某增程車型熱管理系統(tǒng)的仿真分析

周 濤，傅 豪

某增程車型熱管理系統(tǒng)的仿真分析

周 濤，傅 豪*

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

為了保證整車各系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，提高整車能源利用率，需要在開發(fā)階段預(yù)測整車熱管理系統(tǒng)在不同工況下的溫度、流量等特性，評估各個部件能否滿足換熱需求。文章通過搭建多回路、可控制的復(fù)雜換熱系統(tǒng)一維模型，用于對某增程車型的熱管理系統(tǒng)進行仿真，計算極限工況下各部件達到熱穩(wěn)態(tài)時的平衡溫度和時間，并判斷能否滿足各部件冷卻需求，以及確定不同暖風(fēng)狀態(tài)對電池水加熱時間的影響。通過計算后確定，該機型高溫極限工況能夠滿足系統(tǒng)冷卻需求，但在低溫冷啟動暖風(fēng)開啟后存在水溫超標的風(fēng)險，不同暖風(fēng)狀態(tài)對電池加熱時間的影響很小。

整車熱管理；換熱；平衡溫度；暖風(fēng)狀態(tài)

傳統(tǒng)燃油汽車一般僅需對發(fā)動機進行冷卻，而發(fā)動機與空調(diào)系統(tǒng)又相對獨立，因此，所匹配的熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一、控制簡單。然而隨著油電混合汽車的發(fā)展，整車加入了越來越多的發(fā)熱元件、換熱元件和控制元件，且各個系統(tǒng)所需求的溫度不盡相同，因此，相關(guān)系統(tǒng)的有機結(jié)合是一項比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

目前行業(yè)內(nèi)對整車熱管理仿真的手段和方式比較多元化，其中東北大學(xué)利用AMESim對混合動力汽車整車熱管理系統(tǒng)在新歐洲駕駛周期（New European Driving Cycle, NEDC）工況下進行仿真分析，通過優(yōu)化使得的熱管理系統(tǒng)滿足各動力部件最佳溫度范圍需求[1]；一汽利用SIMULIA首先進行數(shù)字熱環(huán)境風(fēng)洞建立和標定，后使用熱管理仿真優(yōu)化冷卻部件布局和參數(shù)，實現(xiàn)冷卻系統(tǒng)及其布置優(yōu)化設(shè)計[2]；同濟大學(xué)汽車利用GT-Suite搭建發(fā)動機-冷卻系統(tǒng)耦合仿真模型，并對應(yīng)目標機型的臺架試驗進行仿真計算與驗證[3]；海馬汽車利用FlowMASTER和STAR-CCM+對某車型的電機、電池、控制器和發(fā)動機的熱管理系統(tǒng)進行耦合分析并識別出充放電過程中存在風(fēng)險[4]。

本文以某增程車型為例，采用一維仿真軟件FlowMASTER進行整車熱管理耦合系統(tǒng)的仿真，計算各部件在極限工況下的溫度和平衡時間，判斷能否滿其冷卻需求，并確定不同暖風(fēng)狀態(tài)下對水加熱時間的影響。

1 分析模型

該機型整車熱管理系統(tǒng)包含發(fā)動機冷卻、電池冷卻[5]、空調(diào)[6]三大系統(tǒng)（由于電機冷卻不直接與其余三個系統(tǒng)的熱交換，因此，本文不再對電機冷卻進行研究）。

其中發(fā)動機冷卻系統(tǒng)通過散熱器與空氣進行熱交換；通過暖風(fēng)芯體與乘員艙系統(tǒng)進行熱交換；通過電池加熱器與電池冷卻系統(tǒng)進行熱交換。整個系統(tǒng)換熱介質(zhì)為水，由水泵驅(qū)動。

電池冷卻系統(tǒng)通過電池制冷器與空調(diào)系統(tǒng)進行熱交換，整個系統(tǒng)換熱介質(zhì)為水，由水泵驅(qū)動。

空調(diào)系統(tǒng)通過冷凝器與空氣進行熱交換，通過蒸發(fā)器與乘員艙進行熱交換。整個系統(tǒng)換熱介質(zhì)為R134a，由空調(diào)壓縮機驅(qū)動。

