某車型熱管理系統匹配分析研究

李壘，田勝，王明明，胡斌斌

某車型熱管理系統匹配分析研究

李壘，田勝，王明明，胡斌斌

（海馬汽車股份有限公司，河南 鄭州 450016）

文章以某在研車型為研究對象，利用直接相關參數分析的方法對整車熱管理系統性能進行精確計算分析。通過對性能直接相關的散熱器進風量、散熱器進風溫度、散熱器冷卻液流量、發動機散熱需求、電子風扇性能參數等分析計算，對相關零部件匹配后的熱管理系統性能進行精確分析和試驗結果預測，并通過整車熱平衡試驗驗證預測結果。

整車熱平衡；熱管理系統；精確匹配

前言

本文提出一種整車熱管理系統精確匹配方法，應用于車型開發過程中系統的精確匹配分析。本文方法結合一維解析軟件Flowmaster和CFD軟件STAR-CCM+，以散熱器進風溫度、散熱器進風量、發動機散熱需求、電子風扇性能、散熱器冷卻液流量參數為依據進行匹配，解析得到精確的匹配結果，實現精確匹配。相較依據發動機額定功率通過經驗公式粗略估算匹配的方法，此方法解決了匹配過程中性能嚴重過剩的問題。

1 整車熱管理系統分析計算

1.1 發動機散熱需求分析計算

整車熱管理系統模型基于整車熱平衡工況的穩態模型建立，在特定工況下發動機做功產生的能量流動處于平衡狀態。能量流動主要方向分為發動機輸出功率、發動機本體釋放至外界的熱量、冷卻液吸收的熱量、排出廢氣帶走的能量等[1]。其中冷卻液吸收熱量為系統匹配直接相關參數，此參數通過發動機熱平衡臺架試驗獲得。發動機臺架試驗條件中扭矩和轉速根據發動機所匹配車型的熱平衡工況分析獲得，散熱器冷卻液流量依據水泵等相關零部件的水力特性匹配分析獲得，冷卻液最小循環流量需滿足缸體水套溫度場的要求。

整車熱平衡工況依據按照匹配車型工作極限條件設定，整車熱平衡工況邊界條件確定了發動機散熱性能需求。各工況定義如表1所示：

表1 整車熱平衡工況定義

1.1.1 發動機輸出扭矩解析

發動機轉速、扭矩為臺架熱平衡試驗直接相關邊界條件，轉速、扭矩由整車設定工作條件下的行駛阻力決定。行駛阻力由滾動阻力和風阻兩部分構成，滾動阻力與整車重量、路面狀況、坡度相關，風阻與車輛風阻系數、迎風面積和車速相關。路面狀況符合GB 12534標準要求路面。

滾動阻力Fg由公式（1）求解：

式中：G為整車重力

?為滾動阻力系數

θ為為坡道角度

風阻Fd由公式（2）求解：

式中：Cd為風阻系數

ρair為空氣密度

Ac為整車迎風截面積

Ucar為車速

車速Ucar由公式（3）求解：

式中：N為發動機轉速

I為總傳動比

R為車輪半徑

發動機扭矩T由公式（4）求解：

式中ηT為扭矩傳輸效率

聯立式（1）、（2）、（3）、（4），得到公式：

在設定工況下，滾動阻力與車輛坡道、車速相關，風阻與車速相關，高速工況發動機扭矩達到最大值。爬坡工況以坡道滾動阻力為主要影響因素，高速工況以風阻為主。代入相關參數，求解方程得到發動機在各工況下輸出扭矩。求解結果與對應工況的空調壓縮機需求扭矩之和為發動機實車輸出扭矩，如表2所示。

1.1.2 發動機散熱需求解析

根據發動機熱平衡試驗測得發動機在不同轉速、不同扭矩下的散熱量數據生成散熱性能需求MAP。依據發動扭矩和發動機轉速，從MAP中得到精確的發動機散熱需求。

發動機本體散熱通道為與測試環境空氣自然對流傳熱和與測試環境輻射傳熱。發動機測試環境空氣溫度20℃，墻壁溫度20℃。在整車工況下發動機與機艙周邊溫度相近傳熱溫差小，傳熱量可忽略。發動機在臺架測試中本體散熱量比實車狀態散熱量大，此熱量差值在整車工況下轉移至散熱器，通過散熱器傳遞到流通空氣中。

