某城軌車輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)冷卻回路研究

羅長(zhǎng)才

(比亞迪機(jī)電設(shè)備有限公司，廣東 深圳 518118)

0 引 言

隨著膠輪有軌電車行業(yè)的快速發(fā)展，某城軌車輛作為電池動(dòng)力車輛的代表填補(bǔ)了新能源電車這一領(lǐng)域的空白。新能源電車對(duì)整車熱管理特別是電機(jī)冷卻系統(tǒng)有著更高的要求，電機(jī)系統(tǒng)的熱管理將直接影響電車系統(tǒng)的工作效率和車輛的行駛安全。

對(duì)于電動(dòng)車輛，車載動(dòng)力電機(jī)和電氣系統(tǒng)的溫度直接影響著其使用性能。當(dāng)電機(jī)溫度突然升高或者超過(guò)電機(jī)允許的最高溫度時(shí)，可能引發(fā)電機(jī)故障，甚至燒毀[1]，并且電氣部件對(duì)使用溫度也有一定的要求。因此，需要保證熱管理系統(tǒng)的高效可靠，才能提高動(dòng)力電機(jī)和電氣系統(tǒng)的使用效率和壽命。由此，熱管理的仿真技術(shù)對(duì)于現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)及其與整車的匹配優(yōu)化都具有重要意義。法國(guó)IMAGINE公司與法國(guó)雷諾汽車公司合作，利用IMAGINE公司開發(fā)的AMESim軟件對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，為發(fā)動(dòng)機(jī)改型和零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了預(yù)判，并大大縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間[2]。德國(guó)斯圖加特大學(xué)內(nèi)燃機(jī)與汽車工程研究所(IVK)利用KULI與Flowmaster軟件為福特汽車某一車型進(jìn)行冷卻系統(tǒng)瞬態(tài)性能的優(yōu)化，同時(shí)結(jié)合必要的風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證在仿真過(guò)程中提出的改進(jìn)措施，有效改善冷起動(dòng)時(shí)間內(nèi)的燃油經(jīng)濟(jì)性[3-4]。 德國(guó)FEV公司利用自身開發(fā)的1D熱管理分析軟件，結(jié)合3D計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件及該公司長(zhǎng)期積累的冷卻系統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)，在產(chǎn)品前期開發(fā)中進(jìn)行熱管理模擬分析與零部件的初步選型優(yōu)化[5]。

目前，動(dòng)力電機(jī)的冷卻技術(shù)根據(jù)其介質(zhì)不同，可分為氣流冷卻和液流冷卻[6]。采用氣流冷卻的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、可靠、成本較低，缺點(diǎn)是冷卻效果較差，同時(shí)空氣在電機(jī)中流動(dòng)引起的摩擦損耗比較大，從而使得電機(jī)的使用效率大幅降低[7]。相比于氣體，液體具有很高的比熱和很強(qiáng)的導(dǎo)熱能力，因此采用液流冷卻具有很好的散熱效果。1956 年，英國(guó)首先使用液流冷卻電機(jī)[8]，此后液流冷卻大功率電機(jī)的技術(shù)開始迅速發(fā)展與推廣。對(duì)于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電機(jī)和電氣系統(tǒng)，采用液流冷卻可以迅速帶走大量的熱量，實(shí)現(xiàn)其溫度的快速降低。

在新能源電動(dòng)車輛的設(shè)計(jì)定型過(guò)程中，由于整車空間布置和外觀設(shè)計(jì)需求，電機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱器被裙板、電池、電器控制柜以及控制柜擋板包圍，可能存在風(fēng)量不足、散熱性能下降導(dǎo)致極限工況下系統(tǒng)過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)。某城軌車輛設(shè)計(jì)定型過(guò)程中，由于整體布置的限制恰好使冷凝風(fēng)機(jī)被遮擋。本文采用基于STAR CCM+的三維數(shù)值仿真與雙向設(shè)計(jì)的一維校核計(jì)算相結(jié)合的方法，評(píng)估該遮擋對(duì)整個(gè)冷卻回路散熱能力的影響。

