【摘要】在本公司某車(chē)型的系統(tǒng)熱管理概念設(shè)計(jì)階段，通過(guò)采用一維和三維耦合仿真分析方法及三維CFD仿真分析方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的總布置方案及各零部件熱參數(shù)進(jìn)行模擬分析優(yōu)化。在車(chē)型開(kāi)發(fā)后期通過(guò)整車(chē)環(huán)境模擬試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析的正確性。該仿真分析方法不僅縮短了開(kāi)發(fā)周期，而且為高效熱管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供參考。

1　前言

為應(yīng)對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)整車(chē)低阻力的要求，需嚴(yán)格控制散熱格柵的開(kāi)口面積，這就對(duì)整車(chē)熱管理的難度提出了更高要求。傳統(tǒng)方法無(wú)法開(kāi)發(fā)出高效的熱管理系統(tǒng)，并且開(kāi)發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)成本昂貴。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算變得更加可靠，從而使得精確的整車(chē)熱管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作提前到概念設(shè)計(jì)階段。

汽車(chē)熱管理數(shù)值計(jì)算方法分為一維和三維，三維CFD計(jì)算可以考慮更多的細(xì)節(jié)，并能直觀給出空氣的流動(dòng)狀態(tài)，但需要龐大的計(jì)算資源及精確的輸入數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程中很難做到。而一維軟件雖然不能考慮所有的細(xì)節(jié)部分，但需要的計(jì)算資源少，計(jì)算時(shí)間短，不需要太多復(fù)雜的數(shù)據(jù)，而且使用三維CFD計(jì)算中沒(méi)有使用的熱傳遞計(jì)算公式，較適合冷卻系統(tǒng)的前期匹配計(jì)算。

在本公司領(lǐng)志純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)熱管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，為了提高整車(chē)熱管理的效率，借助CCM+、AMESim等軟件采用一維三維耦合仿真計(jì)算的方法，對(duì)整車(chē)熱管理進(jìn)行計(jì)算，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)該款車(chē)的冷卻系統(tǒng)。

2　冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及一維仿真分析

2.1　冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

領(lǐng)志純電動(dòng)汽車(chē)熱管理系統(tǒng)主要由3個(gè)熱交換系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成，3個(gè)熱交換系統(tǒng)為整車(chē)散熱系統(tǒng)、乘客艙制冷系統(tǒng)、乘客艙加熱系統(tǒng)，其主要零部件為HVAC總成、冷凝器散熱器總成、電動(dòng)壓縮機(jī)總成、空調(diào)制冷管路總成、高壓PTC總成、水泵總成、膨脹水箱總成、水管、控制面板、空調(diào)控制器總成等，如圖1所示。

該車(chē)型的電池散熱系統(tǒng)采用風(fēng)冷方式，所以對(duì)乘客艙的制冷系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不造成影響。整車(chē)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以發(fā)熱量從小到大的順序?yàn)樵瓌t，冷卻液依次冷卻充電機(jī)、PCU、電動(dòng)機(jī)；設(shè)計(jì)目標(biāo)是在考核的工況下，冷卻液溫度≤65℃。根據(jù)純電動(dòng)車(chē)型的性能和使用習(xí)慣，制定高溫考核工況如表1所列。

圖1　整車(chē)熱管理系統(tǒng)原理示意

表1　高溫環(huán)境考核工況

2.2　冷卻系統(tǒng)一維仿真分析

該車(chē)型一維整車(chē)熱管理系統(tǒng)分為空氣側(cè)和水側(cè)兩大部分，空氣側(cè)由前端空氣壓力、散熱器模型，水泵模型，電機(jī)及PCU熱模型等部件構(gòu)成，而水側(cè)是以冷卻液循環(huán)、潤(rùn)滑油循環(huán)和空調(diào)循環(huán)等構(gòu)成。該冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)模型如圖2所示。

圖2　車(chē)輛冷卻系統(tǒng)空氣側(cè)模型

3　前艙三維CFD分析

3.1　物理模型設(shè)定

整車(chē)熱管理需要考慮冷卻系統(tǒng)和零部件的工作溫度范圍，整車(chē)CFD模型需要保留影響計(jì)算結(jié)果的部件細(xì)節(jié)。機(jī)艙模型示意如圖3所示。

圖3　機(jī)艙模型示意

本文整車(chē)網(wǎng)格劃分主要是在Hypermesh中完成幾何清理和面網(wǎng)格劃分（圖4），體網(wǎng)格主要在CCM+軟件中完成，在計(jì)算敏感區(qū)域（汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)、散熱器組等）使用密度盒加密，以達(dá)到局部網(wǎng)格細(xì)化來(lái)提高計(jì)算精度的目的。

