3 個(gè)方案(表2) 進(jìn)行仿真驗(yàn)證?
 
4.1.1 各方案溫度云圖優(yōu)化前后對(duì)比
 
 
 
做一個(gè)X = -0.2 截圖，對(duì)比圖6 ~ 圖8 可知，從溫度云圖截圖看方案3 降溫最明顯，方案1?方案2 降溫不明顯?因電控主要是通過翅片散熱，故通過讀取電控翅片的平均溫度，方案1 電控翅片平均溫度降低9.1℃，方案2 電控翅片平均溫度降低10.7℃，方案3 電控翅片平均溫度降低20.1℃?
4.1.2 各方案速度云圖優(yōu)化前后對(duì)比
 
做一個(gè)X = -0.2 截圖，對(duì)比圖9 ~ 圖11 可知，方案3實(shí)現(xiàn)了更多冷空氣經(jīng)過電控，方案1?方案2 電控只有靠近風(fēng)扇側(cè)的局部有冷空氣經(jīng)過，無明顯改善?
4.1.3 優(yōu)化方案對(duì)比結(jié)果
 
從電控翅片環(huán)境溫度下降幅度?電控翅片附近風(fēng)速?成本三個(gè)維度對(duì)比分析(表3)，從效果看方案3 最佳，從成本考慮方案2 最佳?經(jīng)綜合考慮，為了不降低空調(diào)性能，故采取方案3?
4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果
因此，將方案3 進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過溫度?濕度設(shè)置，模擬高溫天氣進(jìn)行高溫爬坡動(dòng)力性試驗(yàn)，結(jié)果如下:
1) 電控表面溫度仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比(數(shù)值對(duì)比見圖12)?
 
2) 優(yōu)化后，電控表面實(shí)測(cè)溫度?電控內(nèi)部實(shí)測(cè)溫度和電控翅片周邊環(huán)境實(shí)測(cè)溫度均有降低(數(shù)值對(duì)比見圖13)?
 
3) 試驗(yàn)結(jié)束時(shí)電控內(nèi)部溫度未達(dá)到電控一級(jí)報(bào)警值?試驗(yàn)中CAN 總線讀取的電控和電機(jī)數(shù)據(jù)如圖14 所示，優(yōu)化后電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o明顯減小，電控內(nèi)部溫度明顯下降?
 
由此得出結(jié)論，調(diào)整電控在機(jī)艙的位置可以降低電控內(nèi)部溫度，提升電機(jī)應(yīng)用性能，解決電動(dòng)車高溫天氣爬坡動(dòng)力不足問題?
5 結(jié)論
電控與配電盒位置互換后，在維持現(xiàn)有成本和空調(diào)使用性能不變的前提下，實(shí)現(xiàn)電控翅片附近風(fēng)速提高211%，電控內(nèi)部溫度下降12%，提升電機(jī)應(yīng)用性能?隨著新能源車市場(chǎng)逐漸成熟，新能源政府補(bǔ)貼的逐漸退出，用戶對(duì)電動(dòng)車使用要求會(huì)更加明確，對(duì)電動(dòng)車價(jià)格會(huì)更加敏感?伴隨新能源車市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈，CFD 三維仿真在提升電動(dòng)車使用性能，增強(qiáng)用戶感知點(diǎn)方面會(huì)發(fā)揮越來越大的作用?
 
 
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