電動汽車機艙散熱問題CFD仿真分析優(yōu)化及試驗驗證

李喆隆，李 濤，李現(xiàn)今

（北京新能源汽車股份有限公司，北京 100176）

電動汽車近年來快速興起，并且有逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油車的趨勢，研究電動汽車機艙的散熱特點具有重要意義。由于電動汽車沒有內(nèi)燃機，它的機艙內(nèi)既沒有溫度達到600 ℃時導致的強輻射排氣管路，也沒有需要大量散熱的內(nèi)燃機水套。電動汽車前機艙相對于燃油車僅需較小的前格柵開口來引進新風進行散熱。現(xiàn)階段電動汽車大多沿用燃油車的散熱器和風扇來冷卻電機水套與電池，其散熱能力有較大盈余。因此，電動汽車機艙內(nèi)的空調(diào)冷凝器的散熱問題便凸顯出來。

目前，分析電動汽車機艙散熱問題有兩種方式：環(huán)境艙試驗和CFD仿真。環(huán)境艙試驗包括整車熱平衡試驗和整車降溫試驗。由于現(xiàn)階段機艙內(nèi)散熱器能力的盈余，電動汽車熱平衡試驗發(fā)現(xiàn)的問題往往是電機、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）和電池的零部件內(nèi)局部過熱。機艙內(nèi)冷凝器是否有足夠的散熱能力，會在電動汽車降溫試驗中體現(xiàn)出來。該試驗方法的優(yōu)點是可信度高，能夠為研發(fā)提供直接的整改依據(jù)；缺點是成本高、周期長，不能在設計初期及時發(fā)現(xiàn)問題。CFD仿真的優(yōu)點是成本低、周期短，能夠在研發(fā)早期發(fā)現(xiàn)關鍵問題，縮短整車開發(fā)周期。然而要想完全模擬電動汽車降溫試驗，需要三維機艙熱流場、整車一維能量流、空調(diào)箱和乘客艙的三維熱流場共同的瞬態(tài)耦合計算，目前國內(nèi)幾乎難以完整開展。通過模擬機艙內(nèi)穩(wěn)態(tài)的流場來獲得關鍵信息是當前可行的技術路線。目前，大部分國內(nèi)車企采用仿真與試驗相結合的方式來解決機艙散熱問題。

針對某電動汽車進行降溫試驗時發(fā)現(xiàn)，以車速40 km/h行駛10 min后，駕駛員和副駕駛頭部平均溫度從60 ℃降到了33 ℃，沒有降到目標值30 ℃。為提升空調(diào)系統(tǒng)在車輛行駛時的換熱能力，采用CFD仿真方法分析了機艙的恒溫流場，從仿真結果判斷出試驗中回流冷凝器的高溫氣體偏多，降低了制冷能力[1]，之后通過增加冷凝器導流罩和調(diào)整格柵開口，增加了新風的流入，提高了冷凝器的換熱能力[2]。最終在驗證試驗中，以車速40 km/h行駛10 min后，頭部平均溫度從60 ℃降到了28 ℃，顯著提升了空調(diào)對乘員艙的降溫能力。

1 CFD計算模型

1.1 仿真計算基本理論

1.1.1 控制方程

采用三維常密度的不可壓縮恒溫湍流來模擬機艙流場，它遵循Navier-Stokes方程組的質(zhì)量守恒和動量守恒規(guī)律[3]。

連續(xù)性方程為：

動量守恒方程為：

式中：t為時間，s； →u為流體速度，m/s；p為流體微元上的壓強，Pa；μ為流體粘度，（kg·m-1·s-1），Si為動量守恒中的廣義源項；i=1,2,3,…,n為三維直角坐標軸的序號。

1.1.2 湍流計算方法

求解N-S方程的湍流問題時，可以采用雷諾時均法（Reynolds Time Average），大渦模擬法（Large Eddy Simulation），格子波爾茲曼法（Lattice Boltzmann Method）以及直接數(shù)值模擬法（Direct Numerical Simulation）。

根據(jù)確定粘度的方法，雷諾時均法分為零方程模型、一方程模型和兩方程模型，兩方程模型還分為k-ε模型和k-Ω模型。本研究采用兩方程模型中Realizable的k-ε湍流模式來模擬機艙流場[4]。

1.2 網(wǎng)格處理

建立包括前機艙內(nèi)所有部件的整車模型。整車面網(wǎng)格量約為700萬，采用三角形網(wǎng)格單元劃分，最小網(wǎng)格尺寸控制在1 mm。整個長方體計算流場域的尺寸為：12倍的車身長、8倍的車身寬和5倍的車身高。體網(wǎng)格量為3 000萬個，采用Trim網(wǎng)格。對前機艙中的前格柵、冷卻模塊和風扇進行加密，加密區(qū)網(wǎng)格為1 mm，以達到通過局部網(wǎng)格細化來提高計算精度的目的。電動汽車的格柵開口位于前保險杠下方，如圖1所示。電動汽車的底部結構具有底護板和電池包，如圖2所示。