2 控制策略

混動類整車熱管理系統(tǒng)控制邏輯一般較為復(fù)雜[7]，該系統(tǒng)包含了大量的泵類、閥類元件，其中執(zhí)行元件的控制有閉環(huán)自動控制，比如：節(jié)溫器、壓縮機、散熱風(fēng)扇、發(fā)動機水泵、空調(diào)路三通閥等，也有手動開環(huán)控制，比如：冷暖風(fēng)三通閥、內(nèi)外循環(huán)三通閥等。因此，針對本機型，首先需要確定各個零部件的開關(guān)狀態(tài)和轉(zhuǎn)速變化邏輯，其中表1為各元件的控制策略。

表1 熱管理系統(tǒng)控制策略

控制元件開啟狀態(tài)開啟條件 發(fā)動機水泵常開與發(fā)動機速比1.39 節(jié)溫器通≥92 ℃全開（曲線） 斷≤77 ℃全閉（曲線） 三通閥暖風(fēng)-電池加熱電池回路溫度≤0 ℃且手動開啟暖風(fēng) 僅電池加熱電池回路≤0 ℃且未手動開啟暖風(fēng) 電池路水泵常開2 000 r/min 壓縮機0電池回路溫度≤20℃且未手動開啟冷風(fēng) 2 000 r/min電池回路升溫時：溫度≥35 ℃電池回路降溫時：溫度≥20 ℃或手動開啟冷風(fēng) 三通閥冷風(fēng)-電池制冷電池回路升溫時：溫度≥35 ℃電池回路降溫時：溫度≥20 ℃且手動開啟冷風(fēng) 僅冷風(fēng)電池回路溫度≤20 ℃且手動開啟冷風(fēng) 僅電池制冷電池回路升溫時：溫度≥35 ℃電池回路降溫時：溫度≥20 ℃ 散熱器風(fēng)扇0冷風(fēng)未開啟且散熱器前溫度低于95 ℃ 5 000 r/min96 ℃≤水套出水溫度≤120 ℃或冷風(fēng)開啟 冷暖風(fēng)風(fēng)扇0冷、暖風(fēng)均未開啟 1 000 r/min手動開啟 三通閥1僅暖風(fēng)手動開啟 僅冷風(fēng)手動開啟 三通閥2僅內(nèi)循環(huán)手動開啟 僅外循環(huán)手動開啟

3 計算邊界

該機型包含了大量的性能件，針對驅(qū)動類元件，水泵類的性能曲線為揚程-流量、扭矩-流量曲線；空調(diào)類的性能參數(shù)為單位排量；風(fēng)扇類的性能曲線為靜壓-流量曲線。

針對非空調(diào)類換熱器元件，比如：散熱器、暖風(fēng)芯體、電池加熱器等，重要的性能曲線為兩側(cè)流體的壓損-流量曲線和換熱能力曲線。其中能定義換熱能力曲線的參數(shù)有多種，比如：定義換熱效率、換熱系數(shù)、換熱量等，但在實際工程運用中，采用定義換熱效率的方式更為便捷，本機型也是采用的該種方式。

針對空調(diào)換熱元件，比如：蒸發(fā)器、冷凝器、電池制冷器等，這些元件與其他換熱器的定義不同，因為該類換熱器內(nèi)部出現(xiàn)了不同程度的相變換熱，這極大地提高了仿真難度和精度，因此，本機型采用先進行單體仿真測試，后確定性能參數(shù)的方式對上述元件進行換熱能力定義。采用FlowMASTER仿真軟件內(nèi)嵌的ACSOP模塊，通過輸入單點性能，迭代計算出ACSOP因子系數(shù)從而定義換熱器換熱能力的方法。

在兩個空氣側(cè)系統(tǒng)中，不同換熱器和風(fēng)扇的空間坐標位置以及換熱器的先后順序均會對整個系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響，因此，本機型還對它們進行了空間位置的定義，以提高計算精度。

3.1 泵類邊界

圖1為發(fā)動機、電池水泵的揚程-流量曲線；圖2為散熱器、冷暖風(fēng)風(fēng)扇靜壓-流量曲線，泵類元件的性能數(shù)據(jù)會直接影響到各回路的流量大小。

