某插電式混合動(dòng)力轎車熱管理仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

裴建權(quán) 陳群 張志強(qiáng)

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130000）

某插電式混合動(dòng)力轎車熱管理仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

裴建權(quán) 陳群 張志強(qiáng)

（中國第一汽車股份有限公司技術(shù)中心，長春 130000）

利用Star-CCM+軟件和Flowmaster軟件，建立了某款插電式混合動(dòng)力轎車（PHEV）熱管理仿真模型，對(duì)該車發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行了CFD分析和冷卻系統(tǒng)一維模擬分析。根據(jù)仿真結(jié)果，針對(duì)機(jī)艙前端進(jìn)氣泄漏嚴(yán)重、熱反流、低溫冷卻系統(tǒng)冷卻水溫較高、低溫電子部件冷卻不足等問題，提出優(yōu)化冷卻模塊布置及改善機(jī)艙進(jìn)氣密封性等優(yōu)化措施，該優(yōu)化方案滿足了冷卻設(shè)計(jì)要求。

1 前言

插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）因具有良好的節(jié)能減排效果而越來越受到各大汽車廠商的高度重視。與傳統(tǒng)車相比，混合動(dòng)力汽車由于增加了電動(dòng)部件，其冷卻系統(tǒng)更為復(fù)雜，這就對(duì)自身熱管理提出了更高要求。事實(shí)上，隨著近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，利用仿真方法進(jìn)行熱管理系統(tǒng)開發(fā)已成為混合動(dòng)力汽車設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要手段[1，2]。

本文應(yīng)用Star-CCM+軟件和Flowmaster軟件，針對(duì)某款新開發(fā)的插電式混合動(dòng)力轎車建立了熱管理仿真模型，對(duì)該車發(fā)動(dòng)機(jī)艙和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置和冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在的問題提出了優(yōu)化措施，優(yōu)化方案滿足了冷卻設(shè)計(jì)需求，為整車熱管理開發(fā)提供了技術(shù)支持。

2 仿真模型建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場計(jì)算數(shù)學(xué)模型

利用Star-CCM+軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氣體流動(dòng)仿真模型，通過求解連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程獲得機(jī)艙內(nèi)部氣體流動(dòng)及溫升情況，湍流流動(dòng)使用標(biāo)準(zhǔn)K-Epslion模型。由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氣體流速遠(yuǎn)低于1/3音速,也就是空氣流速低于408 km/h，空氣按照不可壓縮氣體來處理[3]。

2.1.2 冷卻系統(tǒng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型

利用Flowmaster軟件建立冷卻系統(tǒng)仿真模型，一維分析中主要的換熱模型[4]為：

式中，Q為換熱器的交換熱量；c為比熱容；m為質(zhì)量流量；Tin為換熱器入口流體溫度；Tout為換熱器出口流體溫度；1代表換熱器內(nèi)部流體；2代表空氣側(cè)流體。

2.2 仿真幾何模型

2.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙數(shù)值仿真模型

該款混合動(dòng)力轎車發(fā)動(dòng)機(jī)艙計(jì)算域三維模型如圖1所示。將整車放置于虛擬的環(huán)境風(fēng)洞中，車頭前端空間取車長的3倍，車尾后端空間取車長的6倍，車頂上部空間取車高的5倍，車體側(cè)面空間取車寬的5倍。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙計(jì)算域三維模型

利用Star-CCM+軟件進(jìn)行模型處理和網(wǎng)格劃分，整個(gè)計(jì)算域用trim生成體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為1 800萬，并根據(jù)計(jì)算需要對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙中截面網(wǎng)格示意

2.2.2 一維冷卻系統(tǒng)仿真模型

對(duì)于混合動(dòng)力汽車，由于其新增電子部件對(duì)冷卻水溫要求較低，因此混合動(dòng)力汽車一般有高/低溫兩套冷卻回路系統(tǒng)。本文所研究的混合動(dòng)力轎車的高/低溫冷卻回路系統(tǒng)功能為：高溫冷卻回路對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、暖風(fēng)等高溫部件進(jìn)行冷卻；低溫冷卻回路針對(duì)逆變器（IPU）、電機(jī)、中冷器等低溫部件進(jìn)行冷卻。

利用Flowmaster軟件搭建整車?yán)鋮s系統(tǒng)仿真模型。各冷卻部件阻力參數(shù)及換熱特性根據(jù)廠商臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。根據(jù)冷卻系統(tǒng)內(nèi)各部件之間的連接關(guān)系分別搭建高/低溫冷卻回路系統(tǒng)模型，如圖3所示。