圖4　面網(wǎng)格劃分示意

三維計(jì)算中采用的邊界介質(zhì)為空氣，環(huán)境溫度40℃。換熱器等復(fù)雜結(jié)構(gòu)體積的簡(jiǎn)化模型以多孔介質(zhì)模型來(lái)代替。多孔介質(zhì)的設(shè)置要根據(jù)試驗(yàn)得到的冷凝器、散熱器的阻力曲線(xiàn)獲得。散熱風(fēng)扇采用MRF模型，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為中低速1 900 r/min、高速2 300 r/min。物理模型采用Realizable k-ε模型。

3.2　CFD計(jì)算結(jié)果

三維CFD計(jì)算使用商業(yè)軟件CCM+，通過(guò)計(jì)算可以很直觀的顯示發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空氣流動(dòng)以及溫度分布，同時(shí)得到通過(guò)散熱部件的冷卻空氣的壓力損失和流量。圖5和圖6分別為低速工況下發(fā)動(dòng)機(jī)艙的空氣速度和溫度分布的Y截面示意圖。前端模塊的進(jìn)氣量和進(jìn)氣溫度利用一維軟件進(jìn)行耦合計(jì)算，以提高計(jì)算的精度。表2為在CFD計(jì)算中各散熱部件的進(jìn)風(fēng)流量。

圖5　機(jī)艙截面速度流線(xiàn)示意

圖6　機(jī)艙截面溫度分布示意

表2　CFD計(jì)算的進(jìn)風(fēng)流量m3/h

4　冷卻系統(tǒng)一維三維耦合分析

三維CFD計(jì)算得到的散熱器出風(fēng)面的速度分布云圖如圖7所示。把速度矩陣導(dǎo)入AMESim軟件中換算成相應(yīng)的阻力矩陣，在計(jì)算中考慮散熱器表面速度分布不均勻的影響。圖8為從CFD導(dǎo)入AMESim中的散熱器表面速度分布一維計(jì)算結(jié)果。圖9為加入阻力矩陣后散熱器表面速度分布一維三維耦合計(jì)算結(jié)果。

圖7　散熱器的速度分布云圖

圖8　散熱器表面速度分布一維計(jì)算結(jié)果

圖9　散熱器表面速度分布一維三維耦合計(jì)算結(jié)果

由圖9可知，由于考慮三維計(jì)算結(jié)果的影響，散熱器表面的速度分布發(fā)生了變化，提高了一維仿真的精度。不同工況下一維計(jì)算結(jié)果如表3所列。

表3　不同工況下一維計(jì)算結(jié)果℃

由表3可知，中低速爬坡工況下，由于散熱器前溫度稍高，導(dǎo)致散熱器換熱能力下降，散熱器冷卻液進(jìn)水溫度為66.8℃，超過(guò)電機(jī)冷卻液進(jìn)口溫度范圍-30～65℃；高速平坦工況下，由于PCU及電機(jī)散熱量與中低速爬坡工況相當(dāng)，而散熱器前溫度相比中低速工況下略有降低，散熱器前風(fēng)速遠(yuǎn)大于中低速工況下散熱器前風(fēng)速，散熱器入水溫度為51.3℃；高速爬坡工況下，PCU及電機(jī)散熱量遠(yuǎn)大于中低速爬坡工況與高速平坦工況，散熱器前溫度與中低速及高速平坦相比沒(méi)有明顯增高，由于散熱器散熱能力有限，導(dǎo)致散熱器入水溫度達(dá)到67.3℃，超過(guò)了PCU及電機(jī)最佳冷卻水溫范圍。

5　冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

中低速爬坡和高速爬坡工況下，由于散熱器散熱能力有限，導(dǎo)致水溫超過(guò)PCU及電機(jī)最佳冷卻水溫范圍。需要考慮改善散熱器的冷卻進(jìn)風(fēng)量和進(jìn)風(fēng)溫度以降低冷卻水溫。而要改進(jìn)高速情況下的進(jìn)風(fēng)情況，單靠提高風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速效果不是很明顯，而且風(fēng)扇高速旋轉(zhuǎn)會(huì)損耗大量功率并帶來(lái)噪聲，圖10為冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖10　冷卻風(fēng)扇流量隨風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變化關(guān)系

通過(guò)CFD計(jì)算分析，低速段時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)冷卻風(fēng)流量影響較大，高速段時(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)冷卻風(fēng)流量影響較小。由圖10可知，隨著車(chē)速以及風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的提高，冷卻風(fēng)扇的流量有所提高，但低速段風(fēng)扇對(duì)冷卻風(fēng)流量影響較大，而高速段影響較小。

