混合動力轎車后艙熱分析

陳德玲

（上海汽車集團股份有限公司 商用車技術(shù)中心，上海 200438）

混合動力轎車后艙熱分析

陳德玲

（上海汽車集團股份有限公司 商用車技術(shù)中心，上海 200438）

熱管理影響混合動力電動轎車的性能、安全和壽命，熱分析為熱管理提高了基礎(chǔ)和依據(jù)。根據(jù)后艙關(guān)鍵部件的熱特性以及車用環(huán)境，采用有限元方法對一混合動力電動轎車后艙的溫度場進行了分析計算。通過試驗驗證了仿真的正確性，為熱管理系統(tǒng)集成和優(yōu)化提供了依據(jù)。

混合動力電動轎車；熱分析；有限元法

0 引言

混合動力電動汽車同時配備了以蓄電池為電源的電力驅(qū)動系統(tǒng)和發(fā)動機。電力驅(qū)動系統(tǒng)的電源電壓一般在200～300V，一般由18～25個12V蓄電池串聯(lián)而成［1］?；旌蟿恿I車后艙內(nèi)溫度分布直接影響蓄電池及其附件的工作，過高的溫度使正極板充電效率變差，加速正極板氧化，電池壽命縮短。為保證正常蓄電池工作溫度范圍及電池系統(tǒng)的統(tǒng)一，減少各電池單元之間的不平衡，需要一個有效的熱管理系統(tǒng)。熱管理的主要任務(wù)是根據(jù)關(guān)鍵部件的熱特性以及車用環(huán)境，研究系統(tǒng)的流動與傳熱性能的靜動態(tài)發(fā)展過程、規(guī)律，分析系統(tǒng)各響應(yīng)之間的因果關(guān)系，研究部件子系統(tǒng)之間的影響機理和匹配原則［2］。而熱分析則為熱管理提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 熱分析概述

轎車后艙熱分析的對象是一個復(fù)雜的流體與熱系統(tǒng)相互作用的耦合場。傳熱過程中，熱量的傳播形式有3種：熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。轎車后艙中各部件與周圍空氣的熱交換過程中，除用于做功的能量其余全部轉(zhuǎn)化為熱能，與周圍的空氣進行熱交換，空氣又通過對流，在空間中不同位置間進行熱量交換。因此轎車后艙的熱傳遞主要以熱傳導(dǎo)和熱對流為主，忽略熱輻射作用，則整個后艙系統(tǒng)在直角坐標(biāo)系中滿足熱量平衡的微分方程［3］：

為使得上述熱量平衡方程有確定的解，則必須給定的邊界條件有

式中，ρ是材料密度；c是材料比熱容；t是時間；kx,ky,kz是材料沿物體x，y，z方向的導(dǎo)熱系數(shù)；Q=Q（x，y，z）是物體內(nèi)部的熱源密度；nx，ny，nz是邊界外法線的方向余弦；φ=（Γ，t）是在Γ1邊界上的給定 溫度；q=q（Γ，t）是在Γ2邊界上的給定熱流密度；h是對流換熱系數(shù)；φa=（Γ,t），對于Γ3邊界，在自然對流條件下，φa是外界環(huán)境溫度，在強迫對流條件下，是邊界層的絕熱壁溫度。Γ1，Γ2，Γ3分別為第一、第二、第三類邊界條件，Γ1+Γ2+Γ3=Γ，Γ則構(gòu)成整個系統(tǒng)的全部邊界。

熱分析的研究方法主要有數(shù)值仿真和試驗方法。仿真分析中根據(jù)系統(tǒng)的原型和假設(shè)條件，建立各零部件和總成的流動與傳熱分析模型，依據(jù)車用工況及相關(guān)物理參數(shù)，對模型進行數(shù)值計算。由于系統(tǒng)的形狀以及變溫條件的復(fù)雜性，依靠傳統(tǒng)的解析方法要精確地確定溫度場往往不可能，有限元是解決上述問題方便而有效的工具。該混合動力電動轎車熱分析中，采用ANSYS/FLOTRAN CFD作為工具，對后艙的溫度分布進行數(shù)值計算。