圖1 水泵額定轉(zhuǎn)速下性能曲線

圖2 風(fēng)扇額定轉(zhuǎn)速性能曲線

3.2 空調(diào)換熱類邊界

表2分別為蒸發(fā)器、冷凝器、電池制冷器通過FlowMASTER仿真軟件內(nèi)嵌的ACSOP模塊標定出的形狀因子。

表2 空調(diào)換熱類形狀因子

形狀因子空氣側(cè)換熱修正因子空氣側(cè)壓力損失修正因子內(nèi)側(cè)流體換熱修正因子內(nèi)側(cè)流體壓力損失修正因子冷凝液質(zhì)量流量修正因子 冷凝器3.4745.53113.801 蒸發(fā)器1.1851.00410.005 0020.658 2 制冷器50.0111

3.3 其他換熱類邊界

圖3 不同元件水阻曲線

圖4 不同元件風(fēng)阻曲線

圖3為不同元件的水阻曲線；圖4為不同元件的風(fēng)阻曲線。

4 計算結(jié)果

4.1 低溫冷啟動極限工況1

環(huán)境溫度為-25 ℃；發(fā)動機怠速（1 200 r/min，散熱功率8 kW），開啟暖風(fēng)外循環(huán)，開啟電池水加熱。

圖5為該工況下各處溫度變化情況，該系統(tǒng)在1 200 s左右電池水路溫度提升至0 ℃，在2 700 s左右發(fā)動機節(jié)溫器開啟，此時水套溫度最高達到140 ℃。這是由于節(jié)溫器處的溫度為暖風(fēng)后的溫度，而由于環(huán)境溫度過低，導(dǎo)致暖風(fēng)后溫度也低，使得節(jié)溫器長時間達不到開啟溫度，散熱器無法工作，最終水套溫度越積越高，并且節(jié)溫器在后續(xù)過程中頻繁開啟關(guān)閉，水套溫度的變化波動也很大。同時，在2 700 s時乘員艙溫度達到20 ℃，這也是由于水套溫度過高造成的，在節(jié)溫器頻繁開啟后，乘員艙平均溫度保持在3 ℃左右。

圖5 各處溫度變化

4.2 低溫冷啟動極限工況2

環(huán)境溫度為-25 ℃；發(fā)動機怠速（1 200 r/min，散熱功率8 kW），開啟暖風(fēng)內(nèi)循環(huán)，開啟電池水加熱。

圖6為該工況下各處溫度變化情況，該系統(tǒng)在1 150 s左右電池水路溫度提升至0 ℃，在2 000 s左右發(fā)動機節(jié)溫器開啟，此時水套溫度最高約130 ℃，這種情況比暖風(fēng)外循環(huán)稍好，這是由于乘員艙溫度升高后降低了暖風(fēng)的換熱效率，導(dǎo)致暖風(fēng)后溫度比外循環(huán)要高，有利于節(jié)溫器的開啟。同時在1 400 s時乘員艙溫度5 ℃左右，后持續(xù)上升。

圖6 各處溫度變化

4.3 低溫冷啟動極限工況3

環(huán)境溫度為-25 ℃；發(fā)動機怠速（1 200 r/min，散熱功率8 kW），關(guān)閉暖風(fēng)，開啟電池水加熱。

圖7為該工況下各處溫度變化情況，該系統(tǒng)在1 100 s左右電池水路溫度提升至0 ℃，在1 250 s左右發(fā)動機節(jié)溫器開啟，由于關(guān)閉了暖風(fēng)，此時水套溫度降低，最高約100 ℃，這屬于發(fā)動機正常水溫。

圖7 各處溫度變化

4.4 低溫冷啟動極限工況4

環(huán)境溫度為-25 ℃；發(fā)動機怠速（1 200 r/min，散熱功率8 kW），關(guān)閉暖風(fēng)，關(guān)閉電池水加熱。

圖8為該工況下各處溫度變化情況，該系統(tǒng)在1 050 s左右發(fā)動機節(jié)溫器開啟，此時水套溫度降低，最高約95 ℃，與上種工況相似。

圖8 散熱器溫度變化

4.5 高溫高載極限工況

環(huán)境溫度為45 ℃；發(fā)動機高速滿載（4 000 r/min，散熱功率35 kW），空調(diào)外循環(huán)開啟，電池制冷開啟。

圖9為該工況下各處溫度變化情況，該系統(tǒng)在100 s左右發(fā)動機節(jié)溫器開啟，150 s左右節(jié)溫器全開，水溫平衡后保持在125 ℃以下?？照{(diào)冷風(fēng)駕駛艙溫度在120 s左右達到28 ℃并維持一定，電池水路中進電池溫度在200 s左右達到25 ℃，并一直保持25～28 ℃波動。