1 原理介紹

1.1 流體力學(xué)理論

在計(jì)算流體力學(xué)中，流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律所遵守的相關(guān)準(zhǔn)則都以數(shù)學(xué)方程的形式表達(dá)出來(lái)，這通常是作為從理論基礎(chǔ)上解決實(shí)際工程問(wèn)題的第一步。計(jì)算流體力學(xué)基本控制方程主要包括連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒定律)、Navier-Stokes(N-S)方程(動(dòng)量守恒定律)、能量方程(能量守恒定律)。本文只對(duì)冷卻系統(tǒng)的空氣流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，不涉及溫度場(chǎng)。因此仿真軟件只求解連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程。實(shí)際工程問(wèn)題中，多數(shù)流體流動(dòng)呈現(xiàn)為湍流，STAR CCM+ 軟件中用于湍流流動(dòng)的模型有k-ε湍流模型、k-w湍流模型、RSM 湍流模型等，本文采用k-ε湍流模型。流場(chǎng)特性分析運(yùn)用的計(jì)算流體力學(xué)基本控制方程及湍流模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示。

(1) 連續(xù)性方程[9]：

(1)

式中：ρ為密度；t為時(shí)間；u、v、w為速度矢量V在x、y、z方向上的分量。

(2) 動(dòng)量守恒方程(N-S方程)[10]：

(2)

(3)

(4)

式中：p為壓力；τxx、τyx、τzx、τxy、τyy、τzy、τxz、τyz、τzz等為黏性應(yīng)力τ分量；fx、fy、fz為x、y、z方向上的單位質(zhì)量力。

(3)k-ε湍流模型方程[11]：

Gk+Gb-ρε-Ym+Sk

(5)

式中：Gk為速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)；Ym為脈動(dòng)擴(kuò)張項(xiàng)；σk為與湍動(dòng)能k和耗散率相對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；Sk為用戶自定義的源項(xiàng);xj為笛卡爾坐標(biāo)方向軸；ui為湍流脈動(dòng)速度；μ為動(dòng)力黏度；μt為湍流黏度。

1.2 逆向校核方法

借用傳熱單元數(shù)法的計(jì)算結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新地繞過(guò)繁瑣的有效度ε的計(jì)算，結(jié)合電機(jī)冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)，合理設(shè)定ε的范圍，并論證該范圍的合理性，以及在此范圍內(nèi)誤差的可控性，最終得到一個(gè)滿足實(shí)際應(yīng)用要求的評(píng)估結(jié)果。

(6)

(7)

(8)

(9)

對(duì)于順流式、逆流式換熱器，均可通過(guò)以上兩個(gè)特征數(shù)推導(dǎo)其與有效度ε的關(guān)系，并繪制圖表。因此，可根據(jù)如下匹配原則反向校核換熱器工作狀態(tài)，其中邊界要求為氣體出口溫度不大于冷卻液出口溫度，并對(duì)剩余匹配量作出偏差范圍要求(±2%)。在迭代仿真計(jì)算散熱器的散熱所需面積、整體散熱量參數(shù)時(shí)定義結(jié)構(gòu)環(huán)境定量、調(diào)試量、匹配量變量類型等,具體如表1所示。其中結(jié)構(gòu)環(huán)境定量為迭代仿真的環(huán)境輸入?yún)?shù)，調(diào)試量為迭代仿真計(jì)算時(shí)的目標(biāo)變量參數(shù)，匹配量為迭代仿真計(jì)算散熱器輸出結(jié)果數(shù)據(jù)。

表1 迭代依據(jù)

2 仿真分析

2.1 仿真模型簡(jiǎn)化及邊界設(shè)置

根據(jù)車輛底部數(shù)模，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化仿真不必要的圓角、螺栓等細(xì)節(jié)，提煉出可能對(duì)流場(chǎng)影響較大的特征形狀后，處理得到簡(jiǎn)化的仿真模型如圖1所示，其中的風(fēng)扇部分由給定風(fēng)量反向設(shè)計(jì)得到，如圖2所示。