圖1 電動汽車整體外觀

圖2 電動汽車底部結構

1.3 邊界條件

整車空調(diào)降溫的試驗條件為：車速40 km/h，環(huán)境空氣溫度38 ℃，光照1 000 W/m2，內(nèi)循環(huán)，吹面模式，最大風量，最大制冷。試驗正式開始前需熱浸置車輛，使前排頭部平均溫度達到60 ℃。

與上文相對應的是，仿真分析中冷凝器和散熱器采用多孔介質(zhì)模型，風扇用MRF模型，車輪旋轉，冷卻風扇為雙風扇，主駕側轉速為2 850 r/min，副駕側轉速為2 350 r/min。模擬工況時，車速為40 km/h和0 km/h ，計算域進口為速度邊界條件，出口為壓力邊界條件。計算0 km/h工況是為了方便評估車速為40 km/h時通過冷凝器且來自前格柵的新風量。

2 研究的情形

仿真分析了6種情形，分別是基礎狀態(tài)、增加格柵開口、理想導流罩、新造型前保、有上橫板的工程導流罩、最終狀態(tài)。試驗方面對基礎狀態(tài)和最終狀態(tài)進行了整車降溫試驗。

2.1 基礎狀態(tài)

基礎狀態(tài)的格柵開口分為兩部分，上部1個大開口，下部3個小開口。

2.2 增加格柵開口

將基礎狀態(tài)的格柵開口上部分向外多開一圈，同時增加下部分的3個通風口的面積，如圖3所示。

圖3 電動汽車的外觀

2.3 理想導流罩

在增加格柵開口的基礎上，在冷凝器前方增加了一個四面全包裹式導流罩，導流罩從格柵引風，最后擴張至整個冷凝器表面，如圖4所示。該車是燃油車改款電動車，沿用燃油車的冷卻模塊，因此冷凝器在散熱器的前方。

圖4 理想導流罩

2.4 新造型前保

在基礎狀態(tài)的基礎上，更換了新前保造型，格柵開口為一個整體大開口，開口的面積明顯比基礎狀態(tài)大，如圖5所示。同時，優(yōu)化調(diào)整了散熱器下方的橫梁結構形式，封堵了它們之間原有的縫隙。

圖5 新前保險杠和格柵

2.5 有上橫板的工程導流罩

在新造型前保的基礎上，設計了工程化的導流罩，主要引導冷凝器兩側氣流，導流罩的下部有強化聚風的作用，上部附加上橫板，能夠聚攏上部氣流。

2.6 最終方案

在有上橫板的工程導流罩的基礎上，由于裝配工藝的問題，取消了導流罩上部的橫板，此狀態(tài)為最終方案。

圖6 冷卻模塊及周邊導風結構

3 結果與討論

3.1 基礎狀態(tài)

樣車試驗時以車速40 km/h行駛10 min后，駕駛員和副駕駛頭部平均溫度從60 ℃降到了33 ℃，沒有降到目標值30 ℃，頭部平均溫度從60 ℃降到了30 ℃所需時間為19 min。仿真分析結果顯示，車速40 km/h時，格柵進風0.351 kg/s，冷凝器進風0.390 kg/s；車速0 km/h時，格柵進風0.120 kg/s，冷凝器進風0.359 kg/s。由于40 km/h車速下的冷凝器回流占比統(tǒng)計困難，所以通過用怠速時格柵進風占冷凝器進風比例間接反映出來。怠速時新風過少，說明冷凝器高溫回流較多，進而說明車速為40 km/h時，回流冷凝器的高溫氣體也偏多，影響了冷凝器的制冷能力。車速為40 km/h時，氣流大多通過上方開口進入機艙內(nèi)，下方開口沒有明顯氣流流入，如圖7所示。怠速時在冷卻風扇抽吸的作用下，上、下開口均有明顯氣流流入，如圖8所示。同時能看到兩種車速下，冷凝器上方和兩側均有明顯回流。

圖7 車速40 km/h時機艙內(nèi)的氣流速度分布（基礎狀態(tài)）

圖8 怠速時機艙內(nèi)的氣流速度分布（基礎狀態(tài)）

3.2 增加格柵開口

在增加格柵開口狀態(tài)下，車速為40 km/h時，格柵進風0.549 kg/s，冷凝器進風0.401 kg/s；車速為0 km/h時，格柵進風0.176 kg/s，冷凝器進風0.361 kg/s。雖然40 km/h車速時的格柵進風量比冷凝器進風量高，但不能說明通過冷凝器的風全部來自格柵，仍有相當?shù)幕亓髁俊煞N車速下的冷凝器進風相對于基礎狀態(tài)變化不大，怠速時格柵進風變化明顯，增加了約47%。車速為40 km/h時，氣流通道在z方向比基礎狀態(tài)更寬，如圖9所示。怠速時，格柵處氣流速度比基礎狀態(tài)增大，如圖10所示。