2.3 計(jì)算邊界

整車熱管理仿真分析工況為整車熱平衡工況，車輛按照低速爬坡（40 km/h）、高速爬坡(90 km/h)及無坡高速（140 km/h）工況進(jìn)行仿真分析。仿真過程分為兩個(gè)階段，首先進(jìn)行三維發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場分析，最后進(jìn)行一維冷卻系統(tǒng)冷卻分析，其中風(fēng)側(cè)計(jì)算邊界由三維發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場分析得出。

圖3 冷卻系統(tǒng)一維計(jì)算模型

2.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙CFD分析邊界

a.發(fā)動(dòng)機(jī)艙仿真風(fēng)洞入口采用速度入口，出口采用壓力出口。

b.換熱器冷卻模塊采用多孔介質(zhì)，其中慣性阻尼和粘性阻尼通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得出；換熱器散熱量由各相關(guān)部門提供；風(fēng)扇采用MRF模型處理，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速設(shè)定為其最高轉(zhuǎn)速；車輪采用旋轉(zhuǎn)壁面處理，其旋轉(zhuǎn)角速度由車速換算得出。

2.3.2 冷卻系統(tǒng)計(jì)算邊界

a.冷卻系統(tǒng)各部件流阻特性根據(jù)廠商試驗(yàn)獲得，發(fā)熱量由各相關(guān)部門提供；

b.水泵泵水特性及散熱器換熱特性根據(jù)廠商試驗(yàn)獲得；

c. 散熱器風(fēng)側(cè)邊界由三維發(fā)動(dòng)機(jī)艙CFD計(jì)算得出。

3 仿真結(jié)果分析

本文對(duì)該款插電式混合動(dòng)力轎車進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)艙和冷卻系統(tǒng)仿真，分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)氣體流動(dòng)及冷卻系統(tǒng)冷卻狀況。

3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場仿真結(jié)果

圖4為發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場仿真結(jié)果。從圖4a可看出，冷卻氣流在散熱器兩側(cè)水室與冷卻框架之間的間隙處存在明顯的回流現(xiàn)象，這部分熱反流氣體往復(fù)冷卻換熱器，降低了換熱器換熱效率。由圖4b可看出，經(jīng)格柵進(jìn)來的冷卻氣流在冷卻模塊前端兩側(cè)發(fā)生大量泄漏，且這種泄漏問題隨整車車速提升進(jìn)一步加大，如圖4c所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場分析結(jié)果

表1為各工況下冷卻回路高/低溫散熱器入口風(fēng)量和風(fēng)溫統(tǒng)計(jì)結(jié)果。由表1可知，低溫散熱器進(jìn)風(fēng)風(fēng)溫較高，接近50℃，這可能導(dǎo)致低溫回路中電子部件有過熱風(fēng)險(xiǎn)。低溫散熱器進(jìn)風(fēng)溫度高是由于機(jī)艙前端進(jìn)氣泄漏使散熱器冷卻風(fēng)量降低而導(dǎo)致，后續(xù)需進(jìn)行密封優(yōu)化。

表1 各工況下散熱器入口風(fēng)量和風(fēng)溫統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果

將散熱器入口邊界條件輸入一維計(jì)算模型，得出冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果，如表2所列。由表2可知，低溫冷卻回路整體冷卻水溫較高，其中IPU和電機(jī)在部分工況下冷卻水溫超出目標(biāo)限值，需要優(yōu)化低溫冷卻回路。高溫冷卻回路DCT油溫較高，但可穩(wěn)定在許用溫度限值之內(nèi)，初步分析可以接受。

表2 冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果 ℃

4 優(yōu)化方案

原車型由于低溫散熱器布置在冷凝器后端，空氣先經(jīng)過冷凝器加熱再經(jīng)過散熱器，這就不可避免地導(dǎo)致低溫散熱器入口風(fēng)溫較高，從而升高了低溫散熱器水路出水溫度，不能滿足低溫回路中低溫電子部件的冷卻要求。根據(jù)混合動(dòng)力汽車?yán)鋮s需求提出改進(jìn)方案，即在保證空調(diào)性能的前提下，采取在冷凝器前方增加小型低溫散熱器的措施，用于滿足對(duì)水溫要求高的低溫電子部件的冷卻，而原低溫散熱器僅用于單獨(dú)冷卻中冷器，高溫冷卻方案維持不變。前端冷卻模塊優(yōu)化后布置方案見圖5。