根據(jù)CFD結(jié)果中的截面流線(xiàn)圖（圖11和圖12）可知，在前保險(xiǎn)杠后部有一定區(qū)域的回流，產(chǎn)生了上下兩個(gè)明顯的漩渦，這對(duì)進(jìn)氣效率有一定影響；并且較多冷卻風(fēng)直接從前端模塊的兩側(cè)和底部流走，沒(méi)有被充分利用到散熱器組中去。因此，提出改進(jìn)冷卻系統(tǒng)的方案。

圖11　前端模塊Y截面流線(xiàn)圖

圖12　前端模塊Z截面流線(xiàn)圖

5.1　導(dǎo)流板的改進(jìn)設(shè)計(jì)

在前端模塊的兩側(cè)和底部加導(dǎo)流板，改變冷卻風(fēng)進(jìn)風(fēng)角度，使更多的冷卻風(fēng)通過(guò)散熱器組，提高散熱器組的進(jìn)風(fēng)流量，并且能在低速工況和怠速工況下阻擋熱風(fēng)回流。安裝的位置和角度如圖13所示。

圖13　導(dǎo)流板改進(jìn)方案示意圖

兩側(cè)導(dǎo)流板優(yōu)化方案Z截面流線(xiàn)圖如圖14所示。由圖14和圖12對(duì)比可以看出，下進(jìn)氣格柵的進(jìn)風(fēng)角度改善后，從前端模塊兩側(cè)流走的冷卻風(fēng)流向了散熱器組，更多的冷卻風(fēng)提高了冷卻效率。

圖14　兩側(cè)導(dǎo)流板優(yōu)化方案Z截面流線(xiàn)圖

改進(jìn)前后的進(jìn)風(fēng)量對(duì)比如圖15所示。散熱器在中低速的風(fēng)量提升5.05%，高速工況下風(fēng)量提升6.7%。參數(shù)輸入AMESim中進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果如表4所列。可知，散熱器出水溫度降低明顯，高速爬坡的最高水溫降低到62.1℃，比原來(lái)降低7%，其它工況也在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)。

圖15　導(dǎo)流板優(yōu)化方案風(fēng)量增加百分比

表4　優(yōu)化后不同工況下一維計(jì)算結(jié)果℃

5.2　試驗(yàn)驗(yàn)證

將優(yōu)化后的整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)安裝在試制樣車(chē)上進(jìn)行熱環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證。

對(duì)前端測(cè)量冷卻模塊進(jìn)行冷卻風(fēng)量測(cè)試，對(duì)比仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，低速工況冷卻風(fēng)量的誤差為2.3%，高速工況下誤差為2.8%；試驗(yàn)測(cè)試的冷卻風(fēng)量偏低。分析原因?yàn)闊岘h(huán)境倉(cāng)的流場(chǎng)穩(wěn)定性低于CFD仿真設(shè)定，會(huì)造成一定的偏差。對(duì)比水溫和PCU的出水溫度可得，散熱器的水溫和PCU的水溫都比計(jì)算值偏小3.5%，分析原因是環(huán)境倉(cāng)的環(huán)境溫度不穩(wěn)定以及整車(chē)浸車(chē)溫度無(wú)法達(dá)到平衡。但計(jì)算誤差均在工程應(yīng)用的范圍內(nèi)。在試驗(yàn)條件允許的情況下，可以考慮在熱環(huán)境風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)，保證流場(chǎng)的均勻性，并在試驗(yàn)前充分的浸車(chē)，從而提升試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

6　結(jié)束語(yǔ)

a.利用數(shù)值計(jì)算方法可以在汽車(chē)開(kāi)發(fā)的前期階段對(duì)汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)艙的氣流進(jìn)行研究，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低開(kāi)發(fā)成本。結(jié)合一維和三維的計(jì)算分析方法，證實(shí)該方法有效，適用汽車(chē)開(kāi)發(fā)前期的熱管理計(jì)算。

b.，在汽車(chē)下進(jìn)氣格柵加入導(dǎo)流板，改進(jìn)冷卻風(fēng)的進(jìn)風(fēng)角度，增加散熱器組冷卻風(fēng)的進(jìn)氣流量，從而改善散熱系統(tǒng)的性能。

c.通過(guò)最終的試驗(yàn)驗(yàn)證，車(chē)型整車(chē)熱管理系統(tǒng)達(dá)到整車(chē)性能要求。

作者：柳文斌1　袁俠義2　趙力1　林卉2　吳風(fēng)盛1

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