圖1 簡(jiǎn)化模型

圖2 冷凝風(fēng)扇

圖3～圖5為采用六面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的流體域，網(wǎng)格劃分基準(zhǔn)尺寸為100 mm，并設(shè)置合理的邊界層數(shù)和增長(zhǎng)比。進(jìn)口邊界條件設(shè)置為列車行駛速度80 km/h，并設(shè)置風(fēng)扇區(qū)域旋轉(zhuǎn)中心及旋轉(zhuǎn)速度，出口邊界條件采用壓力出口，設(shè)置靜壓為0 Pa，其余壁面設(shè)置為不滑移條件。

圖3 結(jié)構(gòu)透視圖

圖4 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

圖5 無(wú)遮擋的模型

2.2 計(jì)算分析

2.2.1 無(wú)牽引座遮擋情況

圖6和圖7所示計(jì)算結(jié)果分別為列車靜止和速度為80 km/h且無(wú)車體牽引座遮擋情況下，風(fēng)扇以2 200 r/min轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，流場(chǎng)中的流線分布情況?？梢婌o止時(shí)風(fēng)扇出口空氣受電池包和擋板的影響形成部分繞流，而列車以80 km/h正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，空氣可經(jīng)出口向后出風(fēng)，較為暢通。列車速度為80 km/h時(shí)無(wú)遮擋工況風(fēng)扇流量為2 691 m3/h；列車靜止時(shí)無(wú)遮擋工況風(fēng)扇流量為2 746 m3/h。

圖6 列車靜止時(shí)無(wú)遮擋的流線圖

圖7 列車速度80 km/h時(shí)無(wú)遮擋的流線圖

2.2.2 考慮遮擋情況

圖8所示為散熱器在列車速度為80 km/h，受到裙板及車體遮擋情況下，風(fēng)扇以2 200 r/min轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，流場(chǎng)中的流線分布情況?？梢娍諝庠谡趽跆幨茏?，流線發(fā)生彎曲，形成回流，會(huì)引起流動(dòng)的損失和高溫?zé)釟獾牧舸妗?/p>

計(jì)算得到流量為0.648 kg/s，即2 449 m3/h。車體牽引座引起的流量損失為10.9%，從風(fēng)量上看并未產(chǎn)生特別大的影響。假如將散熱器繼續(xù)抬升50 mm，在同樣的邊界條件下，流量損失維持在11.4%左右?？梢娚崞魈?0 mm并不會(huì)對(duì)風(fēng)量產(chǎn)生很大影響。

圖8 有車體牽引座遮擋的流線圖

2.2.3 CFD結(jié)果匯總分析

烏有盯了李離一眼，又轉(zhuǎn)向一邊發(fā)呆的吳耕：“我們李家的孩子，懂一點(diǎn)棋，沒什么，你小子渾頭渾腦的，莫非也下過(guò)棋？”

將數(shù)值仿真結(jié)果與一維熱設(shè)計(jì)校核結(jié)果匯總，如表2所示。列車靜止且無(wú)車體牽引座遮擋時(shí)風(fēng)量達(dá)到最大，列車速度為80 km/h且無(wú)車體牽引座遮擋時(shí)風(fēng)量損失為2.1%，可見列車行駛并不會(huì)對(duì)風(fēng)量有很大影響。車體牽引座的遮擋對(duì)風(fēng)扇進(jìn)出風(fēng)阻有一定的正向作用，相同轉(zhuǎn)速下會(huì)減少10.9%的風(fēng)量；相同情況下，散熱器的抬升對(duì)于風(fēng)量影響較小，僅為0.5%。

