某電動車動力系統(tǒng)熱性能匹配

賴征海，張鵬飛，劉殿科

某電動車動力系統(tǒng)熱性能匹配

賴征海，張鵬飛，劉殿科

（華晨汽車工程研究院性能集成處，遼寧 沈陽 110141）

在電動車開發(fā)過程中，對動力系統(tǒng)熱性能匹配時，需要對冷卻系統(tǒng)性能進行仿真評估、驗證，減少研發(fā)周期與開發(fā)成本。文章使用三維與一維聯(lián)合仿真的方式，通過對前格柵進氣量進行三維仿真，結(jié)合一維仿真結(jié)果進行優(yōu)化，將冷卻系統(tǒng)仿真分析結(jié)果與熱平衡試驗結(jié)果進行對標，進而提升冷卻系統(tǒng)性能。

進氣量；冷卻系統(tǒng)；三維/一維仿真

前言

隨著國家新能源政策與法規(guī)的出臺，新能源汽車保有量增加，新能源車輛成為各大汽車廠家追逐的目標。這使得續(xù)航里程成為大眾關(guān)注的焦點，能量的合理利用成為重中之重，熱管理系統(tǒng)便是其中不可或缺的重要部分。

近年來計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，利用仿真方法進行熱管理系統(tǒng)開發(fā)已成為汽車設(shè)計中的一項重要手段[1,2]。

本文研究電動車熱源不包括動力電池系統(tǒng)，重點考慮動力系統(tǒng)的散熱。電機作為動力源代替?zhèn)鹘y(tǒng)車輛發(fā)動機提供動力，電機控制器將電池中的高壓電能輸送至電機，充電機OBC、變換器DC/DC可以將外部電源的能量儲存進動力電池，同時又可以將電池中的高壓電轉(zhuǎn)換為低壓電供整車低壓用電設(shè)備使用。

車輛行駛過程中，隨著能量的轉(zhuǎn)換、運輸，會有能量因損失轉(zhuǎn)換為熱量。其中，電機功率部分因機械損失轉(zhuǎn)化為熱量、DC/DC工作中產(chǎn)生熱量、電機控制器效率損失產(chǎn)生熱量、能量回收過程中電機與電機控制器更會釋放大量的熱。多種熱量堆積過多會引起部件溫度升高，會導(dǎo)致部件工作效率降低、使用壽命縮減。因此，一套合格的冷卻系統(tǒng)可以將部件的溫度控制在設(shè)計范圍內(nèi)，實現(xiàn)節(jié)能。

冷卻系統(tǒng)的熱量交換主要依靠散熱器。散熱效率直接影響到系統(tǒng)的工作效率[4]。散熱器本身是一個熱冷卻液與冷卻空氣熱量交換的熱交換器[3]。因此，散熱器芯體進氣量與本身的特性決定了整個冷卻系統(tǒng)的溫度。本文針對散熱器選型后，通過三維、一維聯(lián)合仿真的方式優(yōu)化進氣量，并對冷卻系統(tǒng)進行對標。

1 進氣量初步評估

1.1 進氣量仿真計算

基于某電動車動力系統(tǒng)性能進行匹配，為滿足動力系統(tǒng)的冷卻性能，同時降低風(fēng)阻，前端格柵造型設(shè)計成兩部分，上格柵使用全封閉式，下格柵采用常規(guī)開口造型。

應(yīng)用Star-CCM+軟件將整車網(wǎng)格模型導(dǎo)入，設(shè)置計算域。對散熱器、冷凝器的進氣量進行CFD計算，計算工況按熱平衡試驗標準設(shè)置，工況及進氣量計算結(jié)果如下：

1）50kph+9%：冷凝器0.464，散熱器0.472；

2）100kph+5%：冷凝器0.764，散熱器0.657；

3）12kph+0%：冷凝器0.895，散熱器0.753。

1.2 冷卻系統(tǒng)仿真計算

基于幾何數(shù)模，測量相關(guān)參數(shù)，繪制冷卻系統(tǒng)原理圖，如圖1。

圖1 冷卻系統(tǒng)原理圖

按冷卻原理圖搭建整車冷卻系統(tǒng)模型，設(shè)置相關(guān)性能參數(shù)，將計算進氣量分別輸入對應(yīng)的熱平衡工況。仿真時間3000s，步長0.1s，分別提取電機水溫進行對比，結(jié)果如表1：