圖9 各處溫度變化

5 總結(jié)

通過以上分析，得出以下結(jié)論：

1）冷啟動過程中，開啟暖風(fēng)會導(dǎo)致水套溫度升高，這是由于節(jié)溫器處于暖風(fēng)回水口。如開啟暖風(fēng)會使水出暖風(fēng)后溫度降低，對節(jié)溫器的開啟不利，在極限情況下（暖風(fēng)外循環(huán)+電池加熱）會導(dǎo)致水套溫度達到140 ℃，這對發(fā)動機影響很大，后續(xù)可增加發(fā)動機小循環(huán)水路來平衡節(jié)溫器的開啟。

2）冷啟動過程中，暖風(fēng)的開啟、關(guān)閉以及內(nèi)、外循環(huán)和是否開啟電池升溫，會對發(fā)動機平衡溫度和平衡時間造成比較大的影響，在無暖風(fēng)、無電池加熱時，平衡時間為1 250 s，而在暖風(fēng)外循環(huán)+電池加熱，時間會增加到2 700 s。

3）冷啟動中暖風(fēng)的開啟、關(guān)閉以及內(nèi)、外循環(huán)對電池水加熱的時間影響很小，極限時間為 1 200 s、1 100 s，如為了快速提高電池溫度，需提高電池加熱器中發(fā)動機支路的水流量或加裝正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient, PTC）。

4）該機型在高溫高載極限情況下滿足電池的冷卻需求，并且乘員艙也能保持在28 ℃，如需提高乘員艙的制冷功能，可以增加壓縮機排量或者轉(zhuǎn)速，并在保持電池制冷器支路流量不變的情況下，調(diào)整蒸發(fā)器支路的流量。

[1] 曾凡宇,張志軍,倪明洋.混合動力汽車整車熱管理建模與仿真研究[C]//2022中國汽車工程學(xué)會汽車空氣動力學(xué)分會學(xué)術(shù)年會論文集:熱管理分會場.北京:中國汽車工程學(xué)會,2022:127-137.

[2] 廖庚華,陳濤,胡欽超.某商用車整車熱管理性能仿真及優(yōu)化[C]//2022中國汽車工程學(xué)會汽車空氣動力學(xué)分會學(xué)術(shù)年會論文集:熱管理分會場.北京: 中國汽車工程學(xué)會,2022:86-91.

[3] 高干,倪計民,石秀勇,等.基于NEDC工況的發(fā)動機熱管理系統(tǒng)匹配研究[J].車用發(fā)動機機,2018(2):51-56.

[4] 李壘,胡斌斌,田勝,等.某混合動力車型熱管理系統(tǒng)開發(fā)與研究[J].汽車實用技術(shù),2020,45(8):71-75.

[5] IBRAHIM D.電動汽車動力電池?zé)峁芾砑夹g(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2021.

[6] STEVEN D.汽車空調(diào)與氣候控制系統(tǒng)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[7] 劉衛(wèi)東,彭玉環(huán),吳方義,等.混合動力汽車加熱及冷卻控制策略[J].汽車電器,2020(12):22-25.

Simulation Analysis of Thermal Management System for an Extended Range Vehicle

ZHOU Tao, FU Hao*

( Anhui Jianghuai Automobile Group Company Limited, Hefei 230601, China )

In order to ensure the normal operation of the vehicle system, improve the energy efficiency of the vehicle, it is necessary to predict the temperature,flow and other characteristics of the vehicle thermal management system under different working conditions in the development stage. In this paper, a one-dimensional model of complex heat transfer system with multiple circuits and control is built,it is used to simulate the thermal management system of an extended range vehicle,calculate the equilibrium temperature and time when each component reaches the thermal steady state under the ultimate working condition,determine the influence of different air conditioning conditions on the heating time of the battery.After the calculation to determine, the machine can meet the system cooling requirements in high temperature limit condition,however, there is a risk that the water temperature exceeds the standard after the warm air is opened,and different air conditioning conditions have little influence on the heating time of the battery.

Vehicle thermal management;Heat transfer;Equilibrium temperature;Warm air condition

U463

A

1671-7988(2023)18-95-05

周濤（1983－），男，工程師，研究方向為整車熱管理，E-mail:zt.jszx@jac.com。

傅豪（1995－），男，助理工程師，研究方向為整車熱管理，E-mail:yw.jszx@jac.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.018.019