圖5 前端冷卻模塊布置優(yōu)化

針對(duì)前述分析中出現(xiàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端存在進(jìn)氣泄漏及反流問題，通過優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端導(dǎo)流板設(shè)計(jì)來減少前端進(jìn)氣泄漏，同時(shí)在散熱器四周增設(shè)密封件避免反流發(fā)生，優(yōu)化方案如圖6所示。

圖6 散熱器與冷卻框架間隙密封位置

5 優(yōu)化結(jié)果分析

5.1 優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場分析

優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場分析結(jié)果

由圖7可看出，采取優(yōu)化方案后，消除了低速工況熱反流問題，減少了機(jī)艙前端兩側(cè)的進(jìn)氣泄漏。得益于此，高溫散熱器進(jìn)氣效率提高，進(jìn)風(fēng)量增加，換熱能力提高，圖8為優(yōu)化前、后高溫散熱器進(jìn)風(fēng)量及進(jìn)氣效率對(duì)比結(jié)果。

圖8 優(yōu)化前、后高溫散熱器進(jìn)風(fēng)情況對(duì)比結(jié)果

5.2 優(yōu)化后冷卻系統(tǒng)分析

表3為采取優(yōu)化方案后冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果。由表3可知，通過增加小低溫散熱器，改善了低溫電子部件冷卻風(fēng)側(cè)條件，整個(gè)低溫回路冷卻水溫明顯降低，IPU和電機(jī)處入水溫度降低25%，均能夠平衡在溫度限值以下，保證了低溫電子部件的可靠性要求。對(duì)于高溫回路，增加小型低溫散熱器后，雖然一定程度增加了發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部進(jìn)氣阻力，但通過合理密封措施，高溫散熱器進(jìn)氣效率提高20%，進(jìn)風(fēng)量整體提升15%，發(fā)動(dòng)機(jī)水路出口出水溫度和DCT油溫略有降低，冷卻能力提高。

表3 優(yōu)化后冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果

6 結(jié)束語

采用發(fā)動(dòng)機(jī)艙CFD分析和冷卻系統(tǒng)一維模擬分析方法，建立了某款新開發(fā)插電式混合動(dòng)力轎車熱管理仿真模型，對(duì)該車發(fā)動(dòng)機(jī)艙和冷卻系統(tǒng)狀況進(jìn)行了分析評(píng)估，并針對(duì)存在的問題提出了優(yōu)化方案。通過增加小型低溫散熱器改善低溫電子部件冷卻風(fēng)側(cè)條件，通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)氣密封減少了冷卻氣體泄漏并消除熱反流。優(yōu)化后，高溫散熱器進(jìn)風(fēng)量整體提升15%，進(jìn)氣效率提升20%，低溫部件IPU和電機(jī)水路入水溫度降低25%，滿足了冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

1 Christoph Stroh,Rudolf Reitbauer.Increasing the Reliability of Designing a Cooling Package by Applying Joint 1D/3D Simulation.SAE,2006(1).

2 Norihiko Watanabe,Masahiko Kubo.An 1D-3D Integrating Numerical Simulation for Engine Cooing Problem.SAE,2006(1).

3 扶原放.轎車外流場的數(shù)值模擬：[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2002.

4 張俊巖，陳月，孫玉，等.SUV車型發(fā)動(dòng)機(jī)艙流場及冷卻系統(tǒng)性能分析.拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車，2015(3):46～49.

（責(zé)任編輯 文 楫）

修改稿收到日期為2017年3月9日。

Thermal Management Simulation Analysis and Optimization Design of APHEV

Pei Jianquan,Chen Qun,Zhang Zhiqiang
（China FAW Group Corporation Limited R&D Center）

Thermal management simulation analysis model of a Plug-in Hybrid Electric Vehicle（PHEV）based on Star-CCM+and Flowmaster was established,engine compartment air flow CFD analysis was conducted and one dimensional simulation and analysis of cooling system were carried out.Such as the intake air leaks seriously at the front end of the cabin,thermal reflux,low-temperature cooling system cooling water temperature is high,and insufficient cooling of low-temperature electronic components.To solve problems,measures such as optimizing cooling module layout,improving air intake tightness of engine compartment were put forward based on simulation results.This optimization satisfies the cooling requirements of the design.

PHEV,Thermal management,Simulation analysis

PHEV 熱管理 模擬分析

U462.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-3703（2017）10-0040-04