表1 冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果

當(dāng)前進風(fēng)量上格柵完全封閉時，50kph+9%、120kph+0%工況，電機水溫超過目標要求，存在熱害問題，100kph+5%工況水溫處于邊界水溫處在目標值邊緣，存在風(fēng)險，需要優(yōu)化進氣量。

2 進氣量優(yōu)化

2.1 進氣量仿真計算

表2 進氣量仿真結(jié)果對比

優(yōu)化方向主要是增加上格柵開口面積，結(jié)合風(fēng)阻考慮，給出以下三款造型方案，分別為圓形開孔、長條形開孔、六角形開孔。對三個方案在120kph工況下進行進氣量仿真并與原方案上格柵前封閉做對比，結(jié)果見表2。

方案3的CFD仿真如圖2，從圖中可以看出，氣流通過上格柵開口增強了散熱器散熱能力，結(jié)合三個方案仿真結(jié)果，方案3效果最優(yōu)，散熱器進風(fēng)量較全封閉狀態(tài)提升12.5%，冷凝器較全封閉狀態(tài)提升11.1%，使用當(dāng)前結(jié)果進行下一步仿真。

圖2 方案3進氣量仿真

2.2 冷卻系統(tǒng)仿真計算

使用優(yōu)化方案3進行熱平衡工況冷卻系統(tǒng)一維仿真，結(jié)果見表3：

表3 冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果

對比仿真結(jié)果，方案3優(yōu)化進風(fēng)量后，電機電控冷卻系統(tǒng)水溫滿足目標值要求，相比較原方案有較大提升。

3 試驗驗證

3.1 試驗條件設(shè)置

在整車開發(fā)過程中，熱平衡試驗是驗證整車冷卻性能與熱保護地重要方法，本文對標電動車熱平衡試驗。試驗工況與條件如下：

1）低速爬坡：車速50kph、坡度9%、環(huán)境溫度38℃、空調(diào)最高檔位外循環(huán)；

2）高速爬坡：車速100kph、坡度5%、環(huán)境溫度38℃、空調(diào)最高檔位外循環(huán)；

3）高速工況：車速120kph、坡度0%、環(huán)境溫度45℃、空調(diào)最高檔位外循環(huán)。

3.2 試驗結(jié)果

在環(huán)境模擬實驗室中進行熱平衡試驗，設(shè)置表5地試驗條件，進行熱平衡試驗，采集水溫信號，試驗結(jié)果見表4。

表4 試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果，當(dāng)前冷卻系統(tǒng)溫度滿足設(shè)計散熱要求，方案3格柵時的進風(fēng)量滿足冷卻系統(tǒng)需求。

4 結(jié)論

使用三維與一維聯(lián)合仿真的方式，對散熱器模塊進氣量進行三維仿真，同時結(jié)合一維冷卻系統(tǒng)仿真結(jié)果進行優(yōu)化，最后將優(yōu)化分析結(jié)果與熱平衡試驗進行對標，證明了仿真模型的可靠性與開發(fā)流程的可行性，提高了冷卻系統(tǒng)性能，完成電動車動力系統(tǒng)性能匹配。

[1] Christoph Stroh.Rudolf Reitbauer.Increasing the Reliability of Desig -ning a Cooling Package by Applying Joint 1D/3D[J].Simulation. SAE,2006(1).

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

[3] 陳家瑞.汽車構(gòu)造.第3版[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[4] 馬虎根,李美玲.汽車散熱器傳熱及阻力特性的預(yù)測方法[J].內(nèi)燃機工程,2002,23(1):33-36.

The thermal performance of an electric vehicle power system is matched

Lai Zhenghai, Zhang Pengfei, Liu Dianke

( Brilliance Auto R&D Center (BRAC), Liaoning Shenyang 110141 )

In the development of electric vehicles, when the thermal performance of the power system is matched, the performance of the cooling system needs to be simulated, evaluated and verified to reduce the R&D cycle and development cost. In this paper, the method of 3D and 1D joint simulation is used to conduct 3D simulation of the air intake of the front grille. Combined with 1D simulation results, optimization is conducted to compare the simulation analysis results of the cooling system with the heat balance test results, so as to improve the performance of the cooling system.

Air intake;Cooling system;3D/1D simulation

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.06.006

U467

A

1671-7988(2021)06-18-03

U467

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1671-7988(2021)06-18-03

賴征海，就職于華晨汽車工程研究院性能集成處。