發動機表面積約1.369m2，根據經驗值自然對流傳熱系數取11W/(m2·K)，自然對流傳熱量約805W。熱輻射傳熱過程傳熱簡化為發動機與測試環境墻壁兩個表面組成的封閉腔的輻射傳熱[2]，發動機本體表面發射系數取0.82，墻壁表面發射率0.92，估算輻射傳熱量約774W。

在測試獲得的散熱需求MAP值增加1.579kW為實車發動機散熱需求，如表2所示。

圖1 發動機的散熱需求MAP

表2 整車工況下發動機工作參數

1.2 熱管理系統邊界條件及計算解析

熱管理系統邊界條件由液側邊界條件和空氣側邊界條件組成。液側邊界條件直接相關參數為冷卻液流量、冷卻液溫度。空氣側邊界條件直接相關參數為空氣側的空氣流量、空氣溫度。

1.2.1 液側邊界條件解析

液側循環系統由發動機水泵、發動機水套、機油冷卻器、增壓器冷卻水道、節溫器、變速箱油冷卻器、散熱器、暖風芯體和相關管道構成，其水力特性分別如圖2、圖3所示。

液側邊界條件直接相關參數為冷卻液流量、冷卻液溫度。冷卻液流量根據發動機的水泵水力特性MAP、相關零部件的水力特性參數解析獲得。解析過程中把相關元器件水力特性參數轉化為軟件可以利用格式，借助工具一維解析軟件Flowmaster獲取解析結果。

圖2 水泵水力特性MAP

依據各零部件水力特性建立冷卻液側流動阻力模型，通過一維解析軟件Flowmaster中對模型進行求解獲得散熱器在各工況下精確冷卻液流量。根據各工況下水泵轉速計算對應工況液側流量分布如表3所示。

圖3 冷卻液側零部件水力特性

圖4 冷卻液側流動阻力模型

圖5 一維解析軟件中液側系統模型

表3 冷卻液流量分布

1.2.2 空氣側邊界條件解析

散熱器空氣側邊界條件受前端模塊布置、前格柵開孔、發動機布置方式以及機艙布置影響。在前期開發階段主要考慮影響因素為前格柵、前端模塊布置以及機艙背壓。解析過程中按照25%開孔率設定前格柵，基于CFD分析值設定背壓、空氣流量等參數，按照前端模塊布置建立前端模塊模型。

圖6 空氣側前端模塊空氣流速分布

汽車行駛過程中，冷卻系統的起動阻力等于風扇靜壓與行駛風壓之和[6]。車輛迎風在前格柵附近因空氣流道收縮部分動壓轉化為靜壓，靜壓升高，有一定程度上對進氣有預壓縮效果，有利于進氣。機艙出風口在機艙下部與道路交界面處，空氣相對車輛運動底部空氣靜壓較低有利于機艙出風。空氣側阻力模型簡單空氣流動復雜，空氣流動同時受到到機艙熱空氣回流、前端模塊周邊高速時漏風低速時熱氣回流、前機艙空氣流道復雜等邊界條件影響。空氣側零部件空氣流動阻力特性、電子風扇性能如圖7所示。

圖7 空氣側零部件風阻特性

分析計算需借助CFD軟件STAR-CCM+解析參數后代入一維解析軟件。在計算過程中設定進風為恒密度、恒溫的空氣，進風總壓以空氣流動動壓和空氣靜壓構成。設定中冷器、冷凝器、散熱器為多孔介質，輸入參數如表4所示。

表4 前端模塊CFD分析輸入參數

表5 空氣側流量分布

通過STAR-CCM+軟件結合3D數據解析得出各工況下散熱器進風量，各工況散熱器進風量如表5所示。

1.2.3 熱管理系統性能計算解析

根據發動機在整車工況的實際工作條件，搭建發動機熱管理系統一維模型。根據CFD計算結果獲取各工況下前端模塊進風量。根據中冷器風阻、冷凝器風阻、中冷器散熱量、冷凝器散熱量、發動機散熱需求、散熱器性能MAP輸入相關參數，解析得到散熱器各工況進風溫度、發動機出水溫度等參數，解析結果如表6所示。

圖8 散熱器性能MAP

圖9 一維解析軟件中系統模型

表6 散熱器進風溫度及發動機出水溫度

2 整車熱管理系統計算結果分析

風扇控溫策略為水溫升至95℃時風扇低速開啟、水溫回落至90℃風扇關閉，水溫升至105℃風扇高轉速開啟、水溫回落至102℃風扇低轉速開啟。根據計算結果，發動機散熱性能需求與散熱器散熱量繪制性能曲線，如圖10所示。