表2 仿真計(jì)算結(jié)果 %

2.3 散熱器參數(shù)評(píng)估

2.3.1 散熱器面積評(píng)估

根據(jù)表2散熱器仿真計(jì)算結(jié)果參數(shù)，對(duì)比理論設(shè)計(jì)值以評(píng)估散熱器設(shè)計(jì)裕度。根據(jù)表3核算散熱器面積。散熱器傳熱系數(shù)0.185 kW/(m2·℃)為經(jīng)驗(yàn)值，進(jìn)出口水溫為極限工況下的最小散熱溫差，考慮到使用過(guò)程中冷卻液的沉積和散熱需求的余量，預(yù)留足夠的裕度，僅以理論最嚴(yán)計(jì)算。表4中展示了兩種不同的散熱器散熱面積算法，其核心區(qū)別是對(duì)于流體平均溫度的處理，根據(jù)公式Fs=Q水/(Ks·ΔTm)可知，由于Ks為經(jīng)驗(yàn)值，該公式的準(zhǔn)確性取決于ΔTm的算法，根據(jù)文獻(xiàn)[12]，本文認(rèn)為對(duì)數(shù)平均溫度準(zhǔn)確性優(yōu)于算術(shù)平均溫度，并以此來(lái)判定散熱面積裕度。

表3 散熱面積 m2

表4 散熱器面積Fs評(píng)估

2.3.2 極限工況下風(fēng)量損失對(duì)散熱器影響

根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果評(píng)估散熱器通風(fēng)量減少11.4%對(duì)整體散熱能力的影響。風(fēng)量的減少會(huì)影響散熱能力及冷卻液回流溫度。冷卻回路分兩種情況，冷卻回路A散熱元件：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、牽引逆變器；冷卻回路B散熱元件：驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、牽引逆變器、雙向DC、輔助電源。極端工況下的冷卻需求見表5。聯(lián)立兩冷卻回路求解，冷卻液流量和風(fēng)量需求計(jì)算結(jié)果見表6，其中風(fēng)量與目前實(shí)際使用風(fēng)扇相符，實(shí)際冷卻液流量暫未取得。

在減少11.4%風(fēng)量的情況下，反算極端工況下散熱量為13.7 kW，空氣經(jīng)散熱器升溫減少0.6 ℃，極端情況下散熱器冷卻液回流溫度相應(yīng)提升，考慮到此計(jì)算基礎(chǔ)為實(shí)際需求的散熱面積，并未體現(xiàn)目前面積下的散熱情況，且極端工況少有出現(xiàn)，評(píng)估認(rèn)為不會(huì)影響整個(gè)散熱系統(tǒng)性能，不會(huì)觸發(fā)過(guò)熱警報(bào)。

表5 極端工況冷卻需求

表6 散熱能力計(jì)算

2.3.3 損失風(fēng)量對(duì)散熱系統(tǒng)整體溫度的影響分析

以目前散熱器面積以及極限工況下散熱器空氣流量和冷卻水流量核算目前散熱系統(tǒng)溫升，通過(guò)傳熱單元數(shù)法評(píng)估冷卻水最高溫度[13]。該方法目的是在換熱器計(jì)算過(guò)程中避開未知的流體溫度，其所根據(jù)的仍然是換熱器的傳熱方程和熱平衡方程。該算法的核心是關(guān)于三對(duì)數(shù)值的匹配，分別為實(shí)際平均溫度與計(jì)算平均溫度、實(shí)際面積與計(jì)算面積以及實(shí)際換熱量和換熱需求，調(diào)整特征數(shù)以匹配這三個(gè)量[14]，當(dāng)匹配數(shù)值相近時(shí)認(rèn)為此時(shí)的流體溫度就是實(shí)際工作的流體溫度。

經(jīng)過(guò)對(duì)平均溫差的匹配計(jì)算，得到極限工況的輸入?yún)?shù)(見表7)和迭代匹配計(jì)算參數(shù)(見表8)，仿真計(jì)算系統(tǒng)最高溫度為69.5 ℃，低于系統(tǒng)超溫警報(bào)的80 ℃標(biāo)準(zhǔn)。即使最高溫度達(dá)到80 ℃，該款散熱器散熱量為21 kW，對(duì)比15.5 kW散熱需求，該散熱器具有足夠散熱裕度，符合設(shè)計(jì)要求。