2 熱管理仿真分析

按照典型ANSYS/FLOTRAN CFD分析過程對該混合動力電動轎車進行有限元仿真分析。

2.1 確定分析邊界

將后艙中的空氣作為熱分析的研究對象。后艙的車身形狀確定了分析的區(qū)域，不考慮車身自身的熱傳遞情況，將車身的外表面作為車用工況，在邊界條件中體現(xiàn)。后艙中主要分總成是蓄電池總成，包括電池箱本體、蓄電池風(fēng)道、控制器等，如圖1所示。建模過程中，對車身模型進行簡化，確定熱分析區(qū)域。

圖1 簡化前后艙數(shù)模

2.2 確定流體的狀態(tài)

進行有限元計算前需要估計流體的特征，包括流體性質(zhì)、幾何邊界及流場的速度幅值的函數(shù)［4］。通過計算，后艙中雷諾系數(shù)Re＞104，且馬赫數(shù)小于0.3，故后艙的流體可認為是紊流不可壓縮流體，空氣密度在流動過程中保持不變。

環(huán)境溫度是流場的初始溫度，也是影響流體狀態(tài)的重要因素。計算過程中，根據(jù)實際試驗的溫度，假設(shè)各部件及周圍空氣的初始溫度是一致的，且各部件周圍的空氣為國際單位制下一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

2.3 生成有限元網(wǎng)格

劃分有限元網(wǎng)格必須先確定流場中哪個地方流體的梯度變化較大，如紊流模型靠近壁面的區(qū)域，網(wǎng)格密度必須較密，如果太粗，該網(wǎng)格就不能在求解中捕捉到由于巨大的變化梯度對流動造成的顯著影響。分析中，模型的邊界較為復(fù)雜，采用自由網(wǎng)格劃分，在靠近蓄電池的區(qū)域進行局部加密。

2.4 施加邊界條件

為進行有限元計算，必須在模型上施加必要的邊界條件。模型邊界條件的確定，必須在充分分析各總成熱特性的基礎(chǔ)上進行一定的簡化，建立傳熱模型。

2.4.1 蓄電池傳熱

蓄電池性能和壽命在很大程度上決定了混合動力電動汽車的性能和壽命。電池充放電過程中，存在電化學(xué)反應(yīng)放熱、電流通過內(nèi)阻產(chǎn)生焦耳熱以及過度充電產(chǎn)熱等［4］。

蓄電池放電特性通?？杀硎緸椋?］

式中，U0為蓄電池的開路端電壓；Ub為蓄電池放電時的端電壓；Ib為蓄電池放電電流；Ri為蓄電池的內(nèi)阻。

蓄電池放電時的輸出功率為

蓄電池的效率為

蓄電池能輸出的最大功率為

則蓄電池的最大生熱功率為

根據(jù)計算可得蓄電池在工作過程中對外界施加的熱流密度:

2.4.2 控制器傳熱

控制器由大量的電子元件組成。電子設(shè)備在工作過程中所消耗的電能，大部分轉(zhuǎn)化成熱量散發(fā)，同時電子設(shè)備內(nèi)部溫度迅速上升，若不及時散發(fā)，則可能導(dǎo)致器件過熱失效?？紤]到熱交換過程中，存在各部件間摩擦和空氣阻力等因素，一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，一部分熱量由各部件吸收，能量轉(zhuǎn)化為熱能的效率為90%，從而可根據(jù)其散熱特性獲得控制器的熱流密度。

2.5 求解

根據(jù)流場模型的特點，激活紊流模型和求解溫度方程選項，進行求解計算。求解過程中，通過觀察速度、壓力、溫度、動能和動能耗散率等紊流量以及有效粘性的變化率，監(jiān)視求解的收斂性及穩(wěn)定性。