2.1 工況一計算結果分析

工況一條件下，發動機散熱性能需求曲線與散熱器散熱量曲線交匯于風扇高轉速散熱量曲線水溫106.2℃點處。此工況風扇高轉速運轉，發動機出水溫度穩定在106.2℃。

2.2 工況二計算結果分析

工況二條件下發動機輸出扭矩與工況一接近，車速由29.9km/h提升至49.6km/h，迎面風速提高后散熱器進風量提升、散熱器進風溫度下降。發動機散熱性能需求曲線與散熱器散熱量曲線交匯于風扇高轉速散熱量曲線水溫102.3℃。此工況風扇高轉速運轉，發動機出水溫度穩定在102.3℃。

發動機出水溫度處于風扇高轉速運轉回落至低轉速臨界點處，且風扇高轉速散熱器散熱量高于風扇低轉速散熱器散熱量，實車發動機出水溫度可能在102.3℃以下區間循環波動。

2.3 工況三計算結果分析

工況三條件下整車空檔、發動機怠速，此工況發動機輸出扭矩需求低，主要為壓縮機工作扭矩需求扭矩和摩擦阻力需求扭矩，此工況下發動機散熱量需求約6.57kW。由于冷凝器側空氣流量低，空調系統冷凝側壓力較高，空調系統中壓開關間斷置位，電子風扇處于高轉速速、低轉速交替運行狀態。

發動機散熱量需求處于風扇低轉速散熱量區間和風扇高轉速散熱量區間的中間區域，所有區間溫度點的發動機需求散熱量與風扇高轉速散熱量差值均小于與風扇低轉速散熱量差值，在風扇高低轉速切換后發動機出水溫度升溫速率大于降溫速率。

空調系統熱容量大幅低于冷卻系統熱容量，且冷凝器傳熱效率大幅高于散熱器傳熱效率，電子風扇高低轉速切換后的空調系統壓力變化快于發動機水溫變化。

發動機出水溫度低于90℃后冷卻液循環流量會根據控制策略降低，綜合分析后預測發動機出水溫度隨風扇高轉速、低轉速變化在90℃~95℃之間波動。

2.4 工況四計算結果分析

在工況四條件下，發動機輸出扭矩大，需求散熱量大。散熱器迎面風速高、進風量大，進氣溫度低。發動機散熱性能需求曲線與散熱器散熱量曲線交匯于風扇低轉速散熱量曲線96℃。此工況風扇低轉速運轉，發動機出水溫度穩定在96℃。

圖10 工況四發動機散熱性能需求與散熱器散熱量

3 整車試驗驗證

整車熱平衡試驗實際模擬極限行駛工況對熱管理系統的性能需求，對分析結果進行驗證。

整車熱平衡試驗通過環境艙模擬外界環境溫度、光照強度、行駛阻力、迎面風速，驗證整車熱平衡性能。

圖11 整車熱平衡環境艙模擬試驗

表7 整車熱平衡試驗結果

表8 分析結果相對測試結果百分比偏差

表7是整車熱平衡試驗測試結果。發動機水溫分析結果與實測結果百分比偏差如表8所示，發動機出水溫度最大誤差百分比為5.46%，分析結果符合度高。

4 結束語

整車熱管理系統設計任務中，系統匹配是核心任務。本文通過對匹配直接相關參數分析，預測整車熱平衡性能，并通過試驗驗證了計算結果的精確。精確的計算結果可以保證性能目標達成同時減少系統匹配過程中性能嚴重過剩的問題。

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Research on matching analysis of thermal management system of a certain vehicle

Li Lei, Tian Sheng, Wang Mingming, Hu Binbin

（Haima automobile co. LTD, Henan Zhengzhou 450016 )

This paper takes a certain vehicle under research as the research object, the performance of vehicle thermal management system is calculated and analyzed accurately by using the method of direct correlation parameter analysis. Through the analysis and calculation of the parameters directly related to the performance, such as radiator intake air volume, radiator inlet air temperature, radiator coolant flow rate, engine heat dissipation demand, electronic fan performance and so on. Analyze accurately and predict the experimental results of the performance of the heat management system that is matched with related parts, and verify the prediction by the heat balance experiment of the whole vehicle.

Vehicle thermal balance; Thermal management system; Exact matching

U467

A

1671-7988(2019)24-151-05

U467

A

1671-7988(2019)24-151-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.049

李壘，男，漢族，助理工程師，本科，就職于海馬汽車股份有限公司，主要研究方向：汽車熱管理。