某純電動車型熱管理系統(tǒng)開發(fā)

柳文斌　袁俠義　趙力　林卉　吳風(fēng)盛

（1.廣汽豐田汽車有限公司，廣州　511455；2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州　510640）

某純電動車型熱管理系統(tǒng)開發(fā)

柳文斌1袁俠義2趙力1林卉2吳風(fēng)盛1

（1.廣汽豐田汽車有限公司，廣州511455；2.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州510640）

在本公司某車型的系統(tǒng)熱管理概念設(shè)計階段，通過采用一維和三維耦合仿真分析方法及三維CFD仿真分析方法對發(fā)動機(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。在車型開發(fā)后期通過整車環(huán)境模擬試驗驗證了仿真分析的正確性。該仿真分析方法不僅縮短了開發(fā)周期，而且為高效熱管理系統(tǒng)開發(fā)提供參考。

主題詞：熱管理系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)CFD

1　前言

為應(yīng)對純電動汽車對整車低阻力的要求，需嚴(yán)格控制散熱格柵的開口面積，這就對整車熱管理的難度提出了更高要求。傳統(tǒng)方法無法開發(fā)出高效的熱管理系統(tǒng)，并且開發(fā)時間長，開發(fā)成本昂貴［1］。隨著計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計算變得更加可靠，從而使得精確的整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)工作提前到概念設(shè)計階段。

汽車熱管理數(shù)值計算方法分為一維和三維，三維CFD計算可以考慮更多的細(xì)節(jié)，并能直觀給出空氣的流動狀態(tài)，但需要龐大的計算資源及精確的輸入數(shù)據(jù)，在現(xiàn)有的設(shè)計開發(fā)流程中很難做到［2］。而一維軟件雖然不能考慮所有的細(xì)節(jié)部分，但需要的計算資源少，計算時間短，不需要太多復(fù)雜的數(shù)據(jù)，而且使用三維CFD計算中沒有使用的熱傳遞計算公式，較適合冷卻系統(tǒng)的前期匹配計算。

在本公司領(lǐng)志純電動汽車整車熱管理系統(tǒng)開發(fā)中，為了提高整車熱管理的效率，借助CCM+、AMESim等軟件采用一維三維耦合仿真計算的方法，對整車熱管理進(jìn)行計算，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)該款車的冷卻系統(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)志純電動汽車熱管理系統(tǒng)主要由3個熱交換系統(tǒng)及電控系統(tǒng)組成，3個熱交換系統(tǒng)為整車散熱系統(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。

該車型的電池散熱系統(tǒng)采用風(fēng)冷方式，所以對乘客艙的制冷系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)的設(shè)計不造成影響。整車散熱系統(tǒng)的設(shè)計以發(fā)熱量從小到大的順序為原則，冷卻液依次冷卻充電機(jī)、PCU、電動機(jī)；設(shè)計目標(biāo)是在考核的工況下，冷卻液溫度≤65℃。根據(jù)純電動車型的性能和使用習(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

該車型一維整車熱管理系統(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CFD模型需要保留影響計算結(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，在計算敏感區(qū)域（汽車發(fā)動機(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)化來提高計算精度的目的。

圖4　面網(wǎng)格劃分示意

三維計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)體積的簡化模型以多孔介質(zhì)模型來代替。多孔介質(zhì)的設(shè)置要根據(jù)試驗得到的冷凝器、散熱器的阻力曲線獲得。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。

3.2CFD計算結(jié)果

三維CFD計算使用商業(yè)軟件CCM+，通過計算可以很直觀的顯示發(fā)動機(jī)艙的空氣流動以及溫度分布，同時得到通過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)行耦合計算，以提高計算的精度。表2為在CFD計算中各散熱部件的進(jìn)風(fēng)流量。

圖5　機(jī)艙截面速度流線示意

圖6　機(jī)艙截面溫度分布示意

表2　CFD計算的進(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算結(jié)果

圖9　散熱器表面速度分布一維三維耦合計算結(jié)果

由圖9可知，由于考慮三維計算結(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。不同工況下一維計算結(jié)果如表3所列。