2.6 檢查結(jié)果

由該混合動力電動轎車后艙有限元模型，計算得后艙溫度分布如圖2所示：

圖2a為從整個后艙的溫度分布云圖。圖中，蓄電池與控制器的結(jié)合部局部溫度較高，在蓄電池箱與控制器的左側(cè)交界處，由于電池箱散熱條件不好，最高溫度為46.818℃，蓄電池其余表面溫度分布基本一致，最高為38℃。

圖2b為從中間縱軸位置剖開的后艙溫度分布圖，圖中蓄電池表面溫度分布基本均勻，最高溫度在42℃左右，能夠滿足蓄電池的正常工作溫度。但當(dāng)蓄電池電流過大時，在蓄電池箱與控制器的交界處，由于散熱條件不好，產(chǎn)生熱量積聚，可能導(dǎo)致更高的溫度。由于蓄電池的工作范圍是-18℃～55℃，在這種非正常的工作情況下，未必能夠滿足蓄電池的正常工作溫度范圍。因此，建議在該處采取強化傳熱的措施。通過減小對流傳熱熱阻，設(shè)置擾動源，在對流傳熱熱阻大的一側(cè)加裝肋片，或增加散熱孔等，減小熱阻，進行對流換熱強化，增強散熱效果。

圖2 后艙溫度分布云圖

3 實車試驗結(jié)果與仿真分析比較

熱分析的另外一種方法是實車試驗。對該車進行試驗，測得4組溫度數(shù)據(jù)見表1。

表1 溫度檢測記錄 ℃

通過比較可以看出，實車試驗結(jié)果與有限元仿真分析的數(shù)值基本一致，驗證了有限元模型的正確性，也說明該車的熱管理系統(tǒng)能夠滿足整車及零部件的正常工作要求，但在蓄電池箱與控制器的交界處需要進行強化傳熱。

4 結(jié)論

通過對該混合動力電動轎車熱管理的仿真分析可以得到如下結(jié)論：

1）文中所作熱分析仿真結(jié)果與實車試驗結(jié)果基本一致；2）該車后艙內(nèi)溫度在正常情況下能夠滿足零部件工作溫度范圍要求；3）在非正常工況下可能導(dǎo)致更高的溫度，未必能夠滿足蓄電池的正常工作溫度范圍，建議在蓄電池箱與控制器交界處增加散熱孔進行強化傳熱。

［1］麻友良，陳全世.混合動力電動汽車用蓄電池不一致的影響分析［J］.汽車電器，2001（2）：5-9.

［2］張揚軍，李希浩，黃海燕，盧青春.燃料電池汽車動力系統(tǒng)熱管理［J］.汽車工程，2003,25（6）：561-565.

［3］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)［M.］西安：西安交通大學(xué)出版社，2001.

［4］趙東梅，谷中麗，王義春.電傳動車輛冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計［J］.車用發(fā)動機，2003（2）:16-19.

［5］趙興福，王仲范，鄧亞東，魏健.電動汽車蓄電池建模仿真［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：信息與管理工程版，2004,26（1）：151-154.

Thermal Analysis of the Back-cabin for Hybrid Electric Vehicle

Chen Deling
（Commercial Vehicle Technical Center,SAIC Motor，Shanghai 200438,China）

Thermal management affects the performance,safety and life of hybrid electric vehicles, while thermal analysis provides the foundation and gist for thermal management.The thermal analysis was carried out according to characters of key components in back-cabin with FEM.The analysis was verified by test results,and it provides the gist of design，integration and optimization for thermal management systems.

Hybrid Electric Vehicle（HEV）;thermal analysis;finite element method（FEM）

U469.72

A

1008-5483（2011）02-0001-03

2011-04-27

陳德玲（1976-），女，江蘇南通人，博士，從事CAE及車輛系統(tǒng)動力學(xué)分析與控制研究。