圖9 車速40 km/h時機艙內(nèi)的氣流速度分布（增加柵格開口）

圖10 怠速時機艙內(nèi)的氣流速度分布（增加格柵開口）

3.3 理想導流罩

在理想導流罩狀態(tài)下，車速為40 km/h時，格柵進風0.475 kg/s，冷凝器進風0.427 kg/s；車速為0 km/h時，格柵進風0.282 kg/s，冷凝器進風0.334 kg/s。車速為40 km/h時，格柵進風比增加格柵開口時減小約14%，怠速時格柵進風比增加格柵開口增加約60%。這說明能夠流入冷凝器的新風得到進一步增加。車速為40 km/h及怠速時，導流罩內(nèi)側氣流速度大，外側速度低，形成比較明顯的分界，如圖11和圖12所示，從而有效阻斷了回流。

圖11 車速40 km/h時機艙內(nèi)的氣流速度分布（理想導流罩）

圖12 怠速時機艙內(nèi)的氣流速度分布（理想導流罩）

3.4 新造型前保

在新造型前保狀態(tài)下，車速為40 km/h時，格柵進風0.941 kg/s，冷凝器進風0.388 kg/s；車速為0 km/h時，格柵進風0.197 kg/s，冷凝器進風0.359 kg/s。車速為40 km/h時，格柵進風比基礎狀態(tài)增加約170%，怠速時格柵進風比基礎狀態(tài)增加約64%。這說明能夠流入冷凝器的新風明顯增加。氣流格柵處的進風通道在z向明顯比基礎狀態(tài)增寬，如圖13和圖14所示。

3.5 有上橫板的工程導流罩

圖13 車速40 km/h時機艙內(nèi)的氣流速度分布（新造型前保）

圖14 怠速時機艙內(nèi)的氣流速度分布（新造型前保）

在有上橫板的工程導流罩狀態(tài)下，車速為40 km/h時，格柵進風0.839 kg/s，冷凝器進風0.412 kg/s；車速為0 km/h時，格柵進風0.226 kg/s，冷凝器進風0.353 kg/s。車速為40 km/h時，格柵進風比新造型前保時降低約11%，冷凝器通風量增加6%，怠速時格柵進風比新造型前保時增加約15%，冷凝器的通風量變化很小，流入冷凝器的新風進一步增加，冷凝器制冷能力比新造型前保時要高。車速為40 km/h及怠速時，工程導流罩內(nèi)側氣流速度大，外側速度低，形成比較明顯的分界，如圖15和圖16所示。

圖16 怠速時機艙內(nèi)的氣流速度分布（有上橫板的工程導流罩）

3.6 最終方案

在最終方案狀態(tài)下，車速為40 km/h時，格柵進風0.842 kg/s，冷凝器進風0.399 kg/s；車速為0 km/h時，格柵進風0.204 kg/s，冷凝器進風0.357 kg/s。相對于新造型前保，車速為40 km/h時，格柵進風降低約11%，冷凝器的通風量降低約3%；怠速時，格柵進風增加3%，冷凝器的通風量變化很小。這說明流入冷凝器的新風與新造型前保時的相比有所增加，冷凝器制冷能力也比新造型前保時要高。相對于基礎狀態(tài)，車速為40 km/h時，格柵進風增加約140%，冷凝器的通風量增加約2%；怠速時，格柵進風增加70%，冷凝器的通風量略微減小。車速為40 km/h及怠速時，最終方案導流罩在冷凝器兩側有效聚攏了來自格柵的新風，阻斷了回流，但沒能夠聚攏流經(jīng)冷凝器上方的新風，如圖17和圖18所示。

采用最終方案的樣車進行驗證試驗時，以速度40 km/h行駛10 min后，駕駛員和副駕駛頭部平均溫度從60 ℃降至28 ℃，達到降溫目標值30 ℃，頭部平均溫度從60 ℃降到30 ℃，所需時間縮短（≤10 min），顯著提升了空調(diào)制冷能力。

圖17 車速40 km/h時機艙內(nèi)的氣流速度分布（最終方案）

圖18 怠速時機艙內(nèi)的氣流速度分布（最終方案）

由該電動汽車的最終狀態(tài)和基礎狀態(tài)的對比可知（表1和表2），在車速為40 km/h或0 km/h時，冷凝器的通風量變化小于2%，格柵的通風量增長了70%～140%，由于格柵新風大幅增長帶來了車輛空調(diào)制冷能力的顯著提高。這說明在整車研發(fā)過程中，電動汽車空調(diào)制冷能力不足時不一定非要加大冷凝器、加大冷卻風扇或者更換高功率壓縮機[5]，增大格柵的通風量也是一個有效辦法。

表1 車速40 km/h時格柵與冷卻模塊的通風量 kg/s

表2 怠速時格柵與冷卻模塊的通風量 kg/s

4 結論

通過對電動汽車機艙流場的仿真分析，增大格柵開口和配置冷凝器前部導流罩能夠顯著增加車輛低速行駛時的格柵新風進氣量，即使通過冷凝器的風量變化不明顯，仍能有效提高冷凝器等冷卻模塊的散熱效率，提升空調(diào)降溫能力。