表7 輸入?yún)?shù)表

表8 迭代匹配計(jì)算參數(shù)表

3 逆向校核的分析

3.1 誤差來(lái)源

本文中研究的平行流式換熱器因技術(shù)原因缺乏推導(dǎo)所需關(guān)鍵尺寸，所以ε的取值參考已有資料的換熱器參數(shù)，根據(jù)實(shí)際Ntu與C，得到ε值。本文在參考多種形式換熱器后結(jié)合帶翅片平行流換熱器特點(diǎn)，認(rèn)為ε取值0.7～0.9是合理的，并以此作為依據(jù)進(jìn)行研究。因其余定量與匹配量均為實(shí)際換熱器與環(huán)境參數(shù)，不考慮誤差,所以該方法的誤差來(lái)源主要是未知量ε的取值。

3.2 誤差造成的影響和反思

經(jīng)過(guò)迭代發(fā)現(xiàn)ε應(yīng)為0.79～0.81才能同時(shí)滿足匹配量的需求，在此基礎(chǔ)上調(diào)整進(jìn)口水溫進(jìn)行迭代匹配，結(jié)果如表9所示。可以看出最高溫度取值69.5～69.8 ℃符合偏差范圍要求(±2%)，如果最高溫度取值超過(guò)±0.3 ℃時(shí)會(huì)導(dǎo)致偏差超出控制范圍。對(duì)于本文研究的電機(jī)冷卻系統(tǒng)，可以采用上述反向校核方法的原因主要在于，用強(qiáng)迫對(duì)流空氣冷卻水的換熱過(guò)程中，水和空氣的熱容差距很大，這就使空氣系統(tǒng)的容錯(cuò)率得以提升，空氣系統(tǒng)的小幅改變并不會(huì)引起冷卻水系統(tǒng)的大幅變化。平行流式換熱器本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其換熱能力較強(qiáng)，有效度較高。

表9 調(diào)整進(jìn)口水溫的迭代匹配表

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)方法

在列車滿載10.5 t、環(huán)境溫度35 ℃的情況下，牽引滿級(jí)起動(dòng)加速至線路最大車速80 km/h時(shí)，實(shí)施最大常用制動(dòng)減速停車，進(jìn)行折返運(yùn)行，其中最高車速勻速時(shí)間不少于10 s，折返停頓時(shí)間不少于20 s，連續(xù)運(yùn)行1 h以上直至牽引系統(tǒng)的溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的極端工況，然后采集冷卻系統(tǒng)關(guān)鍵點(diǎn)溫度，采集點(diǎn)如圖9所示。在散熱器、輔助變壓器、牽引逆變器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)冷卻水路進(jìn)出口、散熱器空氣進(jìn)出口處布置溫度傳感器，共10個(gè)位置，并通過(guò)CAN總線讀取牽引逆變器采集的驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組溫度。通過(guò)采集溫度變化數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證仿真數(shù)據(jù)。

圖9 溫度采集點(diǎn)布置圖

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

牽引系統(tǒng)的溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,在試驗(yàn)功率的狀態(tài)下連續(xù)采集關(guān)鍵點(diǎn)20 min的溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后得出表10的試驗(yàn)結(jié)果。車輛在極端工況下，電機(jī)的工作處于正常溫度范圍內(nèi)，電機(jī)冷卻系統(tǒng)可以較好地發(fā)揮冷卻作用；驅(qū)動(dòng)電機(jī)和散熱器的進(jìn)口、出口最高溫度，風(fēng)扇的進(jìn)風(fēng)口、出風(fēng)口最高溫度同仿真數(shù)據(jù)基本一致，進(jìn)一步說(shuō)明電機(jī)冷卻系統(tǒng)裕度較好。

表10 試驗(yàn)結(jié)果 ℃

5 結(jié) 語(yǔ)

數(shù)值仿真結(jié)果、試驗(yàn)結(jié)果與一維熱設(shè)計(jì)校核結(jié)果表明散熱器散熱面積與散熱器正面面積均具有足夠余量。

通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了該三維仿真方法結(jié)合多種一維校核評(píng)估方法來(lái)驗(yàn)證電機(jī)系統(tǒng)冷卻方案是可行的，可以在后續(xù)項(xiàng)目中使用。