表3　不同工況下一維計算結(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)計及試驗驗證

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)會損耗大量功率并帶來噪聲，圖10為冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和流量的對應(yīng)關(guān)系［3］。

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

通過CFD計算分析，低速段時風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對冷卻風(fēng)流量影響較大，高速段時風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對冷卻風(fēng)流量影響較小。由圖10可知，隨著車速以及風(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)扇對冷卻風(fēng)流量影響較大，而高速段影響較?。?］。

根據(jù)CFD結(jié)果中的截面流線圖（圖11和圖12）可知，在前保險杠后部有一定區(qū)域的回流，產(chǎn)生了上下兩個明顯的漩渦，這對進(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截面流線圖

圖12　前端模塊Z截面流線圖

5.1導(dǎo)流板的改進(jìn)設(shè)計

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截面流線圖如圖14所示。由圖14和圖12對比可以看出，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截面流線圖

改進(jìn)前后的進(jìn)風(fēng)量對比如圖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)行計算，得到的結(jié)果如表4所列?？芍?，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℃，比原來降低7%，其它工況也在設(shè)計要求的范圍內(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算結(jié)果℃

5.2試驗驗證

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

對前端測量冷卻模塊進(jìn)行冷卻風(fēng)量測試，對比仿真和試驗數(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%；試驗測試的冷卻風(fēng)量偏低。分析原因為熱環(huán)境倉的流場穩(wěn)定性低于CFD仿真設(shè)定，會造成一定的偏差。對比水溫和PCU的出水溫度可得，散熱器的水溫和PCU的水溫都比計算值偏小3.5%，分析原因是環(huán)境倉的環(huán)境溫度不穩(wěn)定以及整車浸車溫度無法達(dá)到平衡。但計算誤差均在工程應(yīng)用的范圍內(nèi)。在試驗條件允許的情況下，可以考慮在熱環(huán)境風(fēng)洞中進(jìn)行試驗，保證流場的均勻性，并在試驗前充分的浸車，從而提升試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

6　結(jié)束語

a.利用數(shù)值計算方法可以在汽車開發(fā)的前期階段對汽車?yán)鋮s系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)艙的氣流進(jìn)行研究，縮短開發(fā)時間，降低開發(fā)成本。結(jié)合一維和三維的計算分析方法，證實該方法有效，適用汽車開發(fā)前期的熱管理計算。

b.三維CFD計算分析表明，汽車的冷卻風(fēng)扇在低車速時冷卻效果較好，高車速時冷卻效果較小，在汽車下進(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.通過最終的試驗驗證，車型整車熱管理系統(tǒng)達(dá)到整車性能要求。

1谷正氣.汽車空氣動力學(xué).北京：人民交通出版社，2005.

2Francesco Fortunato，F(xiàn)ulvio Damiano，Luigi Di Matteo，et al. Underhood Cooling Simulation for Development of New Vehicles.SAE paper 2005-01-2046.

3梁小波，等.運用一維/三維聯(lián)合仿真的汽車熱管理分析.汽車工程，2010（4）：28～31.

4袁俠義，等.某SUV前端結(jié)構(gòu)對冷卻流量和內(nèi)流阻力的影響分析.汽車技術(shù)，2015（7）：4～9.

（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2016年7月28日。

Thermal Management System Development of a Pure Electric Vehicle

Liu Wenbin1，Yuan Xiayi2，Zhao Li1，Lin Hui2，Wu Fengsheng1
（1.Gac Toyota Motor Co.，Ltd.，Guangzhou 511455；2.Guangzhou Automobile Group Co.，Ltd.Automotive Engineering Institute，Guangzhou 510640）

In the concept design of thermal management system of a vehicle model made by GAC，simulation analysis and optimization of engine compartment layout and components’thermal parameter were made with 1D and 3D coupling simulation analysis and 3D CFD simulation analysis.Validity of simulation analysis was made through environment simulation test in the later stage of development.The simulation analysis method not only shortens development cycle，but also provides reference for the development of high efficient thermal management system.

Thermal management system,Cooling systems,CFD

U469.72

A

1000-3703（2016）09-0009-04